Una tecnología optimiza la generación de energía renovable con bagazo de malta en la industria cervecera

Investigadores de la Universidad de Campinas, en Brasil, proponen tratar ese residuo sólido que se genera en la producción de cerveza con ultrasonido, antes de someterlo al proceso de digestión realizado por microorganismos. Esta estrategia incrementa la obtención de metano, que puede emplearse en las propias fábricas para generar electricidad y calor. Y el residuo final puede aplicarse como fertilizante agrícola

Por Ricardo Muniz  |  Agência FAPESP – En el marco de un trabajo a cargo de cuatro científicos de Brasil y de Estados Unidos, se demostró detalladamente el incremento de energía eléctrica y térmica que se obtiene cuando se trata el bagazo de malta −un residuo abundante en la industria cervecera− con ultrasonido antes de su paso por la digestión anaeróbica, un proceso microbiológico que implica el consumo de materia orgánica y la producción de metano.

Este tratamiento previo generó biogás con un 56 % de metano en su composición, un 27 % más que el que se obtiene sin la aplicación del ultrasonido. Tras su purificación como metano, este biogás puede emplearse como biocombustible en vehículos, con una huella de carbono sumamente baja si se la compara con la de las fuentes fósiles convencionales. Asimismo, con la quema del metano en cogeneradores es posible producir electricidad y calor para su utilización en la propia industria cervecera. En tanto, el residuo final del proceso puede emplearse en la elaboración de biofertilizantes, que pueden aplicarse en reemplazo de los fertilizantes minerales. Los detalles de esta metodología aparecen descritos en un artículo publicado en el Journal of Cleaner Production.

El desarrollo de este innovador proceso tuvo lugar en el Laboratorio de Bioingeniería y Tratamiento de Aguas y Residuos (Biotar) de la Facultad de Ingeniería de Alimentos de la Universidad de Campinas (FEA-Unicamp). La líder del grupo de investigación, Tânia Forster-Carneiro, coordina un proyecto que cuenta con el apoyo de la FAPESP.

La investigadora explica que en la actualidad las industrias de alimentos poseen estaciones de tratamiento de aguas residuales, algo que está estipulado por ley. Pero no siempre se realiza el tratamiento de los residuos sólidos orgánicos, que generalmente van a parar a rellenos controlados o sanitarios, o alternativamente se destinan a la elaboración de pienso animal. “Los estudios que apuntan a la puesta en valor de los residuos sólidos orgánicos son importantes para la industria y también para la sociedad. En este artículo específicamente aludimos a la aplicación de un tratamiento previo con ultrasonido –una tecnología aún incipiente, que comúnmente se aplica a escala de laboratorio–, y así fue como obtuvimos una mayor producción de metano. Los resultados fueron muy buenos”, celebra Forster-Carneiro.

La posdoctoranda Luz Selene Buller y el doctorando William Sganzerla, ambos becarios de la FAPESP, forma parte del grupo de investigación.

Sganzerla explica que los residuos de la industria cervecera son lignocelulósicos (compuestos por lignina, celulosa y hemicelulosa) y, por ende, sus paredes celulares son de difícil acceso para los microorganismos que participan en la digestión anaeróbica. “Al alimentar un reactor de digestión anaeróbica con materia prima lignocelulósica, el rendimiento de la producción de metano será bajo, puesto que los microorganismos no consumirán esa biomasa. Por eso se hace necesario aplicar un tratamiento previo para mejorar la degradación de la biomasa.”

En el referido trabajo, también se evaluaron las rutas de recuperación de energía en todo el proceso, lo que derivó en la conclusión de que la electricidad producida por el biogás compensó el 80 % de la necesaria para el tratamiento previo con ultrasonido y para la digestión anaeróbica, y generó a su vez un excedente un 50 % superior de energía térmica en comparación con el excedente de calor que se obtendría en el proceso sin la aplicación de ultrasonido.

“La barrera tecnológica consiste en aplicar un tratamiento previo sostenible que consuma poca energía. Un tratamiento previo con alto consumo energético no es factible cuando se trata de aplicaciones a escala industrial. De este modo, la electricidad que se genera debido a la combustión del biogás se utilizará para el ultrasonido. En tanto, el calor producido puede emplearse en la industria para los diversos procesos que requieren de energía térmica. Todo esto sigue los principios de la economía circular para la producción de alimentos con baja emisión de carbono”, detalla Sganzerla.

Buller remarca que el reciclado de nutrientes y la generación local de energía de fuentes renovables se erigen como relevantes estrategias de desarrollo sostenible y de descarbonización de la producción de alimentos.

Los cálculos detallados

Según Forster-Carneiro, un factor que fue determinante para que el artículo llamase la atención de la comunidad académica fue el nivel de detalle logrado en las mediciones del trabajo. “Efectuamos todos los cálculos del balance de masa y energía de todos los flujos de entrada y salida. Y demostramos minuciosamente que por cada tonelada de bagazo de malta es posible producir 0,23 megavatio-hora de energía eléctrica.”

Este estudio también cuenta con potencial para la mitigación de gases de efecto invernadero, merced a la generación de energía renovable. La científica comenta que ha venido trabajando desde hace más de cinco años en colaboración con Michael Timko, docente del Worcester Polytechnic Institute (Massachusetts, Estados Unidos), también experto en valorización de residuos y coautor del artículo. “El trabajo quedó excelente, pues son pocas las investigaciones que detallan los cálculos de producción de energía basada en metano.”

Al igual otros tantos, este experimento surgió de la buena relación de la FEA-Unicamp con la industria cervecera local, que se ve reflejada en visitas técnicas y en la donación de los residuos sólidos. Una de esas unidades cerveceras produce de 120 a 250 toneladas de bagazo de malta por semana. “En la actualidad, esa fábrica no concreta la puesta en valor de este residuo, sencillamente lo dona para su procesamiento destinado a la alimentación animal. Pero podrían tratar el bagazo al tiempo que producen energía”, dice Forster-Carneiro.

En este marco, Sganzerla pone de relieve los efectos inminentes de la Política Nacional de Residuos Sólidos de Brasil (estipulada en la ley 12.305, del año 2010). “Llegará el momento en que todas las industrias obligatoriamente tendrán que tratar los residuos que generan. Y deberán echar mano de las tecnologías disponibles. Técnicamente, ya es posible hacerlo. En nuestro estudio mostramos diversas posibilidades. Hoy en día no existen industrias que efectúen este tipo de tratamiento a gran escala, pues por más que exista la tecnología de digestión anaeróbica y que sea factible su aplicación con residuos líquidos y sólidos, para los residuos sólidos y lignocelulósicos se requiere la realización de estudios más profundos.”

Rico en nutrientes

Brasil se ubica entre los cinco mayores productores de cerveza del mundo. En el año 2019, se fabricaron 14 mil millones de litros de la bebida en el país, según se consigna en el artículo. La producción de 100 litros de cerveza genera aproximadamente 20 kilos de bagazo de malta. De este modo, anualmente se generan en Brasil alrededor de 2,8 millones de toneladas de bagazo de malta. El equipo de Forster-Carneiro obtuvo en el año 2020 una patente de la aplicación de este residuo orgánico en reactores anaeróbicos aplicable a la propia estación de tratamiento de aguas residuales de la industria cervecera.

En un artículo publicado anteriormente en el Journal of Cleaner Production, en marzo de 2021, Forster-Carneiro, Sganzerla, Buller y Solange Mussatto, del Departamento de Biotecnología y Biomedicina de la Universidad Técnica de Dinamarca, efectúan una detallada evaluación de las ventajas económicas de la puesta en valor de los residuos, incluso en la elaboración de fertilizantes.

“El proceso de digestión anaeróbica trata residuos con una alta carga orgánica, por consiguiente, genera nutrientes y, dentro del reactor, sobra un biodigerido, una fracción sólida compuesta básicamente por material lignocelulósico tratado y rico en nitrógeno, fósforo, potasio y otros minerales. En el caso del bagazo de malta, existe mucho nitrógeno y la cantidad de proteínas será alta, lo que vuelve factible el empleo de este residuo como biofertilizante, incluso en reemplazo del NPK [un fertilizante compuesto por nitrógeno, fósforo y potasio] mineral”, explica Sganzerla.

El equipo de Forster-Carneiro también ha venido investigando el tratamiento previo hidrotérmico del bagazo de malta. “Pusimos el residuo en un reactor que hidroliza la biomasa [promueve la rotura de las moléculas] en determinadas condiciones de temperatura y presión, produciendo así un hidrolizado [líquido] con nutrientes solubles, lo que es sumamente beneficioso para los procesos fermentativos; pero este proceso aún requiere la realización de estudios más profundos con miras a elaborar una solución eficiente y sostenible para el tratamiento de residuos lignocelulósicos”, dice Sganzerla.

Puede leerse el artículo intitulado Ultrasonic pretreatment of brewers’ spent grains for anaerobic digestion: Biogas production for a sustainable industrial development en el siguiente enlace: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652622014135?via%3Dihub.