Usos Industriales y Agrícolas de la Vinaza de Caña de Azúcar

Nota TécnicaUsos Industriales y Agrícolas de la Vinazade Caña de AzúcarDaniel IrisarriPresidente de KIMEL de Colombia S.A.IntroducciónEl Grupo KIMEL*, una empresa de medioambiente y de gestión de residuos, inició en1996 en el Valle del Cauca un proyecto derecuperación y transformación de vinaza decaña de azúcar con el objeto de darle valoragregado y mejorar su mercado.La primera tarea consistió en caracterizar estesubproducto con base en parámetros quepermitieran compararlo con otros productosde usos en la industria y en el agro. Antes deesa época, la vinaza era considerada comoun residuo resultante de la destilación demelazas con origen en la caña de azúcar, quese producía en concentraciones del orden del8% de sólidos totales, es decir, contenía 92%de agua. En estas concentraciones no eraposible utilizarla ni para la industria ni para elagro, por tanto, era preciso concentrarla hastael porcentaje máximo que la tecnología loexigía y el comportamiento de la misma vinazalo permitiera. No obstante, ya existían algunaspocas destilerías en el mundo queconcentraban este efluente con el fin de reducirsu volumen y facilitar su traslado para algunosusos, fundamentalmente en la alimentaciónde vacunos.Como elemento patrón para la caracterizaciónse tomó la vinaza concentrada al 50% desólidos totales, siendo el primer obstáculo ladefinición de cuáles serían los patrones basede sólidos disueltos y de sólidos en suspensión.La vinaza contenía un porcentaje de sólidosen suspensión muy variable, que oscilabaentre 10% y 20%, lo cual obligaba a desarrollarun Proceso de Clarificación que permitieraobtener un producto concentrado decaracterísticas regulares y constantes en eltiempo con una especificación muy cerradapara los sólidos en suspensión, permitiendoasí un producto bien definido y procedente deun proceso industrial.MetodologíaSe decidió trabajar con vinazas con uncontenido máximo de 0.5% de sólidosinsolubles o en suspensión. Este producto secaracterizó través de todo el año con base encomponentes orgánicos e inorgánicos, ya quela calidad era influenciada de forma directa ysignificativa por las condiciones de climadurante la zafra y por diversas circunstanciasdurante los procesos de obtención de melazaen fábrica y de destilación. Afortunadamentese llegó a la conclusión de que en formarepresentativa las alteraciones de losparámetros de la vinaza se podían encuadrardentro de una ficha técnica válida para ladefinición de un producto en el momento deser utilizado como una materia prima. Ademásde las características de esta ficha técnica, lavinaza ha sido estudiada y se le hanencontrado usos y aplicaciones válidas parasu utilización dentro de las normativas deMedio Ambiente.Concentradores de ILV (Foto 1) y de KQE (Foto 2).*Los productos y los procedimientos citados en este documento se encuentran debidamente registrados.20

Después de caracterizar la vinaza ycompararla con otras materias primas y otrosproductos elaborados que estaban en losmercados industrial y agrícola, se llegó a laconclusión que este subproducto tenía unamplio campo de aplicaciones, siempre ycuando, se conservarán las característicastécnicas y la presentación fuera adecuada.Surgió, entonces, la necesidad detransformarla de concentrado a polvo soluble.Este proceso y la logística necesaria para sumanejo fue algo realmente difícil de resolver,ya que no existía en el mundo una tecnologíade secado de la vinaza de forma industrial.Ante la imposibilidad de encontrar fabricantesde secadores industriales responsables de laventa o desarrollo de una planta de este tipo,KIMEL tuvo que aceptar el reto y hacer eldesarrollo necesario lo que implicó un año detrabajo y unas inversiones importantes quepermitieron un mayor conocimiento de laproblemática de la vinaza.Pero no era posible ignorar los sólidosinsolubles o en suspensión, que representanun volumen apreciable y hacen parte de laproblemática de la vinaza. En consecuenciafue necesario dedicar investigación eimaginación para encontrar un procesoadecuado para su transformación en unproducto con un valor agregado, un mercadoadecuado y una tecnología de respaldo. Estossólidos se obtienen directamente en forma delodo con un alto porcentaje de vinaza formandola parte líquida con un alto porcentaje delcomplejo polimérico y por consiguiente consus cualidades. Todo lo anterior hizo posiblesu utilización como una de las materias primaspara la elaboración de granulados especiales.Una vez culminado con éxito el retode producir de forma industrial vinaza en polvo,se estaba frente a una materia prima quebasaba sus posibles usos en la enormediversidad de comportamientos de sucomponente orgánico, un muy especial ypolifacético complejo polimérico; además, estamateria se encontraba en formas líquida ypolvo, que resolvían la problemática de lalogística del mercadeo.Vinaza granuladaPlanta de secado de vinaza.Saco de granulado Kimelgran21 LAS VINAZAS

Identificación del complejo poliméricoEn estudios previos se determinóanalíticamente que el producto está compuestopor agua, sales minerales y materia orgánica(Cuadro 1). Para determinar y cuantificar conmayor precisión las diferentes fracciones dela materia orgánica se han utilizado las técnicasanalíticas: ensayos enzimáticos, RMN, IR,Cromatografía de gases-TIRPara determinar las características delcomplejo polimérico se han realizado laspruebas siguientes:• Hidrólisis con alfa-amilasa (hidrólisisselectiva del monómero terminal).Refleja un incremento en cinco vecesel contenido de glucosa y tres vecesel contenido en sacarosa, por lo quese estima que los polímeros debenser de cadena corta (hasta 8 unidadesde monómero). Utilizando el métodoviscosimétrico se calculó que el pesomolecular es de 4800 g/mol,aproximadamente.• Grupos funcionales del complejopolimérico KLA 1045. La siguientefase consistió en identificar los gruposfuncionales presentes y para ello serealizó un espectro infrarrojo (IR), elmostró que existen grupos funcionalespropios de las moléculas que formanel complejo polimérico: carbonilo,alcohol, alcanos y esteres. Tambiénse ha detectado la presencia de fuertespuentes de hidrógeno.• Como grupos fundamentales para laformación de quelatos así como parasu participación en sistemas deintercambio iónico, se encontraron losgrupos de ácido carboxilico ycarboxilatos (-COOH y –COOMe).La cuantificación de estos grupos demoléculas ha sido fundamental y para ello seha diseñado el experimento que se resume acontinuación.Determinación de grupos ácido ycarboxilato por FTIR en el complejopolimérico KLA 1045 1Para la determinación cuantitativa de losgrupos ácidos y carboxilato presentes en elcomplejo polimérico, mediante el método deespectroscopia infrarroja de transformada deFourier (FTIR) se parte patrones siguientes:(1) ácido etilendiamino tetraacético EDTA comoportador de grupos –COOH y (2) acetato dezinc como portador de grupos –COOMe.Debido a la imposibilidad de lograr ladisolución de EDTA en disolventes adecuadospara el estudio del infrarrojo en disolución, sedecidió llevarlo a cabo a partir de mezclasfísicas de estos productos con KBr enconcentraciones conocidas. Se prepararonmezclas de concentraciones de los patronesen las proporciones siguientes:• Patrón 1 = 0.1 g en 100 g de KBr• Patrón 2 = 0.2 g en 100 g de KBr• Patrón 3 = 0.3 g en 100 g de KBrEl peso final de las pastillas fue de0.3 g y para la muestra se utilizó 0.3% enpeso. A partir de las mezclas indicadasa n t e r i o r m e n t e s e r e a l i z a r o n l o scorrespondientes espectros infrarrojos a losque se les midió la intensidad de las bandasdebidas al grupo ácido carboxílico y alcarboxilato, en cada caso.Se dispuso de tres espectros (0.1%,0.2% y 0.3%) correspondientes a cada unode los compuestos EDTA, acetato y EDTA 2-Na y espectros correspondientes a muestrade complejo polimérico, EDTA y acetato dezinc. Con los valores obtenidos se hicieron lascurvas de calibración correspondientes aintensidad vs. moles de producto/100g KBr.Con estos datos y a partir de la extrapolaciónen las rectas de calibrado se han determinadolos gramos de producto que contiene 1 molde ácido y/o sal. Estos cálculos y suinterpretación gráfica pueden ser solicitadosal autor.En conclusión, la presencia decarboxilo en el complejo polimérico es de 18%vs. una presencia de carboxilo en el EDTA de60%, lo que supone que el complejo poliméricoposee el 30% de carboxilo comparado con elEDTA.1 Los estudios, análisis, ensayos y experimentos han sido realizados por la Fundación AZTI www.azti.es y la Universidaddel País Vasco.22

Cuadro 1. Contenidos al 50% de concentración en el complejo polimérico.Promedios de 10 análisis.Elementos mayores (%)N total 1.17 Mg (MgO) 0.8P (P 2O 5) (%) 0.33 Calcio (CaO) 0.6K (K 2O) 5Elementos menores a (%)Fe 500 B 9Mn 70 Cu 8Zn 15Aminoácidos (%)C orgánico total (%) 13.6 Carbohidratos 20Relación C/N 20 Proteínas b 8Aminoácidos libres (%) 0.58Azúcares (%)Totales (%, en glucosa) 3.59 Fructosa < 0.5Reductores (%, en glucosa) 2.79 Glucosa < 0.5Acido láctico (%) 2.90 Maltosa < 0.5Sacarosa (%) 0.40 LactosaOtros componentes (%)monohidratadaM.O. total 39 Acidos fúlvicos 35< 0.5Extracto húmico total 38 Acidos húmicos TrazasConcentración 50 Cenizas 11Densidad aparente (g/cc) 1.28 pH 4.5a. Las determinaciones de elementos menores se hicieron en base seca. Las demásmediciones son en base fresca.b. (A.Asp-A. Glu-Ser-Gly-His-Arg) (Thr-Ala-Tyr-Val-Leu-lleu)Usos de la vinazaEl principal valor de la vinaza reside en lascualidades de su complejo polimeríco.Después de investigar qué productos con estacaracterística se encuentran en el mercado,se encontró que existía una importantediversidad y sorprendentemente la materiaprima Kimel compite con la mayoría de ellosen un alto numero de aplicaciones.El complejo polimérico Kimel tiene unpeso molecular promedio de 4800 g/mol y losproductos en el mercado que sirvieron paracomparación tienen complejos poliméricos conun peso molecular medio entre 50,000 y100,000 g/mol. Aunque este hecho no esinconveniente para homologarlos en algunoscasos y hasta para superarlos en otros, sí esnecesario reconocer que no los puede sustituir23 LAS VINAZAS

en un importante porcentaje de susaplicaciones.La vinaza es un producto orgánicocon un alto potencial como medio de cultivode microorganismos, especialmente cuandose encuentra en estado líquido aconcentraciones bajas, que requiere un manejoadecuado para evitar contaminaciones quealteran sus propiedades y dificultan algunasaplicaciones. Para obtener un producto debuena calidad debe vigilar todo el proceso deproducción desde el campo hasta la salida dela torre de destilación pasando por los procesosde clarificación, concentración, adecuación aluso específico y secado.En la industriaEl complejo polimérico de la vinaza tiene, entreotros usos industriales, los siguientes.Construcción. En orden de importancia enrelación con el volumen de consumo se debecitar en primer lugar la industria del cementode hormigón, que demanda en el mundoaditivos con varios millones de toneladas deun complejo polimérico, el cual en unimportante porcentaje de sus usos es sustituiblepor el complejo polimérico de vinaza. Hacealgún tiempo en Estados Unidos fue necesariocerrar una importante factoría de poliméricospara la industria de la construcción, creandouna situación de carencia en el mercado quehizo necesario el uso del complejo poliméricode vinaza de KIMEL en algunos paísesafectados. Su aplicación es como aditivo enla preparación del concreto, actuando comofluidificante o plastificante y sustituyendo alagua.En la literatura se encuentran datosque indican que es posible sustituir 16 lt deagua por 1 kg de aditivo. La vinaza o sucomplejo polimérico trabaja por vía física(eléctrica), con un extremo o cabeza hidrófilo(carga positiva) y el otro hidrófugo (carganegativa). El componente hidrófugo seintroduce en la parte sólida del concreto y elhidrófilo permanece en el extremo opuestoformando ‘pompones’ con carga eléctrica delmismo signo que se repelen entre sí, con elmismo efecto de fluidificación que el agua. Alusar menos cantidad de agua la resistenciadel concreto aumenta, o se puede usar menoscemento para obtener un concreto de igualresistencia.Otros usos. El complejo poliméricotambién puede ser utilizada en menorescantidades para compactar y eliminar elexceso de polvo en vías carreteables yen la fabricación de aglomerados,oxicloruro de cobreasfaltos, curtimbres yproductos para la limpieza de calderas.En la agriculturaEn agricultura es necesario entender quela principal contribución de la vinaza ocurrea través del complejo polimérico. En estecampo se deben tener en cuenta loscomponentes orgánicos e inorgánicos dela melaza y sus interrelaciones, ya quemuchas veces estos últimos adsorben oretienen varios componentes orgánicosformando acomplejados.El análisis con espectro de rayosinfrarrojos muestra que la vinaza poseedentro de su fracción orgánica, loscompuestos siguientes:• Grupos OH (alcohol) de pequeñacapacidad complejante.• Cadenas hidrocarbonadasCH-OH-CH o presencia de M.O.capaces de incorporar elementos.• Sales de ácido carboxílicoCOOH-metal en forma iónica ypor tanto con gran capacidad decambiar cationes y complejar.• Acidos carboxílicos R-COOHcon función de agente disponiblepara formar nuevos complejos.• Función esteres y alcoholesprimarios C-OH, C-O-C concapacidad para ceder oincorporar elementos ycomplejar.• Puentes de hidrógeno –H --- H-con capacidad para unir cadenasy/o complejos.E n t r e l o s c o m p o n e n t e sinorgánicos sobresale el potasio, unelemento que recientemente ha recibidoespecial atención con mejorador de lascondiciones de suelos tropicales.En las presentaciones de líquidoy polvo, el complejo polimérico puede serutilizado como acondicionador de suelossalinos y complejante de nutrientes,24

estabilizador de materia orgánica en el suelo,potencializador de mezclas edáficas y foliares,mejorador y regulador de pH, en soluciónnutritiva para microorganismos benéficos,componente en soluciones aplicadas almomento del transplante, fertilizante quelatadode disponibilidad inmediata y como fuente demateria orgánica altamente disponible.Como gránulo, el complejo poliméricose le ha incorporado un importante porcentajede silicio, hierro y elementos menores y tieneuna alta capacidad de retención de agua, porello, además de los usos de las presentacionesdel complejo polimérico como líquido y comopolvo, se añaden los siguientes laspropiedades de la forma combinada: (1)debido a los silicatos es un neutralizador dealuminio; (2) mejora la capacidad deintercambio de cationes del suelo; (3) tienealta capacidad como corrector de pH de aguade riego (Cuadro 2); (4) es un corrector de laalcalina en suelos debido a que las cadenashidrocarbonadas del complejo poliméricoenlazan los elementos minerales presentesen el entorno de aplicación volviéndolesasimilables por la planta, lo que significa nosolamente una mejor asimilación de losnutrientes sino también una progresivaliberación de los elementos de saturación; (5)mejora la estructura de los suelos pobres enmateria orgánica y evita la desertización; (6)la capacidad de intercambio catiónico delcomplejo polimérico (reforzada en su formade grano) potencia la traslocación de cationespor actividad eléctrica, ya que los puentes dehidrógeno lo unen con las materias orgánicasexistentes en el suelo y las estabilizan; (7) laalta capacidad de retención de agua, una vezen el suelo, ejerce una acción favorable sobrela estructura y formación de agregados,disminuyendo la cohesión de partículas ygenerando una mejor aireación que favorecela actividad del entorno bacteriano de la zonaradicular; (8) es un medio nutritivo paramicroorganismos y un potenciador de laactividad bacteriana en los suelos; (9) actúacomo agente complejante construyendoenlaces en forma de quelatos, proceso quedepende directamente de la disponibilidad enestructuras carboxyl y carboxilatos (al menosen un entorno no sintético) y de gruposfuncionales capaces de capturar cationes sinnecesidad de un gran aporte de energía; (10)con el complejo polimérico se pueden crearlíneas básicas de mezclas con los elementosmayores NPK para mejorar los rendimientosde la fertilización, pero también líneas mássofisticadas con mezclas de elementossecundarios para corregir deficienciasnutricionales; (11) por su bajo peso moleculary tamaño reducidos de las cadenas que loforman, el complejo polimérico actúa comoagente coadyuvante en aplicaciones foliares.Cuadro 2.Variación del pH en agua de riego pesada por la adición de complejopolimérico.PosiciónComplejo numérico(/100 lt de agua)Diluciónequivalente(%)pH resultante1 0 0 8.12 0.1 0.1 7.43 0.2 0.2 6.94 0.3 0.3 6.45 0.4 0.4 6.16 0.5 0.5 5.87 0.6 0.6 5.78 0.8 0.8 5.69 1 1.0 5.8ConclusiónTodo lo anteriormente expuesto estaactualmente en plena actividad y demuestralas capacidades de la vinaza si se procesa ytrata bajo un punto de vista industrial objetivoy de futuro.Se demuestra también que laspresentaciones en forma de polvo y gránuloson una necesidad real para solucionar elproblema de logística y para facilitar el manejotanto en campo como en mezclas previas yen formulaciones.25 LAS VINAZAS