Enero-Marzo 2007, Nueva época Núm.101
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En busca de una solución sustentable para el tratamiento de los desechos del café

Eric Houbron, Vianey Cano Hernández, Luis Carlos Reyes Alvarado y Elena Rustrian 1
En 30 años, una de cada tres personas en el mundo habitará en asentamientos clandestinos sin servicios, a menos de que los gobiernos implementen políticas
Introducción. El café mexicano ocupa el cuarto lugar en el ámbito mundial, con una producción anual de alrededor de 5.5 millones de sacos (cada saco contiene 250 Kg. de café cereza o 57.5 kg. de café pergamino o, bien, 45.4 kg. de café oro). Las zonas cafetaleras representan el 3.2 por ciento de la tierra sembrada en México y están repartidas en 398 municipios de 12 estados cafetaleros. Chiapas es el primer productor en el país, y Veracruz ocupa el segundo lugar. Las principales zonas cafetaleras en el estado de Veracruz son Coatepec, Córdoba, Huatusco, Misantla, Los Tuxtlas y Zongolica. En la zona Coatepec-Xalapa, se ubican 118 beneficios húmedos que procesan 500 mil quintales (un quintal es igual a 57.5 kg. de café pergamino) por cosecha.

La mayor parte del café mexicano se transforma por vía húmeda, proceso que se realiza en cinco etapas mayores: despulpado, fermentación, lavado, secado y almacenaje. Durante este procesamiento son generados dos tipos importantes de desechos contaminantes: las aguas residuales, procedentes de las etapas de lavado y fermentación del grano, y los desechos sólidos orgánicos (pulpa de café), provenientes principalmente de la etapa de despulpado.

Generalmente, los desechos sólidos son almacenados cerca de los beneficios y producen malos olores, problemas de contaminación al manto freático y la eutrofización de ríos y lagunas donde son vertidos. Como alternativa de tratamiento y aprovechamiento, la pulpa de café es utilizada en la producción de biofertilizantes, complementos alimenticios para ganado o como combustible para hornos de secado, pero pocas de estas técnicas se aplican realmente en nuestro país, por lo que la pulpa de café sigue siendo un problema de contaminación muy grande.2 Algunos beneficios tienen sistemas de tratamiento para sus aguas residuales. Los procesos más usados son los tratamientos biológicos por digestión anaerobia en una etapa,3 pero en muchas ocasiones las instalaciones son insuficientes para éstos; por ello las aguas residuales son vertidas indiscriminadamente en ríos y lagunas cercanas al beneficio.

En México, la digestión anaerobia de estos residuos orgánicos ha sido evaluada utilizando unidades a escala piloto.4 La compleja composición de los residuos sólidos ha conducido la investigación hacia la optimación de su degradación por tratamiento anaerobio. Tales estudios establecen el uso de reactores configurados, como sistemas en dos etapas, y permiten, en muchas ocasiones, buenos resultados mediante la separación del proceso de degradación bajo pH controlado.5

Además, se ha demostrado que el tratamiento de efluentes con alto contenido de sólidos tiene mejores rendimientos en dos etapas que los de una sola. Las cargas aplicadas pueden ser de 50 a 100 por ciento más altas, con eficiencias superiores del 10 al 30 por ciento con la digestión anaerobia en dos etapas.6 El proceso de tratamiento ideal debe tener las características siguientes:

• Que permita tratar y valorizar la totalidad de los desechos generados.
• Que se adapte al aspecto estacional de la cosecha.
• Que no exista tiempo de latencia al inicio de la cosecha.
• Que no se vea limitado por la presencia de sólidos.
• Que no se interrumpa durante todo el año.
• Que sea un proceso aplicable en México.

La investigación
Considerando el escenario anteriormente descrito, académicos de la Facultad de Ciencias Químicas, campus Orizaba, de la Universidad Veracruzana (UV) nos reunimos para realizar una investigación que consiste en analizar la composición de los desechos sólidos y líquidos provenientes del beneficio húmedo de café, su biodegradabilidad, la factibilidad de tratamiento integral de los mismos, incluida la generación de subproductos, y una alternativa de valorización de estos últimos.
El objetivo principal de este estudio –que es apoyado por el Gobierno del Estado de Veracruz y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt)– es desarrollar una solución integral y sustentable para el tratamiento de los desechos sólidos y líquidos del beneficio húmedo de café.

Caracterización fisicoquímica de las aguas residuales y pulpa de café
Todas las caracterizaciones fisicoquímicas realizadas a las aguas y a la pulpa antes y después del tratamiento se llevaron a cabo según lo descrito en los Métodos Estándar 1995 y en las normas mexicanas en vigor. El análisis de ácidos grasos volátiles se hizo mediante un cromatógrafo de gases Varian, modelo Star 3400 CX, equipado con un detector FID y una columna de Megaboro DB-FFAP. El volumen de metano producido se mide con un sistema volumétrico o Frasco de Mariotte o, bien, con un sensor de presión para las pruebas de biodegradabilidad.7Asimismo, se analizó la composición del biogas a través de un cromatógrafo de gas BUCK 310, equipado con un detector TCD y una columna Packed Buck CTR-1.

La pulpa de café fresca, que se recogió en diversos beneficios locales, en seguida se congeló a -20°C para su conservación. Además, se muestrearon por separado aguas de despulpe y aguas de fermentación, también provenientes de diferentes beneficios. Estas dos aguas se mezclaron para obtener una concentración constante del orden de cinco mil mg /l de DQO.

Prueba de biodegradabilidad
Las pruebas de biodegradabilidad se efectuaron en recipientes sellados de 105 ml., según el protocolo descrito por Martínez-Pacheco y colaboradores, y de manera automatizada. Las condiciones experimentales aplicadas se describen en la tabla 1.
Montaje experimental
Para el tratamiento de la pulpa de café, se utilizó una celda anaeróbica simple de 20 litros (Figura 1-A), a la cual se aplicó una recirculación de lixiviado tratado cada tres días. Para el tratamiento en continuo tanto de la pulpa como de las aguas residuales, se usaron reactores de cinco litros completamente mezclados, con control de pH a cinco para el acidogénico y a siete para el metanogénico, y de temperatura a 30 y 35°C, respectivamente.

Condiciones operatorias
1) Hidrólisis de la pulpa de café en una celda anaeróbica en modo batch.
El lixiviado extraído, proveniente de la hidrólisis solubilización de la materia orgánica sólida, fue regularmente analizado. La recirculación y las mediciones analíticas se realizaron hasta que la totalidad de la materia orgánica de la pulpa fue transferida a la fase líquida.

2) Hidrólisis solubilización de la pulpa en reactor continuo.
Para este tipo de hidrólisis, se probó la influencia de la Carga Volumétrica Aplicada (CVA) (5, 8, 11, y 12 g DQO/L.d), del Tiempo de Residencia Hidráulica (TRH) (5, 8, 10, 12 días) y del Tiempo de Residencia de los Sólidos (TRS) (5, 8, 10, 12, 20, 40 días).

3) Tratamiento anaerobio combinado de las aguas residuales con el lixiviado acidificado.

Para la validación del sistema de tratamiento integral, se alimentó el reactor de metanización con agua residual bruta, efluente preacidificado de la pulpa y una mezcla de ambos.

La manipulación se lleva cabo en seis etapas, simulando un año de funcionamiento de un beneficio de café, equipado con un reactor acidogénico y con un reactor metanogénico. Las alimentaciones están constituidas por proporciones variables de una mezcla de estos tres sustratos, respetando la Carga CVA deseada. Las condiciones de operaciones aplicadas durante esta experimentación se presentan en la tabla 3.
Resultados
1) Caracterización de la pulpa y aguas residuales.
La tabla 4 presenta la composición promedio de las aguas residuales y de la pulpa de café.

Los resultados de la caracterización de la pulpa de café son similares a los citados en la literatura.8 Según lo reportado por Farinet y Martínez Castillo, la pulpa de café presenta un contenido de celulosa, hemicelulosa y lignina de 16.5 a 18.3 por ciento, 9.5 a 11.6 por ciento y 17.5 a 20.5 por ciento, respectivamente, lo cual en promedio representa un 30 por ciento de materia orgánica difícilmente disponible para las bacterias bajo las condiciones de un tratamiento anaerobio. Finalmente, la pulpa de café tiene un alto contenido de materia orgánica sólida, de la cual el 70 por ciento es fácilmente hidrolisable por digestión anaerobia.

La caracterización de las aguas residuales posee también valores muy similares a lo generalmente encontrado en la literatura.9 Considerando el alto contenido en materia orgánica de esta agua y de la pulpa, estos sustratos resultan muy interesantes para varios procesos de valorización. Sin embargo, la presencia de cafeína, el pH ácido y su alta fermentabilidad limitan las posibles aplicaciones para su uso en alimentación, riego o transporte de sustrato para un proceso de biotecnología.

En promedio, se producen en México cerca de 300 mil toneladas de grano seco de café y 153 mil toneladas de pulpa fresca. Es decir, un beneficio de café produce anualmente 300 toneladas de café en grano y 150 toneladas de pulpa de café, en promedio. Como el periodo de cosecha es usualmente de dos a tres meses, se estima que un beneficio procesa diariamente 23 toneladas de cereza, rinde cinco toneladas de grano, produce 14 toneladas de pulpa y mucílago frescos y contamina 460 m3 de agua.10 Además, se considera que el beneficiado de un kilogramo de café cereza genera una contaminación equivalente a 45.4 litros de agua residual doméstica.11

2) Biodegradabilidad y tratabilidad de las aguas residuales.
En la figura 2 se observa la producción de metano generado en función del tiempo, a lo largo de una prueba de biodegradabilidad anaeróbica de las aguas residuales.
Se puede ver que a las dos horas de la cinética la producción de metano es constante y máxima, lo que confirma la excelente fermentación de esta agua. Estas pruebas permitieron calcular que, bajo condiciones iniciales de So/Xo de 0.26, la biodegradabilidad es de 98.5 por ciento en promedio. Los microorganismos utilizados para las pruebas (gránulos provenientes de un reactor de tipo RAFA) alcanzan cinéticas específicas de 0.74g DQO-CH4/gSSV-d. Estos valores relativamente elevados demuestran que estas aguas presentan un gran interés para la valorización de la materia orgánica por digestión anaeróbica.
3) Tratamiento y valorización de la pulpa de café.
En la figura 3 se observa la evolución de la concentración en DQO soluble del lixiviado proveniente de las celdas anaeróbicas operadas en modo batch con o sin inóculo. La presencia del inóculo bacteriano permite disolver más rápidamente la materia orgánica de la pulpa de café. En los 100 primeros días, la concentración en DQO es también más elevada en presencia del inóculo. Del día 100 al 300, en las dos celdas la cantidad de materia orgánica disuelta se reduce hasta alcanzar valores casi nulos. Aunque los perfiles sean similares, únicamente la celda con inóculo logró transformar toda la materia orgánica sólida en DQO soluble. En la celda sin inóculo, al agitarla se observa una nueva producción de DQO soluble, lo que demuestra que todavía se encuentra materia orgánica capaz de disolverse.
Efectivamente, durante la fase de licuefacción de la materia orgánica, también se realiza una acidificación de ésta. Después, tanto la tasa de la solubilización como la de acidificación se reducen. Finalmente, gracias a un parámetro como el pH, se puede seguir de manera sencilla la evolución de la transformación de la materia orgánica y determinar el fin del batch. Por otro lado, los valores ácidos de las celdas impiden una producción de metano intensivo en éstas, por lo que el lixiviado ya acidificado podría ser tratado en un reactor metanogénico.
A fin de optimar el proceso, se operó la celda en modo continuo. A CVA de 5 g DQO/l.d se observó una excelente conservación de la DQO en la fase líquida, donde la materia orgánica particular pasó a soluble en un 30 por ciento, de la cual el 82 por ciento se transformó en Ácidos Grasos Volátiles (AGV), y una poca parte llegó hasta el estado de metano. Bajo estas condiciones, se alcanzó una concentración en AGV de 14 g DQO/l, con proporciones en ácidos acético, butírico, propiónico y valérico de 52, 28, 9, y 11 por ciento, respectivamente.12 Esta parte del estudio demostró que la CVA presenta una influencia limitada sobre la tasa de hidrólisis.

En la figura 5 se observa la evolución de la hidrólisis y solubilización en función del tiempo de residencias de sólidos.
Se observa que la tasa máxima de transformación de la DQO particular en soluble es de 68 por ciento y la proporción máxima de DQO soluble en comparación a la DQO total es de 50 por ciento. Estos valores demuestran que el TRS es un factor impactante de la hidrólisis de la pulpa de café, con un valor óptimo alcanzado a los 20 días. Esta eficiencia de hidrólisis de 70 por ciento puede ser considerada como máxima, porque la materia orgánica de la pulpa contiene alrededor de 30 por ciento de fibras difícilmente hidrolizables bajo estas condiciones operatorias
Finalmente, la porción de materia orgánica que pasó de la fase sólida a la fase líquida se transforma rápidamente en AGV. El lixiviado así producido impide una metanización en esta celda ácida; sin embargo, en un reactor de metanización se puede imaginar una producción de biogás rápida a partir de este efluente.

4) Validación de un proceso de tratamiento integral.

La figura 6 presenta la evolución de la DQO a la entrada y a la salida, y la eficiencia de remoción del reactor metanogénico operado en continuo. Las aguas residuales brutas, el efluente preacidificado y la mezcla de ambos pueden ser valorizados en biogas con una eficiencia superior al 90 por ciento.
Gracias a las seis condiciones operatorias probadas, se puede considerar una simulación de un tratamiento integral de los desechos sólidos y líquidos, en donde, al inicio de la cosecha, la mayor parte del efluente líquido proviene de las aguas residuales (etapa 1). A lo largo del tiempo, la pulpa se disolvió y el reactor metanogénico empieza a recibir una proporción de lixiviado acidificado cada vez más concentrado (etapas 2 y 3). Luego, cuando la cosecha se para, la totalidad del efluente a tratar proviene de la celda de hidrólisis acidificación (etapas 4 y 5). Cuando arranca la nueva cosecha, de nuevo el reactor metanogénico recibe 100 por ciento de aguas residuales. Para todas las condiciones probadas, la eficiencia de remoción es excelente. En la etapa 4, la reducción de la eficiencia es un artefacto de cálculo, porque la concentración inicial está reducida por 2. Sin embargo, se puede observar que el efluente tratado presenta un DQO soluble constante y baja, lo que demuestra la estabilidad del reactor.

Finalmente, al operar un sistema de digestión anaeróbica en dos etapas para el tratamiento integral de los desechos del beneficio de café, se puede incrementar la cantidad de materia orgánica disponible para la producción de biogas. Este excedente de biogas generado puede representar una alternativa de combustible que podría ser utilizada in situ para el proceso de secado. El hecho de no parar el reactor metanogénico permite a la próxima cosecha arrancar el proceso de tratamiento de las aguas residuales sin periodo de latencia y con una eficiencia elevada de inmediato.

5) Valorización de los subproductos en la fabricación de papel.
En la tabla 5 se observa una caracterización fisicoquímica de la pulpa de café y de la pulpa después de su tratamiento en la celda de hidrólisis acidificación.
En los dos compuestos podemos observar que existe una gran proporción de fibra, constituida por diversos polisacáridos. Aunque se cree que las bacterias no tienen capacidades de procesar la lignina y la celulosa rápidamente, observamos un cambio notable de la composición de la pulpa antes y después del tratamiento anaerobio, por lo que podemos considerar que las fibras de la pulpa recibieron una limpieza biológica. Finalmente, este alto contenido de fibras deja imaginar que la pulpa de café seca y/o las fibras podrían ser utilizadas en la generación de papel de tipo artesanal. De hecho, se probaron varias texturas, mezclas y tipos de encolado. Para ello, se utilizó pulpa sola, fibras solas, mezclas con papel o cartón, encolado interno y externo de 2.5 y cinco por ciento, entre otros materiales.

Tomando en cuenta que este papel podría ser producido como nuevo producto por la gente del campo, no se puede considerar la prueba tradicional de la industria papelera como índice de referencia o de comparación. Sin embargo, para dejar libre expresión a la creatividad de cada persona en cuanto al uso posible de estos nuevos productos, se puede comentar que 100 por ciento de fibra prehidrolizada proveniente de la digestión anaerobia difícilmente genera hoja. Con la pulpa seca se obtiene un producto más parecido a una hoja tradicional. Los papeles que en sí contienen porción de papel reciclado o cartón y/o dos a cinco por ciento de encolado a base de harina de trigo presentaron un aspecto, una suavidad y una resistencia más interesantes. Sin embargo, una caracterización física y mecánica más avanzada nos permitirá conocer más la calidad de este papel.

Conclusiones
1) Las aguas residuales y la pulpa generadas por los beneficios de café presentan un contenido en materia orgánica superior al 90 por ciento y una cantidad apreciable de fibras que pueden tratarse y valorizarse.
2) Las aguas residuales tienen una biodegradabilidad anaeróbica de 98.5 por ciento. El tratamiento de las aguas residuales brutas, del efluente preacidificado y la mezcla de ambos en un reactor de tratamiento alcanza una remoción superior al 90 por ciento y una tasa de producción de metano cercana al 100 por ciento.
3) La pulpa de café bajo condiciones de hidrólisis acidogénesis presenta una solubilización de la materia orgánica de las fases sólida y líquida de hasta 70 por ciento, para un tiempo de residencia de los sólidos óptima de 20 días.
4) El proceso de digestión anaerobia en dos etapas permite la transformación de la materia orgánica tanto sólida como disuelta en biogas, producto que puede ser utilizado como combustible en el beneficio.
5) Los desechos del proceso de digestión de la pulpa de café generan fibras que pueden ser utilizadas para la producción de papel artesanal.
6) El gestionar y tratar los desechos de los beneficios húmedos de café puede generar nuevos productos con un valor agregado, mismos que podrían producir riqueza y empleo.


NOTAS
1. Académicos de la Facultad de Ciencias Químicas, campus Orizaba, de la Universidad Veracruzana.
2. I. A. Morales, Características de las aguas residuales del beneficio, CICAFE, 1979.
3. P. Pommares et B. Sallée, Tlapexcatl, unité pilote de´épuration des eaux résiduaries d´une usine à café au Méxique. Platations recherché, développement, vol. 2, núm. 4, 1995.
4. J. Farinet and P. Pommares, "Anaerobic digestion of coffee pulp. A pilot-scale study in Mexico", II International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste, Barcelona, España, 1999, pp.129-132.
5. P. Poirrier and R. Chamy, "Optimization of the performance operation of a two-phase anaerobic used a industrial solid waste treatment", II International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste, Barcelona, España, 1999, pp. 99-106.
6. H. O. Monroy, "Modelamiento y control de un sistema de digestión anaerobia en dos etapas", tesis doctoral, UNAM, marzo 1998.
7. C. Martínez-Pacheco, E. Tivo y E. Houbron E., "Pruebas de biodegradabilidad anaerobia para la determinación de la actividad metanogénica", Memorias IX Congreso de Biotecnología y Bioingeniería y VIII Congreso Nacional de Ingeniería Bioquímica y II Congreso Internacional de Ingeniería Bioquímica, Veracruz, 2001.
8. Farinet, op. cit. y C. Martínez-Castillo, "Optimización de la hidrólisis solubilización de la pulpa de café en un reactor anaerobio de acidogénesis", tesis de maestría, Instituto Tecnológico de Orizaba,
2002.
9. Morales, op. cit.
10. G. G. Viniegra, Biotransformación de la pulpa de café, enzimas y prebióticos, biodegradación de compuestos orgánicos industriales, Instituto de Ingeniería de la UNAM, marzo 26-27, México, 996.
11. G. J. Lopez, “El impacto de la biotecnología en la cadena productiva del café en el caso de México”, tesis de licenciatura, Facultad de Economía, UNAM, México, 1995.
12. E. Houbron, A. Larrinaga y E. Rustrían, "Liquefaction and methanization of solid and liquid coffee wastes by two phase anaerobic digestion process", en Water Science and Technology (2003), vol. 48, núm. 6, pp. 255-262.