Tractament d’efluents a la indústria cervesera i valorització dels seus residus líquids

Seccions

• Introducció
• Consums d’aigua i contaminació d’efluents
• Tractament d’efluents
• Valorització de residus
• Resum

INTRODUCCIÓ

Resum històric

La història de la cervesa es remunta a temps ancestrals. Amb el desenvolupament de l’agricultura entre el 10000 a. C. i el 6000 a. C. van començar a descobrir-se els productes elaborats a partir dels seus fruits, fet que fa pensar que la cervesa probablement va ser descoberta en aquell temps.

El descobriment de la “fermentació baixa” cap al segle XV i la introducció del llúpol va acostar la cervesa als consumidors fent-la comercialment més atractiva.

Aquest últim va prevaldre sobre les altres herbes i espècies perquè va millorar la seva conservació i, per tant, el seu trasllat i comercialització, a més d’influir en el cos i sabor de la cervesa.

L’any 1883, Carlsberg Brewery va començar la producció industrial de cervesa “lager” amb una soca de llevat prèviament aïllada en medis sòlids. Aquest esdeveniment es va convertir en un punt d’inflexió de la revolució industrial, ja que significava la transició de l’elaboració de cervesa artesanal a petita escala a la moderna producció a gran escala.

Això va ser seguit aviat per altres companyies, convertint-se en els anys següents en una tècnica estàndard a Europa i Amèrica del Nord, provocant un creixement exponencial de la producció de cervesa.

Avui la indústria cervesera ocupa una posició central en la indústria alimentària a nivell mundial, amb una producció superior als 1500 milions d’hl per any, sent la cervesa la cinquena beguda més consumida al món.

Productors i consumidors mundials

A la gràfica següent s’observen els majors productors mundials de cervesa:

Europa és el continent on més cervesa es consumeix del món. Vuit dels deu primers consumidors mundials són països de la UE. Europa va produir 39.000 milions de litres d’aquesta beguda l’any 2018. També puja la producció de cerveses amb 0,5% graus d’alcohol i la cervesa sense alcohol amb 1.000 milions de litres.

Itàlia és el país que més va incrementar la seva producció respecte a 2017, amb un 21%, seguida d’Hongria (11%) i la República Txeca. En canvi, el Regne Unit ha reduït la seva producció un 20%. Àustria, Eslovàquia i Holanda també han baixat la seva producció encara que en menor mesura.

Alemanya continua liderant el mercat de la cervesa amb 8.300 milions de litres i un 21% del negoci. En altres paraules, una de cada cinc cerveses que es produeixen a la UE és alemanya. La segueixen el Regne Unit, amb el 12% de la producció, Polònia (10%) i Espanya amb un 9% i un augment de 20 milions de litres entre 2017 i 2018.

La fama de cervesers dels alemanys es confirma perquè, malgrat ser els majors productors, no són els majors exportadors; guanya Holanda, amb 1.900 milions de litres, 300 milions de litres més que Alemanya.

Segons l’estadística d’Eurostat, el principal destí de la cervesa europea són els Estats Units, amb 1.000 milions de litres (29%), seguits de la Xina (13%) i Rússia (6%).

Europa importa poca cervesa de fora de la Unió. Sobretot, cervesa mexicana, 250 milions de litres, el 52% de les importacions, seguida de Sèrbia (57 milions, un 9%) i Bielorússia (5%).

En aquesta altra gràfica, es presenten els majors productors i consumidors europeus de cervesa:

Procés bàsic de fabricació de la cervesa

El procés de producció de cervesa es divideix principalment en 3 etapes:

• A la primera, l’amidó contingut en el gra d’ordi (o altres cereals com l’arròs, blat, etc.) es converteix en sucres fermentables obtenint un líquid ensucrat denominat most.
• A la segona etapa, el most és fermentat per llevats per convertir els sucres en etanol i altres compostos minoritaris, obtenint la cervesa.
• A la tercera, la cervesa obtinguda es clarifica, filtra i envasar.

CONSUMS D’AIGUA I CONTAMINACIÓ D’EFLUENTS

L’aigua és el component principal de la cervesa, constituint aproximadament el 95% en pes del producte. Però a més de ser la matèria primera majoritària, és una substància indispensable per al funcionament d’un gran nombre d’operacions. Els principals usos de l’aigua en l’elaboració de cervesa són:

• Neteja d’equips i instal·lacions
• Incorporació al producte
• Circuitos de refrigeració i calderes
• Envasat
• Sanitàries

Pel que fa a l’aigua incorporada al producte, cal fer una matisació per la importància que té, tant des del punt de vista de la qualitat del producte, com per la influència que pot tenir en el consum total de la instal·lació.

Si la composició química de l’aigua d’abastament a la zona on s’ubica la instal·lació no és l’adequada per ser emprada directament com a matèria primera, és necessari realitzar una sèrie de tractaments d’eliminació i/o addició de certs constituents minerals fins a ajustar la concentració apropiada d’ions, amb la finalitat d’evitar efectes perjudicials en la qualitat dels mostos i cerveses i en la pròpia marxa dels processos i funcionament dels equips.

Aquest condicionament previ de l’aigua, en molts casos inevitable, pot fer que el consum s’incrementi notablement ja que l’ajust de la composició requerida no es pot realitzar sense una certa pèrdua d’aigua.

Aquestes pèrdues es produeixen en forma de concentrats o rebuigs si s’utilitzen mètodes basats en l’òsmosi inversa o l’electròlisi, o com a aigua procedent de la regeneració de resines d’intercanvi iònic si s’opta per aquesta solució.

El volum d’aigua residual que es genera a les instal·lacions cerveseres correspon a l’aigua total consumida descomptant la que s’incorpora al producte final, la que s’evapora en les operacions de producció i serveis auxiliars, i la que queda absorbida en la matriu sòlida dels residus generats.

El volum total d’aigua residual abocada als centres productius oscil·la entre 2,5 i 7,2 hl/hl. Aquest ampli rang d’emissió està relacionat directament amb el nivell de consum d’aigua i amb l’eficiència de la gestió que cada fàbrica fa d’aquest recurs.

Realitzant un balanç entre el volum d’aigua consumida amb el volum d’aigua residual abocada, s’obté que l’aigua que no abandona la instal·lació com a efluente residual fluctua entre 1,4 i 1,9 hl/hl de cervesa envasada, que en termes relatius es tradueix en 16,2%-43,1%.

Aquests percentatges es distribueixen entre l’aigua incorporada al producte, la retinguda en els residus sòlids i l’emetuda a l’atmosfera en forma de vapor.

El volum total de l’aigua residual produïda prové principalment de les operacions de neteja d’equips i instal·lacions, sent alhora la corrent que normalment aporta major càrrega contaminant, ja que les solucions de neteja a més de contenir diverses substàncies químiques com agents de neteja i desinfecció, entren en contacte directe amb la superfície d’equips, conductes i dipòsits que han transportat o contingut most, cervesa o matèries primeres, incrementant considerablement la càrrega orgànica i la quantitat de sòlids en suspensió entre altres paràmetres.

Altres efluents importants tenen el seu origen a la línia d’envasat. A la capçalera dels trens d’envasat es realitza l’acondicionament dels barrils i envasos reutilitzables.

La corrent residual que es genera en aquesta zona té importància no tant pel volum que es produeix, com per la càrrega contaminant que aporta.

Les seves característiques són similars als efluents de neteja d’equips i instal·lacions, ja que conflueixen l’ús de substàncies químiques més o menys agressives amb l’eliminació de restes de cervesa i sòlids que poden contenir els envasos.

L’altre punt significatiu de generació d’aigua residual a la línia d’envasat és el túnel de pasteurització. Aquest equip ha estat tradicionalment un punt d’alt consum i emissió d’aigua, encara que actualment els dissenys dels túnels de pasteurització s’han adaptat per evitar tant l’abocament d’aigua com el consum energètic.

A la taula següent s’indiquen les càrregues contaminants orientatives que es produeixen en cada activitat del sistema productiu de l’elaboració d’aquest producte:

Paràmetres mitjans:

Paràmetre	Unitat	Concentració
Abocament d’aigua residual	Hl/Hl cervesa	3,5 – 8
DQO de l’aigua sense decantar	mg O2/l	3300
COT de l’aigua sense decantar	mg O2/l	1100
Nitrogen total	mg/l	30 – 100
Fòsfor total	mg/l	30 – 100

Càrregues per activitats:

Origen	DQO (mg O2/l)	Kg/m3 cervesa
Aigua mòlta de malta	4000-6000	0,67
Dipòsit filtre most	9000-12000	0,58
Neteja dipòsit filtre	7000-10000	0,23
Turbiós	194000	2,65
Llevat fermentadors	361200	12,4
Llevat tancs d’emmagatzematge	259300	5,45
Rebuig filtres cervesa	55000	1,0
Solució neteja CIP	2000-15000
Pèrdua de cervesa	191000	1,91
Rebose de rentadores d’ampolles	500	0,45
Solució rentadora d’ampolles	200-10000
TOTAL		25,34

TRACTAMENT D’EFLUENTS

La característica més destacable de les aigües residuals de cerveseria és la seva elevada càrrega orgànica i la seva alta biodegradabilitat, fet que afavoreix les seves possibilitats de depuració mitjançant mètodes biològics; a més de la inevitable variabilitat vinculada a les múltiples opcions de gestió i usos específics de l’aigua que es realitzen a cada centre productiu, cal afegir les condicions de les xarxes de drenatge d’efluents, de manera que el grau de segregació de les corrents té una marcada influència en el volum i càrrega contaminant de l’aigua residual que entra al sistema de depuració.

Els diferents sistemes de depuració de què disposen les cerveseres i la manera com són operats també és un factor de variabilitat important com es desprèn de les dades de la taula anterior.

Els rendiments de depuració poden ser molt diferents per aquest motiu i pels diferents límits d’abocament imposats a les diferents instal·lacions en funció del punt d’abocament final i de la legislació en matèria d’aigües residuals.

Les tendències actuals en tractament d’aigües residuals procedents de la indústria cervesera, s’encaminen al sistema de tractament compost de:

Tractament primari:

En aquesta fase s’eliminen els sòlids en suspensió amb un desbast gruixut seguit d’un desbast fi; per a això s’utilitzen sovint tamisos de diferent llum de filtració.

A continuació, es procedeix a una decantació primària en la qual es separa aproximadament 1/3 de la matèria orgànica (la que es troba en suspensió com a petits sòlids o en forma col·loïdal).

Tractament secundari:

Després d’una homogeneïtzació de vessaments, es procedeix a un tractament biològic anaerobi. Aquesta tecnologia permet reduir la DQO en aproximadament un 80 %, amb l’avantatge que pràcticament no es produeixen fangs que, a més, es poden revaloritzar i gairebé no es necessiten nutrients.

El procés anaerobi ha de desenvolupar-se a uns 25 – 30 ºC, perquè sigui rendible, per la qual cosa, en moltes ocasions és precís escalfar l’efluent; no obstant això, com que existeixen vessaments d’aigua calenta, com la cocció o la pasteurització, serà habitual entrar en aquest marge de temperatura d’operació, sense aportació energètica.

Un avantatge important del sistema és la producció de biogàs que després pot ser utilitzat com a combustible per aconseguir energia.

Quan s’aboca a un polígon industrial o a una altra depuradora, amb aquest tractament i un lleu ajust final, s’acostumen a assolir els límits exigits per les administracions, que estan sobre les 1000 ppm de DQO.

En el cas d’abocar en domini públic, és necessari un tractament d’afinament consistent en un tractament biològic aerobi, amb el qual s’assoleixen nivells de l’ordre de 160 ppm de DQO i < 300 ppm de SS.

Els fangs procedents del decantador primari i del decantador secundari es concentren en un espessidor i condueixen a un digestor aerobi.

Aquests fangs són finalment deshidratats en una centrifugadora o un altre sistema de secat mecànic o tèrmic.

L’esquema següent representa en línies bàsiques el tractament indicat:

Una alternativa eficient és tractar els vessaments més contaminats amb sistemes d’evaporació al buit, en els quals Condorchem Envitech té provada experiència.

En aquest cas es pot simplificar considerablement la línia de tractament de la depuradora; també és aplicable aquesta tecnologia al secat dels fangs per reduir-ne el volum i el cost d’enviament a abocador. Les tecnologies d’evaporació es fan viables aprofitant l’energia alliberada en el tractament anaerobi (biogàs).

Podem pensar, doncs, en un sistema mixt entre tecnologies que busqui el major rendiment i el menor consum energètic.

VALORITZACIÓ DE RESIDUS

La major part de les restes de producció generades a les cerveseries són de caràcter orgànic, que poden ser considerades com a subproductes ja que poden ser aprofitats per altres indústries (alimentació humana, alimentació animal, farmàcia, etc.) o per a utilització agrícola com a adob orgànic.

Donat el possible valor comercial dels residus sòlids generats en el procés de producció i l’elevada DBO5 que presenten, és recomanable minimitzar l’abocament d’aquests juntament amb les aigües residuals.

També es generen quantitats elevades de residus assimilables a urbans (vidre, cartró, plàstics, metàl·lics, etc.), derivats de les operacions de recepció de matèria primera i envasat.

Hi ha certs residus, considerats perillosos, generats durant el manteniment de les instal·lacions (olis usats, tubs fluorescents, dissolvents, residus d’envasos perillosos, etc.) comuns als generats en qualsevol altra activitat i la seva gestió ha de ser l’adequada. Es pot fer una classificació dels residus generats atenent a la seva distinta naturalesa.

Es presenten a continuació les quantitats de residus, agrupats en quatre categories. La classificació com a “residu” o “subproducte” dependrà de la destinació final que es doni a aquesta resta de producció.

Residus orgànics/subproductes (kg/hl de cervesa envasada)

• bagàs i turbiós 16,99-23,09
• llevat 1,4-3,61
• pols de malta 0-0,49

Residus assimilables a urbans (kg/hl de cervesa envasada)

• vidre 0,11-1,64
• plàstic 0,02-0,1
• cartró 0,03-0,18
• metal 0,01-0,124
• fusta 0,01-0,166
• escombraries 0,09-0,55
• altres 0-0,04

Perillosos (kg/hl de cervesa envasada)

• envasos 0,00021-0,005
• fluorescents 0,002-0,012
• dissolvents 0,00001-0,0003
• altres 0,0005-0,0113

D’entre els residus orgànics, el bagàs de cervesa (BSG) és el subproducte més abundant, generat pel procés d’elaboració de la cervesa, i representa aproximadament el 85% dels subproductes totals obtinguts. Es denomina bagàs el residu de cervesa després d’haver extret el seu suc.

Després del procés de maceració, la part insoluble del gra d’ordi, el BSG, està en solució amb el most soluble (líquid).

El most, que es fermentarà en cervesa, es filtra i separa del residu sòlid (BSG) que és un subproducte que pot ser valoritzat.

El bagàs de cervesa sol estar compost d’un 15 – 26% de proteïnes i un 70% de fibres, que inclouen cel·lulosa (entre 15,5 i 25%), hemicel·lulosa (28 a 35%) i lignina (aproximadament el 28%).

També pot contenir lípids (entre 3,9 i 18%, dels quals el 67% són triglicèrids), cendres (2,5 a 4,5%), vitamines, aminoàcids i compostos fenòlics.

Entre els components minerals hi ha el calci, fòsfor i seleni.

També conté biotina, colina, àcid fòlic, niacina, àcid pantotènic, riboflavina, tiamina i vitamina B6. Entre els aminoàcids hi són presents la leucina, valina, alanina, serina, glicina, tirosina, lisina, prolina, treonina, arginina, cistina, histidina, isoleucina, metionina, fenilalanina, triptòfan, glutàmic i àcid aspàrtic.

L’aprofitament del bagàs és una mesura efectiva per enfortir una producció sostenible i les pràctiques baixes en emissions, que són recomanades com a eix del “Pla d’Acció en Canvi Climàtic”, segons la Llei d’adaptació i mitigació al canvi climàtic (Llei N° 3871/11).

També contribueix amb les metes de l’objectiu 12 sobre producció i consum responsable de l’agenda 2030 d’Objectius de Desenvolupament Sostenible (ODS) fixada per les Nacions Unides.

Per tot això, el bagàs de cervesa compta amb un ampli ventall de destinacions possibles, entre elles:

• El consum humà.
• La producció d’energia per combustió directa.
• La producció de biogàs per fermentació anaeròbica.
• La producció de carbó.
• La seva utilització com a material adsorbent de tractaments químics.
• El cultiu de microorganismes.
• L’obtenció de bioproductes de fermentació.

L’alt contingut d’aigua inicial (75–80%) i la presència de nivells considerables de polisacàrids, sucres fermentables residuals i proteïnes fan que el bagàs fresc sigui susceptible a la contaminació microbiana, principalment per fongs filamentosos. Aquest deteriorament microbiològic pot comprometre la possibilitat

La producció mundial anual mitjana de BSG s’estima en 39 milions de tones, amb 3,4 milions de tones produïdes a la Unió Europea, de les quals 2 milions es produeixen només a Alemanya.

Es produeixen al voltant de 20 kg de BSG humit per cada 100 l de cervesa elaborada. Actualment, la majoria del gra usat produït s’utilitza com a aliment de baix valor per a animals, amb un preu de mercat aproximat de 35 €/tona. Els components principals de BSG inclouen fibra (30-50% p/p) i proteïna (19-30% p/p), que són components nutricionals bàsics en la dieta humana i, per tant, fan que aquest material sigui molt atractiu per millorar el valor nutricional dels aliments.

A més, diversos components que són constituents del BSG, com arabinoxilans, proteïnes en forma d’hidrolitzats i compostos fenòlics, han guanyat una atenció creixent pels seus beneficis potencials per a la salut.

Degut a la important quantitat produïda anualment, el baix valor de mercat actual, l’augment de la consciència ambiental i el reconeixement que el BSG pot representar un coproducte nutricionalment valuós, els esforços es centren cada cop més en la valorització d’aquest subproducte agroindustrial.

El segon subproducte en volum de generació és el llevat. El llevat s’afegeix en petites quantitats als tancs de fermentació per transformar els sucres en etanol i CO2.

Durant la fermentació es produeix una quantitat de llevats aproximadament quatre vegades superior a la quantitat introduïda i són retirats dels tancs un cop conclou la fermentació.

Part d’aquest llevat retirat es torna a introduir als tancs per aprofitar al màxim la seva activitat fermentativa, però la major part ha de ser gestionada com un subproducte aprofitable en altres indústries.

Les sortides del llevat també passen per la possibilitat de ser utilitzades en alimentació del bestiar, a més de poder servir de matèria primera en la indústria alimentària, cosmètica i farmacèutica.

Però la facilitat de la seva acceptació per tercers com a matèria primera depèn força del seu contingut en humitat, de manera que a major deshidratació major acceptabilitat al mercat.

L’excedent de llevat consisteix en una suspensió de llevats en cervesa en diferents estadis de fermentació, amb una concentració de sòlids propera al 10% m/m.

El seu volum pot assolir un 1-3% del volum de cervesa produïda i és venuda a la indústria d’alimentació animal a la majoria de cerveseries.

No obstant això, la seva utilització és objecte d’intensa investigació a escala de laboratori per obtenir productes amb valor afegit.

A tall d’exemple podem citar el seu ús per a la producció d’oligosacàrids, de cel·lulosa bacteriana, de bioetanol, la seva co-digestió amb els efluents de rentat en reactors anaeròbics d’alta càrrega per incrementar la producció de metà, i la seva utilització com a aliment per a peixos.

La tecnologia amb major eficiència per deshidratar tant el bagàs com els llevats és la Evaporació al buit, en la qual Condorchem Envitech aporta nombroses i provades solucions.

L’ampli rang de valors de la producció de llevat residual es deu als molt diferents graus de sequedat que pot tenir en el moment de la seva quantificació i al nombre de vegades que es reintrodueix als tancs de fermentació.

La pols de malta és un dels principals aspectes ambientals potencials pel que fa a emissions atmosfèriques.

Els sistemes de control d’emissió de pols de malta faciliten la recuperació parcial d’aquesta pols i depenent, entre altres factors, de les condicions de recollida i del tipus de processos que es realitzen, es pot reintroduir en el procés o ser utilitzada per tercers com a aliment per al bestiar. Condorchem Envitech disposa de tecnologies punteres en el tractament de gasos.

RESUM

La cervesa és una de les begudes més consumides al món, sent considerada com una de les millors begudes refrescants, alhora que és reconeguda la seva contribució alimentària en la nutrició humana.

En el procés de fabricació de la cervesa s’aprofita pràcticament tot, ja que els efluents que es produeixen, habitualment, es tracten en digestors anaerobis que produeixen gas metà, utilitzat com a potent combustible per a l’alimentació de calderes de biogàs i generació d’energia.

Gran part dels residus que s’obtenen en els processos de fabricació són reciclables com a matèria primera (llevats), o considerats com a subproductes amb múltiples aplicacions (bagàs BSG).

En aquesta línia, el tractament d’evaporació al buit és una tecnologia aplicable en aquests processos, tractant-se d’indústries que poden generar energia (tractaments anaerobis), i els residus revaloritzables han de tenir la menor humitat possible per facilitar el seu transport i reduir la seva possibilitat de descomposició.

Referències bibliogràfiques i d’Internet

https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/115468/Los%20residuos%20de%20cerveza%20como%20fuente%20de%20antioxidantes%20naturales.pdf?sequence=1&isAllowed=y https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=2675308

http://www.alimentosargentinos.gob.ar/HomeAlimentos/Nutricion/documentos/TendenciaBagazo.pdf

https://bibliotecavirtual.unl.edu.ar:8443/bitstream/handle/11185/905/Tesis.pdf

http://prtres.es/Data/images/Guía%20MTD%20en%20España%20Sector%20Cervecero-A2401D26BE1CD61C.pdf

https://es.euronews.com/2019/08/02/quienes-son-los-mayores-productores-de-cerveza-de-europa