La vinaza es el mayor subproducto de la producción de etanol en términos de volumen. Por cada litro de etanol producido se producen de 8 a 18 litros de vinaza. La vinaza es el residuo del proceso de destilación del mosto fermentado de la caña de azúcar y consiste en un líquido con una alta carga orgánica.

Este subproducto se utiliza rutinariamente en la fertirrigación de la caña de azúcar en las regiones productoras, con el fin de devolver al suelo parte de los nutrientes y el agua utilizada en el proceso de producción. Aunque la práctica de la fertirrigación trae varios beneficios, el incumplimiento de algunas normas ya ha demostrado que el abuso o la mala gestión de la fertirrigación pueden causar daños ambientales difíciles de abordar, como la salinización del suelo y la contaminación de las aguas subterráneas con componentes de la vinaza.

Una de las vías utilizadas en la gestión de la vinaza es la digestión anaerobia, que es un proceso de tratamiento biológico de residuos muy utilizado para otros residuos. Sin embargo, el procesamiento de la vinaza mediante digestión anaeróbica presenta numerosos desafíos, como los grandes volúmenes producidos y la alta carga orgánica de la vinaza (unas 100 veces mayor que las aguas residuales domésticas), además de que el proceso no logra eliminar la salinidad de este residuo.

Otro problema es la zafra de la caña de azúcar, lo que provoca que el proceso de producción de la vinaza se interrumpa durante unos tres meses, constituyendo un grave problema operativo, ya que la digestión anaeróbica es un proceso biológico que requiere mucho tiempo para establecerse en un estado estable y manera eficiente.

El proceso de digestión anaerobia se desarrolló originalmente para mitigar los impactos ambientales derivados de la liberación de residuos con alta carga orgánica y de nutrientes. La aplicación del proceso en el tratamiento de la vinaza es adecuada, a pesar de los desafíos presentados. El proceso de digestión anaeróbica transforma la materia orgánica en biogás, que es una mezcla de metano y dióxido de carbono, además de otros gases en menor cantidad. En el paradigma de la gestión de residuos, el biogás es un problema, ya que el metano es uno de los principales contribuyentes al calentamiento global, ya que es un gas de efecto invernadero 80 veces más potente que el dióxido de carbono.

Este paradigma de gestión de residuos destinado exclusivamente a mitigar los impactos ambientales se está volviendo obsoleto. Las unidades de tratamiento eran comúnmente sobredimensionadas y mal operadas, con un alto costo para las unidades de producción. Así, se hace más clara la necesidad de acercar la viabilidad económica a la viabilidad ambiental, dentro de un concepto más amplio de sostenibilidad de procesos.

En este nuevo paradigma se necesitan procesos que no solo aborden adecuadamente los problemas ambientales, sino que transformen los residuos obtenidos en un producto con valor agregado.

En este contexto, la producción de biogás es una oportunidad para la producción de energía, pero esta aplicación ya está muy extendida. Muchas industrias utilizan procesos de digestión anaerobia asociados a procesos de purificación de biogás, para producir biometano (o gas natural renovable, con al menos un 90% de contenido de metano). Aun así, muchas de estas industrias que producen biogás con fines energéticos todavía utilizan equipos caros y sobredimensionados, además de controles operativos completamente obsoletos.

Ante este escenario, nuestro grupo de investigación propone un mayor avance hacia la valorización de la vinaza como materia prima para la producción de biogás, aumentando el potencial energético del biogás producido a través de la digestión de la vinaza. Con ese fin, estamos investigando modificaciones en el proceso de digestión anaeróbica para producir un biogás enriquecido con hidrógeno, llamado bio-hitane.

Hythane es un gas combustible que consiste en una mezcla de 80% de gas natural y 20% de hidrógeno. El nombre de este combustible proviene del inglés y surgió como una alternativa al gas natural, con el mismo potencial energético que el gas natural, pero con mayor inflamabilidad y menores emisiones de contaminantes.

Como el hitano es originalmente un gas producido al mezclar gas natural con hidrógeno de otras fuentes, se adoptó el nombre de biohitano para la mezcla de biometano e hidrógeno obtenida por el proceso de digestión anaeróbica. El proceso de digestión anaerobia ocurre de forma natural en cuerpos de agua en las capas más profundas, donde el oxígeno disuelto es escaso, siendo responsable de la producción de gas de pantano (también conocido como fuego fatuo, que dio origen a la leyenda del boitatá).

La digestión anaeróbica consiste en una serie de reacciones bioquímicas complejas llevadas a cabo por numerosas comunidades microbianas anaeróbicas y facultativas, que presentan una relación ecológica sinérgica. A pesar de la complejidad del proceso, es posible identificar los pasos para convertir materia orgánica compleja en moléculas más simples.

En general, el proceso comienza con la hidrólisis de materia orgánica compleja que descompone proteínas, grasas y carbohidratos en moléculas más simples, como aminoácidos, ácidos grasos y sacáridos. Las moléculas producidas en el paso de hidrólisis se convierten luego en ácidos grasos de bajo peso molecular (ácidos volátiles), que constan de 6 a 2 carbonos. Este paso se llama acidogénesis . Estos ácidos volátiles se convierten a su vez en acetato en el paso posterior llamado acetogénesis.

Finalmente, este acetato se convierte en metano en el paso final llamado metanogénesis . A lo largo de todas las etapas de este proceso, también se producen dióxido de carbono e hidrógeno. Sin embargo, parte de este dióxido de carbono y casi todo el hidrógeno es consumido por microorganismos para producir tanto acetato como metano, por microorganismos que consumen dióxido de carbono, en lugar de materia orgánica compleja, para crecer.

El proceso biológico de producción de hidrógeno se denomina fermentación oscura y se obtiene a partir de la inhibición de procesos bioquímicos y selección de microorganismos que consumen hidrógeno dentro del proceso de digestión anaeróbica. Como la mayoría de los organismos que consumen hidrógeno son productores de acetato y metano, el objetivo principal de la investigación es el desarrollo de un proceso acidogénico para la producción de hidrógeno.

Otro producto de los procesos acidogénicos son también los ácidos volátiles, y pueden convertirse en metano en un proceso aguas abajo del proceso acidogénico. Así, nuestra investigación tiene dos ejes principales: seleccionar microorganismos capaces de producir hidrógeno de manera estable y eficiente; y desarrollar un proceso de producción en dos fases para la producción de metano e hidrógeno. Aún quedan muchos retos por afrontar, pero, una vez superados estos problemas, un nuevo tipo de biocombustible compondrá la matriz energética del futuro: sostenible y energéticamente eficiente.