Kitabı oku: «Tecnologías limpias y medio ambiente en el sector industrial peruano»

4.2.2 Tratamiento secundario

El tratamiento secundario se aplica generalmente cuando se trata de efluentes industriales o aguas residuales con alto contenido de carga contaminante. Si los contaminantes son de carácter iónico y soluble, se usan técnicas para precipitarlos y separarlos de los lodos; en el caso de los contaminantes con contenido de moléculas orgánicas disueltas, el proceso más utilizado es el tratamiento biológico con bacterias, que tiene la finalidad de convertir la materia orgánica en gases como dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄) y otros en menor proporción. Cuando la presencia de capas de aceites y grasas es abundante, se propicia su recuperación y aprovechamiento para la generación de energía, tecnología que ya se viene empleando en los países desarrollados; en el caso de que estos contaminantes no estén presentes en gran cantidad, se los dispone como residuos peligrosos en rellenos de seguridad.

Los procesos biológicos en los que se elimina la materia orgánica soluble biodegradable del agua se efectúan por la acción de microorganismos, fundamentalmente bacterias, que forman parte del sustrato donde encuentran los nutrientes necesarios para su desarrollo. En lo que se refiere a los digestores para el tratamiento de efluentes con carga orgánica soluble, se crea un sustrato para albergar a las bacterias, las cuales deben estar rodeadas por efluentes que contienen nutrientes. Este sustrato se conoce como biopelícula. Cuanto mayor sea el área recubierta por la biopelícula, más grande será la cantidad de bacterias, lo que significa mayor capacidad para la depuración del efluente industrial o del agua residual. En la naturaleza existen mecanismos de autodepuración de efluentes, como son las lagunas y los humedales; en las zonas que están expuestas al aire atmosférico y la luz solar, se lleva a cabo el proceso aeróbico debido a la penetración de los rayos solares; en la parte inferior, donde ya no llega la luz del sol, se produce el proceso anaeróbico (digestión); estas lagunas suelen tener plantas y en sus raíces se desarrollan las colonias de bacterias. Sin embargo, este tipo de procesos de depuración pasiva suele ser bastante lento y depende del entorno natural. Pero sobre la base de este proceso biológico se han desarrollado técnicas intensivas para el tratamiento de los efluentes.

Los tratamientos secundarios comienzan con el proceso aeróbico y continúan con el anaeróbico. La digestión aeróbica se efectúa cuando los microorganismos aeróbicos, es decir, los que requieren oxígeno, descomponen la materia orgánica y obtienen energía para su supervivencia. El metabolismo implica la oxidación de las proteínas, grasas y carbohidratos en una secuencia de reacciones complejas que produce como sustancias terminales agua, dióxido de carbono, sulfatos y amoniaco. Si persisten las condiciones oxidantes, el amoniaco producido se oxida a nitritos y, posteriormente, a nitratos. Esta forma de estabilización de la materia orgánica no implica la formación de compuestos agresivos y contaminantes para el medio ambiente o al menos no duran mucho tiempo, pues se realiza la degradación a óxidos y gases inocuos en un período corto. Por su parte, la digestión anaeróbica requiere de un flujo laminar para desarrollar su actividad, donde los efluentes con carga orgánica deben cumplir unos parámetros previos como la eliminación de sustancias tóxicas que pueden afectar a las bacterias, el pH y la composición de nutrientes, entre otros. Las lagunas de digestión aeróbica operan como un estanque regulador de caudal para el digestor anaeróbico: como consecuencia de la agitación que se produce al inyectar el aire, tiene lugar la oxidación, y mediante la floculación, se facilita la decantación de los elementos tóxicos; asimismo, la floculación debe actuar en el manto de lodos dentro del digestor para la separación del material particulado inorgánico.

El tratamiento biológico de efluentes utiliza cepas bacterianas (conjunto de bacterias también llamadas colonias puras) seleccionadas por su capacidad de degradar diferentes compuestos presentes en el agua, como proteínas, azúcares, almidones, grasas, aceites, nitratos y fosfatos, entre otros, los cuales se ven reflejados en los valores de demanda biológica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DQO) y sólidos totales suspendidos (STS). Como las bacterias son específicas en el proceso de degradación, es importante crear las condiciones óptimas para su metabolismo; por ello, es conveniente controlar en los efluentes el pH, la temperatura y la presencia de tóxicos (desinfectantes, químicos, etcétera); además, deben vigilarse otros factores relacionados con los alimentos de las bacterias, los cambios de composición y estabilidad de los lodos donde actúan.

En el tratamiento de efluentes industriales, es necesario que tengan lugar las operaciones de separación y clasificación para asegurar la retención de sólidos (véase la figura 1.7). Algunas de estas operaciones de separación se aplican en el tratamiento primario, porque en un efluente industrial el arrastre de partículas es limitado; si el efluente ya proviene de un tratamiento primario, la separación no es necesaria. Los lodos de las lagunas o pozas de tratamiento aeróbico se separan, estabilizan y deshidratan, y el destino de los lodos secos va a depender de su composición: pueden transformarse en abono orgánico (compostaje) para mejorar los terrenos. Por último, se debe asegurar la disposición final de los residuos desechados y la parte líquida tiene que continuar con el tratamiento anaeróbico.

Figura 1.7

Tratamiento secundario de efluentes industriales y aguas residuales

Elaboración propia

En la digestión anaeróbica, por un lado, se logra la conversión de la materia orgánica en un conjunto de gases compuestos principalmente por metano (CH₄), además de dióxido de carbono (CO₂), ácido sulfhídrico (H₂S) y otros gases en menor proporción; por otro lado, se consigue separar efluentes que contienen bacterias y virus potencialmente dañinos. Este efluente requiere de un tratamiento para obtener un efluente tratado o purificado. Los lodos que resultan de la metabolización de las bacterias son enviados directamente a un lecho de lodos para su recuperación y aprovechamiento o a los tanques del tratamiento aeróbico para aprovechar el contenido de bacterias.

4.2.2.1 Microorganismos

Los microorganismos siempre están presentes en el agua o en los efluentes, ya que este elemento es necesario para la estructura del núcleo o membrana de los microorganismos, así como para el material orgánico del que están compuestos. Cuando se desinfecta el agua, los microorganismos mueren o permanecen inactivos temporalmente, pero una vez que se termina la acción del agente desinfectante, estos crean las condiciones para reproducirse nuevamente (véase la figura 1.8). Solo algunas especies son patógenas, causantes de enfermedades, pero la gran mayoría realiza procesos que sustentan la vida, son parte de los organismos superiores o de mayor complejidad y siempre han convivido con los seres humanos. Los microorganismos utilizan la materia orgánica disuelta y en suspensión en forma coloidal para sobrevivir en el ambiente donde se encuentran. Al consumir esta materia, una parte de ella se convierte en tejido celular y el resto es emitida al medio ambiente en forma de gases; gran parte de estos gases puede separarse de manera espontánea del agua tratada, mientras que el tejido celular formado se desprende por sedimentación de la masa de agua. Cuando esto ocurre, se dice que la materia orgánica ha sido removida del agua o efluente tratado (“Microbiología en los sistemas de tratamiento de aguas residuales”, s. f.).

Figura 1.8

Esquema del proceso de metabolismo de microrganismos

Elaboración propia

Es difícil establecer la división y separación taxonómica de los diferentes grupos de bacterias debido a su estructura de formación y, en algunas ocasiones, hasta puede resultar contradictoria. Las bacterias son parte de los microorganismos del grupo de los procariotas, cuya estructura celular no contiene un núcleo, sino una sola membrana; dentro de esta división, se puede considerar a los protozoarios, virus, algas y hongos. En el proceso de tratamiento del agua, las bacterias cumplen funciones muy específicas y se dividen en dos categorías principales: las aeróbicas y las anaeróbicas, aunque algunas de ellas pueden situarse en ambas categorías. Las bacterias aeróbicas consumen residuos orgánicos y oxígeno, y expulsan agua y dióxido de carbono como productos de desecho; en cambio, las bacterias anaeróbicas consumen residuos orgánicos y excretan metano y gas sulfuro de hidrógeno, que son considerados como elementos tóxicos. En ambos casos, quedan como residuos las sustancias que no fueron parte del proceso metabólico, así como los residuos producidos durante este proceso. De acuerdo con el proceso metabólico, las bacterias pueden ser clasificadas como autótrofas y heterótrofas. Las bacterias autótrofas utilizan el dióxido de carbono como fuente de carbono y requieren energía para la fijación del CO₂ obtenido a partir de fuentes como la luz solar, la luz artificial o de reacciones químicas; por otro lado, las bacterias heterótrofas son aquellas que tienen como fuente de carbono a moléculas de estructuras orgánicas más complejas, como las moléculas de los azúcares, proteínas y carbohidratos. Los microorganismos, en general, requieren de una serie de sustancias como las que se indica a continuación:

• Una fuente de energía para crecer, vivir y desarrollarse. Puede ser la energía solar, la energía producida por una reacción química con sustancias inorgánicas o la energía que proporcionan algunas moléculas como celulosa, grasas, azúcares, carbohidratos, proteínas y vitaminas, entre otras. Sin energía, la vida no puede existir y si los microorganismos no disponen de ella, mueren o se conservan inactivos en estado latente.

• Nitrógeno. Los microorganismos lo pueden adquirir del nitrógeno atmosférico o como resultante de alguna forma química inorgánica, como amoniaco, nitritos, nitratos y del nitrógeno orgánico a partir de proteínas o ácidos nucleicos.

• Carbono. Puede ser suministrado por el dióxido de carbono, el metano o por cadenas orgánicas de mayor complejidad que poseen en su estructura átomos de carbono como los carbohidratos.

• Si los microorganismos son aeróbicos, requieren de oxígeno, mas no así los anaeróbicos.

• Algunos nutrientes como calcio, sodio, potasio, fósforo, magnesio y azufre.

• Agua para sobrevivir. Sin embargo, algunos microorganismos, como los que se reproducen por esporas, pueden estar en estado latente, inactivos durante largos períodos, y regresan a su actividad cuando las condiciones les son favorables.

• Algunos minerales que son esenciales para ciertos tipos de bacterias como hierro, zinc, cobalto y otros metales en muy pequeñas cantidades.

4.2.2.2 Digestión anaeróbica

En la actualidad, existen tecnologías avanzadas en el tratamiento del agua o efluentes que han permitido mejorar el diseño de los procesos y lograr resultados óptimos en menor tiempo y con menos costo, a fin de cubrir el incremento de la demanda de los diferentes sectores, dependiendo, además, de la disponibilidad del recurso hídrico.

Las tecnologías de digestión anaeróbica se clasifican según los métodos utilizados y en función de su capacidad para mantener las altas concentraciones de microorganismos en el reactor (Callejo, 2002). En el tratamiento de efluentes, algunos reactores operan en procesos discontinuos (en lotes o batches) o en procesos continuos para grandes volúmenes de efluentes; por ello, en el diseño de digestores, es fundamental tener en cuenta los parámetros operacionales y ambientales relacionados con el efluente que se va a tratar, a fin de lograr un rendimiento óptimo del proceso. Esto es, mantener un pH neutro o ligeramente alcalino para evitar la acidificación, así como también garantizar un adecuado suministro de nutrientes para asegurar el crecimiento de los microorganismos y la reducción del contenido de sustancias tóxicas e inhibidoras. Los parámetros operacionales se refieren a las condiciones de trabajo de los reactores, como la temperatura, que depende de la calidad del efluente y del tipo de microorganismos o bacterias empleadas, que pueden ser criofílicas, mesofílicas o termofílicas (véase la tabla 1.6). Asimismo, es importante la agitación para favorecer el metabolismo de las bacterias que se encuentran en el sustrato, así como para homogeneizar todo el sistema de reacción y reducir el tiempo de retención hidráulica (TRH).

Tabla 1.6

Tipos de microorganismos según rangos de temperatura

Elaboración propia a partir de “Microbiología en los sistemas de tratamiento de aguas residuales” (s. f.)

La oxidación anaeróbica requiere de un conjunto de microorganismos anaeróbicos que son los que subsisten en ausencia de oxígeno, y su metabolismo es muy diferente del que realizan los microorganismos aeróbicos. El proceso anaeróbico es muy complejo tanto por el número de reacciones bioquímicas que tienen lugar en esta operación como por la cantidad de microorganismos involucrados en ellas o por las diversas reacciones que se llevan a cabo en forma simultánea. El proceso de descomposición anaeróbica de la materia orgánica se efectúa en cuatro etapas esenciales: hidrólisis, etapa acidogénica o fermentativa, etapa acetogénica y etapa metanogénica. En la figura 1.9, se indican los valores relativos de sustancias orgánicas y tipos de bacterias que participan en cada etapa hasta la obtención final del metano gaseoso. A continuación, se realiza una breve descripción de cada una de las fases.

Figura 1.9

Tratamiento de efluentes industriales y aguas residuales mediante digestores anaeróbicos

Elaboración propia a partir de Callejo (2002)

a. Etapas de la digestión anaeróbica

• Hidrólisis. En esta etapa, cierto tipo de bacterias, denominadas hidrolíticas, son las primeras en procesar y preparar el material para el siguiente paso de descomposición. Para ello, segregan enzimas que hidrolizan los polímeros orgánicos como celulosa, carbohidratos, lípidos o grasas, y proteínas; los carbohidratos se convierten en azúcares, las proteínas en aminoácidos y los lípidos son hidrolizados y transformados en ácidos grasos de cadena más corta.

• Acidogénesis o fermentación. Conforme se lleva a cabo el proceso de hidrólisis, si las condiciones son apropiadas, se produce la acidogénesis por acción de las bacterias acidogénicas. Los azúcares de cadena corta, los aminoácidos y los ácidos grasos formados en la etapa anterior se convierten en alcoholes y ácidos grasos volátiles de cadena corta, como ácido acético, butírico y propiónico, principalmente. En esta etapa, la materia orgánica que se encuentra en forma de gases se compone en promedio de un 80 % de CO₂ y en un 20 % de H₂, que incluye en pequeñas cantidades el amoniaco (NH₃).

• Acetogénesis. En esta etapa, la secuencia del proceso anaeróbico implica la conversión de los ácidos y alcoholes carboxílicos formados en la etapa anterior en hidrógeno, dióxido de carbono y ácido acético.

• Metanogénesis. Es la última etapa de descomposición de la materia orgánica, donde la secuencia del proceso de metabolismo anaeróbico microbiano y las bacterias metanogénicas acetoclásticas convierten el ácido acético/acetatos, metanol y aminas en metano (CH₄) con un 100 % de contenido. Las bacterias metanogénicas hidrogenotróficas producen el metano a partir del dióxido de carbono, el hidrógeno y el ácido fórmico presentes.

b. Tipos de digestores anaeróbicos

Existen diversos tipos de digestores anaeróbicos, que operan en procesos continuos y discontinuos, así como de mezcla completa sin agitación y con recirculación. La figura 1.10 muestra un esquema de este tipo de reactor, que es el más simple y de mayor uso. Allí el efluente con carga orgánica y los lodos con bacterias se mantienen dentro del digestor para cumplir la función de descomposición de la materia. El metabolismo, en la zona de lodo en digestión, produce gases que tienden a subir y generan espuma en la superficie líquida, donde la fuerza de la gravedad permite la sedimentación de los lodos y el efluente no recircula. Para acelerar el proceso de digestión, se puede colocar un sistema de agitación con paletas para hacer que la zona donde se encuentra el lodo en digestión aumente en volumen; parte de los lodos son arrastrados por el efluente para ser separados por decantación, mientras que el efluente regresa al digestor; por lo tanto, existe un proceso de recirculación (Ministerio de Industria, Turismo y Comercio de España, 2007).

Los digestores para proceso continuo normalmente son de forma cilíndrica, donde el efluente fluye de abajo hacia arriba, mientras que las bacterias están alojadas en biopelículas adheridas a diversos tipos de soporte, como filtros, películas, rellenos de columna y discos de PVC. El metabolismo de las bacterias incluye su reproducción y muerte, lo que da como resultado el aumento de volumen de los lodos. Por eso, se requiere la separación del excedente para evitar el colapso del sistema. Una de las formas aplicadas para sustituir los rellenos de lodos en la columna de digestión es la técnica de lechos fluidos; en este caso, el sustrato debe ser floculado para formar un manto de lodos que se mantenga en suspensión por la inyección del efluente tratado desde la parte inferior, a fin de homo-geneizar el material para facilitar el proceso de digestión.

Figura 1.10

Sistema de tratamiento de efluentes mediante digestor anaeróbico con y sin recirculación

Elaboración propia

En la actualidad, el reactor anaeróbico con lodos y de flujo ascendente, en inglés upflow anaerobic sludge blanket (UASB) y en castellano reactor anaeróbico de flujo ascendente (RAFA), se utiliza con bastante éxito en el proceso de efluentes en la industria agroalimentaria. En el esquema de la figura 1.11, se puede observar el funcionamiento del proceso de digestión, así como las principales partes que lo conforman. En el interior del digestor, se encuentra un manto de lodos suspendido debido al ingreso del efluente con carga orgánica; asimismo, los flóculos están recubiertos de la biopelícula y se produce la digestión. Los gases húmedos se descargan por la parte superior, por donde también sale el efluente tratado. El metabolismo de las bacterias genera, además de la reducción de la carga orgánica, el incremento de nuevas bacterias, por lo que se debe realizar una purga para retirar el excedente de lodos. En este tipo de diseño básico de digestores UASB, se están desarrollando mejoras para aumentar el rendimiento del sistema, tales como la recirculación del efluente tratado para facilitar la operación del manto de lodos, o el ingreso del efluente por encima del nivel del manto para producir turbulencia y contribuir a separar los gases en menos tiempo, a fin de poder recuperar el biogás para aprovecharlo como combustible; igualmente, se debe mantener la temperatura en el interior del digestor (Rodríguez, s. f.).

Figura 1.11

Sistema de tratamiento de efluentes mediante digestor anaeróbico

Elaboración propia

En el tratamiento de efluentes y aguas residuales, hay alternativas que permiten operar la biodigestión anaeróbica en dos etapas, que se describen brevemente a continuación.

• Biodigestión anaeróbica en dos etapas. Consiste en un primer reactor con alto TRH, en el cual se favorece la hidrólisis, seguido de un segundo reactor con menor TRH, donde tiene lugar la digestión de la materia orgánica disuelta y los ácidos producidos en la etapa anterior.

• Biodigestión anaeróbica en dos fases. A diferencia de la biodigestión anaeróbica en dos etapas, en lugar de un segundo reactor se utilizan dos reactores: uno para la fase líquida y otro para la fase gaseosa. Se puede separar la etapa de hidrólisis y la acidogénica de las etapas acetogénica y metanogénica para gases y metanogénica e hidrogenotrófica para líquidos. En la figura 1.12, se puede apreciar la secuencia del proceso de ambas biodigestiones.

Figura 1.12

Alternativas de tratamiento de efluentes mediante digestión anaeróbica por etapas

Elaboración propia

4.2.2.3 Lodos

En países en vías de desarrollo, las aguas residuales y los efluentes industriales son vertidos en muchos casos directamente a los cuerpos receptores (mar, río, zonas agrícolas, entre otros). Estos efluentes contienen materia orgánica (como grasas y aceites minerales, aceite de motor, solventes industriales, diésel, gasolina y detergentes, etcétera) y elementos inorgánicos (tales como cromo, plomo, cadmio, arsénico, níquel, selenio, cianuros, ácidos, álcalis, pinturas), además de carga bacterial. Para evitar la formación de sustancias indeseables, se deben generar las condiciones favorables de un proceso aeróbico, ya que las bacterias aeróbicas son las encargadas de degradar el material biológico hasta convertirlo en productos estables no putrefactos; ello se logra mediante el suministro de aire a través de bombas o por aireadores superficiales. En este proceso, se originan lodos que son separados en el sedimentador primario; asimismo, se retira la capa flotante de aceites y grasas (Merli y Ricciuti, 2009). Por su parte, los efluentes sometidos a tratamiento secundario también producen lodos compuestos de células en un 70 % a 80 % en peso, y de material inerte en un 20 % a 30 % en peso. Finalmente, los tratamientos terciarios forman lodos donde se retienen los microorganismos. En las grandes plantas de tratamiento de aguas residuales y efluentes industriales, estos lodos se procesan por separado; sin embargo, en instalaciones medianas y pequeñas es usual que el tratamiento de lodos se realice de manera conjunta.

En cuanto a las bacterias contenidas en los lodos, una parte corresponde a las bacterias activas resultado del tratamiento aeróbico y anaeróbico; y la otra parte está compuesta por los microorganismos que estaban inicialmente en el proceso, entre ellos se encuentran bacterias y virus patógenos (Escherichia coli, Salmonella, etcétera). El material inerte presente en los lodos procede de las partículas coloidales que arrastran los efluentes, a los que se añade floculantes, en caso de ser necesario, en la etapa de sedimentación primaria. Cuando se realiza la aireación prolongada de los lodos, puede ocurrir que algunos metales se oxiden y precipiten con óxidos e hidróxidos. El tratamiento de lodos implica la estabilización de los mismos para desactivar las bacterias en la fase endógena (que queda en estado latente) o para eliminar las bacterias muertas, si las tuviera, así como los virus, que son tóxicos para el ser humano. En algunas situaciones, se puede detectar la presencia de nutrientes como el fósforo y el nitrógeno, que provienen de detergentes y de materiales con carga orgánica que son utilizados en la industria, los cuales pueden causar la eutrofización del acuífero. El exceso de nitrógeno en los suelos puede llegar a convertirse en nitratos y nitritos, cuya presencia en el agua implica un riesgo para la salud humana.

En la gestión adecuada y eficiente de lodos, se aplican técnicas para asegurar la disposición final de estos, las cuales se describen brevemente a continuación:

a. Relleno sanitario

Es la forma más usual de disposición final de los lodos, siempre teniendo en cuenta que los lixiviados producidos durante la degradación de la carga orgánica no tomen contacto con el acuífero, con el fin de evitar el desequilibrio ecológico.

b. Relleno de seguridad

Es una alternativa de confinamiento de los lodos que los aísla mediante sistemas de impermeabilización hechos de geotextiles. Los lodos son recubiertos para evitar el contacto de los lixiviados con las aguas subterráneas. Tiene un alto costo de inversión y de mantenimiento; además, necesita un control permanente.

c. Incineración

Es un método para quemar los lodos en el que se genera, principalmente, el CO₂, pero también gases tales como el dióxido de azufre (SO₂) y óxidos de nitrógeno (NO_x). En este proceso, debido a las altas temperaturas, se pueden volatilizar los metales que se caracterizan por su vaporización a bajas temperaturas, como plomo, arsénico, cadmio, mercurio, selenio, etcétera.

d. Fertilizante y mejorador de suelos

El contenido de nitrógeno, fósforo y sales minerales en los lodos resulta muy adecuado para su uso en la agricultura; sin embargo, es preciso hacer un estudio detallado de los requerimientos de los terrenos y de los cultivos específicos, ya que los excesos causan problemas ambientales. Así, la utilización racional y controlada de los biosólidos en la agricultura puede lograr las siguientes condiciones favorables:

• Aumenta la fertilidad del suelo y el rendimiento de los cultivos.

• Proporciona a las plantas nutrientes fundamentales.

• Mejora la estructura y porosidad del suelo.

• Aporta materia orgánica al suelo.

• Acrecienta la permeabilidad del suelo para que retenga en mayor grado la humedad.

Debido a que los biosólidos contienen patógenos, es recomendable someterlos a algún proceso de desinfección. Hay varios métodos de desinfección que pueden ser utilizados, entre los cuales se encuentran los siguientes:

• Desinfección por radiación ultravioleta. La radiación UV se utiliza como agente desinfectante, debido a que cuando llega al interior de un microorganismo produce la descomposición fotoquímica de la estructura celular. Este método no es efectivo en los lodos, porque estos protegen a las partículas sólidas e impiden el paso de la radiación UV.

• Desinfección con ozono. El ozono se usa como medio de desinfección en aguas potables y aguas residuales tratadas, porque su poder oxidante destruye o inactiva las enzimas de los microorganismos. La desventaja, en el caso de los lodos, es que puede oxidar la materia orgánica presente, lo que ocasiona un alto consumo de ozono para formar peróxidos y superóxidos, como aldehídos y cetonas, de naturaleza altamente tóxica.

• Desinfección por cloración. La desinfección por medio de cloro no es una opción viable, porque favorece la formación de los trihalometanos, los cuales son de naturaleza tóxica al reaccionar con el material orgánico presente.

• Desinfección con calor. La desinfección de los biosólidos con calor es una alternativa altamente viable para asegurar la disposición final de los lodos, ya que el calor no induce la formación de sustancias tóxicas colaterales y su efectividad es alta: inactiva a los patógenos más comunes encontrados en los biosólidos. Si se pretende utilizar los biosólidos directamente como fertilizante y mejorador de suelos, los microorganismos patógenos y no patógenos presentes mueren después de un cierto tiempo. Su período de supervivencia en el suelo está en función de las condiciones de temperatura, humedad, grado de insolación, nivel de materia orgánica y microflora.

4.2.3 Tratamiento terciario

El tratamiento terciario es la etapa final en el tratamiento de aguas y efluentes. Su finalidad es aumentar la calidad del efluente, según los estándares establecidos por los organismos competentes, antes de su vertido al medio receptor (mar, río, lago, zonas agrícolas, etcétera). Un reto recurrente en la industria es la separación de partículas para obtener un producto de mayor pureza. La respuesta se ha encontrado en el uso de tecnologías de membrana para la separación de sustancias disueltas o dispersas en medios fluidos o fluidizados, como el agua.

Esta etapa se compone de varios métodos que se pueden aplicar en una planta de tratamiento, ya que cada uno es específico. En ellos, se articulan conceptos físicos, fisicoquímicos y de mecánica de fluidos, que permiten la interacción de las sustancias que forman los sistemas según alguna de sus características, como el tamaño de las partículas, la difusividad, la viscosidad y la carga iónica, entre otras. Sirven como medios de retención en las diferentes condiciones operacionales de presión, temperatura, pH, atracción eléctrica, etcétera. Entre ellos, la filtración tangencial es un proceso que se diferencia de los métodos convencionales. Consiste en la separación de sólido y líquido mediante una membrana que tiene un componente de fluido presurizado, donde el flujo del material por filtrar circula tangencialmente a la superficie de la membrana, y solo una parte del agua y las partículas con menor diámetro que el tamaño del poro logran atravesar (permeado) la membrana. El resto del agua y las partículas de mayor tamaño son rechazados (véase la figura 1.13). El principio aplicado en este método es la diferencia de presión entre ambos lados de la membrana, conocida como presión transmembrana, además de la porosidad, cuya función es la retención de las partículas de diferente tamaño (Sulem et al., 2014). Por ello, es importante indicar cuál es el diseño de los equipos que se utilizan en la filtración tangencial y reducir el cambio de medios filtrantes debido a la colmatación y a la incrustación de partículas por la presión de trabajo.

Figura 1.13

Esquema de sistema de filtración tangencial

Elaboración propia

En el tratamiento del agua o de efluentes, se aplica la tecnología de membranas para la separación de partículas microscópicas inferiores a 10^–5 m, que puede ser en medios filtrantes, intercambio de iones y desinfección. A continuación, se describen brevemente los diferentes métodos utilizados en el tratamiento terciario de aguas o efluentes en el ámbito internacional.

a. Microfiltración (MF)

Opera con membranas de porosidad entre 0,05 µm y 10 µm y para diferencias de presiones de hasta 2 bar. Se utiliza principalmente para separar las partículas en suspensión y la clarificación del agua.

b. Ultrafiltración (UF)

Funciona con presiones cuyo rango varía entre 2 a 10 bar y la porosidad de la membrana es menor que en la MF. Debido a la porosidad menor, estas membranas son apropiadas para la desinfección de las aguas y la clarificación.

c. Nanofiltración (NF)

La membrana es más densa (menor porosidad) y requiere la aplicación de mayores presiones que oscilan entre 10 y 50 bar. Con estas membranas se logra retener sales multivalentes como el sulfato de magnesio, y se obtienen aguas desalinizadas y muy puras.

d. Ósmosis inversa (OI)

La ósmosis es el fenómeno fisicoquímico que implica la difusión de moléculas de disolvente a través de una membrana semipermeable desde una zona de mayor concentración de disolvente a una zona de menor concentración de disolvente. El Diccionario de la lengua española define ósmosis como el paso de disolvente, pero no de soluto, entre dos disoluciones de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable. La intensidad en el paso del disolvente está en función de la temperatura, la concentración y las características de los iones. La membrana semipermeable es selectiva y deja pasar algunas sustancias a través de ella. En la figura 1.14, (a) representa la situación inicial y (b) es el sistema en equilibrio cuando las moléculas de disolvente pasan a la zona de menor concentración. La diferencia de presión cuando el sistema llega al equilibrio se denomina presión osmótica (Ps). La ósmosis inversa es el proceso inverso a la ósmosis y consiste en aplicar una presión (P) mayor a la presión osmótica para que partículas de disolvente pasen de la zona de menor concentración a la zona de mayor concentración (c). La ósmosis inversa (OI) sirve principalmente para la desalinización de aguas marinas, salobres y contaminadas; se usan las membranas selectivas de gran permeabilidad para el agua y se fabrican especialmente para cada proceso; la presión requerida puede llegar hasta los 80 bar (Sulem et al., 2014).

En la mayoría de los casos, los sistemas de ósmosis inversa requieren de un adecuado tratamiento previo para evitar que las membranas se bloqueen a causa de sedimentos, dureza, materia orgánica, bacterias, sílice, óxidos metálicos e incluso cloro. Normalmente, se necesita de un sistema de tratamiento posterior, ya que el agua que sale del proceso de ósmosis inversa suele ser más ácida que el agua o efluente que ingresa para su tratamiento, puesto que contiene CO₂ disuelto (Hernández, 2010). El tratamiento posterior consiste en un proceso de neutralización y remineralización (véase la figura 1.15).

Figura 1.14

Principio básico de ósmosis y ósmosis inversa

Elaboración propia

Figura 1.15

Esquema de sistema operacional de ósmosis inversa

Elaboración propia

e. Intercambio iónico (IO)

Utiliza resinas sintéticas o también arcillas activadas para retener los iones presentes en el agua como resultado del intercambio con iones de hidrógeno y oxidrilos. Las sustancias no ionizadas no se pueden someter a un proceso de intercambio iónico. Este método busca retirar selectivamente los iones presentes en el agua mediante el uso de sustancias sólidas, difícilmente solubles, que tienen la capacidad de retener los iones (aniones o cationes) que trae el agua, y ceder a cambio parte de sus iones. Estas sustancias sólidas pueden ser resinas sintéticas, útiles para el intercambio iónico cuando son fabricadas, o de origen natural, las cuales pertenecen a la familia de las zeolitas. El proceso de intercambio de iones entre el agua y la resina es rápido; cuando la resina agota sus iones, esta debe ser regenerada.

El proceso de intercambio iónico más conocido es el que se emplea para el ablandamiento de agua y consiste en retirar los cationes Ca⁺² y Mg⁺². Las zeolitas (silicatos dobles de aluminio y sodio/potasio) y las resinas catiónicas tienen la propiedad de intercambiar sus iones de Na⁺ o K⁺ por los iones Ca⁺² y Mg⁺² del agua dura. El término de agua dura se refiere al agua con contenido de sales de calcio y de magnesio, las cuales se precipitan formando el caliche cuando el agua es calentada o hervida. Por el contrario, el agua blanda es la que no posee iones, calcio ni magnesio.

Para la desionización completa del agua (retiro de los cationes y los aniones), el proceso se realiza en dos etapas: primero, se retiran los cationes y, posteriormente, los aniones. Para este fin se usan resinas sintéticas, como los copolímeros del estirenodivinilbenceno, por su mejor desempeño y selectividad. Si el agua dura tiene alto contenido de carbonatos, se intercala una columna de desgasificación para retirar el dióxido de carbono producido. El proceso de desmineralización completa del agua se muestra en el diagrama de la figura 1.16. En la columna de resina de cationes, las sales ionizadas (cationes y aniones) que contiene el agua se transforman en ácidos libres por el reemplazo de los cationes metálicos por protones (H⁺). En la columna de desgasificación, se elimina el H₂CO₃ formado como CO₂, que se separa como gas y agua, lo que reduce el riesgo de obstrucción por la acumulación de bolsones de gas en las tuberías. En la columna de resinas aniónicas, se retienen los aniones de los ácidos libres y se liberan los aniones de oxidrilo (OH^–), que producen agua con los protones. Cuando se colmatan o agotan las resinas, estas deben ser regeneradas; para ello, se utiliza una solución ácida al 5 % de HCl o H₂SO₄ para la resina catiónica y una solución básica al 5 % de NaOH o KOH para la resina aniónica. Por lo tanto, el agua sometida al proceso de desmineralización completa es un producto diferente del agua obtenida en un proceso de ablandamiento.

Figura 1.16

Proceso de desionización del agua por intercambio iónico

Elaboración propia

f. Electrodesionización (EDI)

Es el proceso que combina la tecnología de intercambio iónico con la electrodiálisis. Las especies ionizables del agua se eliminan a través de un campo eléctrico que realiza el transporte iónico. A diferencia del intercambio iónico que utiliza resinas que se agotan y hay que regenerarlas, la electrodesionización (EDI) emplea membranas de intercambio iónico para la separación de los iones y, mediante el sistema de filtración tangencial, se produce la remoción continua de los iones. De este modo, en el proceso de electrodesionización, interviene una pequeña cantidad de resinas de intercambio iónico, membranas semipermeables aniónicas y catiónicas alternadas, y una corriente eléctrica continua entre dos electrodos (cátodo y ánodo). El agua proveniente de la ósmosis inversa es sometida a un proceso donde se aplica el potencial eléctrico a los electrodos con el fin de producir la remoción de los iones, lográndose la desionización.

g. Desinfección

El propósito de la desinfección en el tratamiento del agua es reducir sustancialmente el número de organismos vivos que hay en ella. La efectividad de la desinfección depende de la calidad del agua que es tratada (por ejemplo: turbiedad, pH, etcétera), del tipo de desinfección que se utiliza, de la dosis de desinfectante (concentración y tiempo) y de otras variables ambientales. El agua turbia será tratada con menor éxito, puesto que la materia sólida puede interferir blindando a los organismos, especialmente de la luz ultravioleta o si los tiempos de contacto son bajos. Existen diversos procedimientos y la elección está sujeta al uso que tendrá el agua tratada. Entre los métodos físicos se encuentran la esterilización con radiación ultravioleta (UV) y el uso de membranas de alta tecnología, como la nanofiltración. Entre los métodos químicos están el tratamiento con cloro y sus compuestos o con agentes oxidantes, como el ozono y el permanganato de potasio.

La radiación UV daña la estructura genética de las bacterias, virus y otros patógenos, haciéndolos incapaces de reproducirse. La desinfección con cloro sigue siendo la forma más común con el uso de ácido hipocloroso (HClO) en solución acuosa como agente bactericida. Según la cantidad de bactericida que se necesita, se puede obtener el ácido hipocloroso por reacción de cloro gaseoso con agua, por disolución de cristales de hipoclorito de sodio en agua o utilizando directamente el producto comercial lejía, que es una solución de hipoclorito de sodio en agua en concentración de 2 a 2,5 %. El poder bactericida se reduce a medida que actúa hasta desaparecer; por esta razón, se considera como una sustancia que no afecta al medio ambiente. El ozono (O₃) es muy inestable y reactivo y oxida la mayoría del material orgánico con que entra en contacto, de tal manera que destruye muchos microorganismos que causan enfermedades. Por la inestabilidad del ozono, este debe generarse al momento de usarlo.

h. Proceso de conversión de grasas en energía

La despolimerización termal se realiza por un proceso de pirólisis acuosa con el fin de reducir los organismos complejos a aceite. El hidrógeno en el agua se inserta entre los vínculos químicos en polímeros naturales como las grasas, las proteínas y la celulosa, de las cuales se puede obtener como resultado el aceite combustible y gases como metano, propano, butano y dióxido de carbono; también se separan pequeños residuos, parte del material insoluble inerte que se asemeja a la roca y al carbón pulverizado. En este proceso se destruyen todos los organismos y toxinas orgánicas; por su parte, las sales inorgánicas como los nitratos y fosfatos se mantienen en niveles altos en el agua, por lo que requieren de un tratamiento adicional.

5. Tratamiento de emisiones de gases
5.1 Evolución histórica de las emisiones

En su discurso inaugural del 20 de enero de 1960, el recién electo presidente norteamericano John F. Kennedy prometía llevar a su nación a nuevas fronteras de la ciencia y la tecnología. Con estas palabras, formulaba los principios que servirían de guía en aquellos años, cuando nada parecía imposible. La creencia de que todo era posible caracteriza al espíritu de la década de 1960: optimismo, crecimiento y desarrollo. Pero ya en 1972 los científicos del Club de Roma advierten en su informe Los límites del crecimiento de la destrucción de la Tierra debido a un crecimiento económico sin restricciones (Meadows, Randers y Behrens III, 1972). En la década de 1970, los países industrializados empezaron a introducir la protección al medio ambiente en la legislación y a desarrollar soluciones rápidas al problema de la contaminación, con métodos de limpieza al final del proceso o “al final del tubo” (en inglés, end-of-pipe). En la década siguiente, se estableció una serie de prioridades conocidas como evitar, valorar y disponer, con el objeto de reducir el impacto ambiental de los residuos, efluentes y emisiones de los procesos industriales. Posteriormente, se amplió el concepto al propio producto, lo que consiste en reprocesar, reusar y garantizar su disposición final.

Entre las llamadas tecnologías end-of-pipe se encuentran la incineración de basura, el tratamiento de aguas residuales y emisiones gaseosas, así como el reciclaje fuera de la planta de producción. Se entiende por emisiones a la contaminación generada por el proceso o planta de producción en forma de contaminación del aire, ruido, luz y calor, entre otros. Las emisiones son transmitidas de la fuente o emisor (en inglés, source) a través del agua, viento, luz y otros medios hacia el sumidero o receptor, y actúan en el medio ambiente y las personas afectando su calidad de vida. A este proceso se le conoce como inmisión. La figura 1.17 ilustra el concepto de la cadena de emisión, transmisión e inmisión producida por las diferentes fuentes de contaminación. En los años sesenta y setenta, las emisiones de gases ocurrían a través de las chimeneas y las inmisiones se acumulaban en forma regional; su efecto directo fueron molestias para los habitantes y contaminación del medio ambiente local. La solución más simple a este problema fue utilizar chimeneas más altas (hasta 470 m en centrales térmicas), con la consecuencia de que las emisiones se distribuían en un área mayor (efecto de dilución) y era imposible realizar una trazabilidad al origen de la contaminación (muy importantes para emisiones de azufre y óxidos de nitrógeno). Las plantas con chimeneas altas eran consideradas solo como una solución aparente, pues no eliminaban el origen de la contaminación.

Figura 1.17

Cadena de proceso de emisión, transmisión e inmisión de gases

Elaboración propia

Los objetivos del tratamiento de emisiones se centran en la eliminación de sustancias nocivas (partículas, gases y aerosoles) por medio de métodos mecánicos, físicos o por transformaciones químicas. Frecuentemente se emplea una combinación de métodos muy diversos para cumplir con la estricta normativa vigente de los límites máximos permisibles (LMP). Los métodos de tratamiento se pueden clasificar en forma general del modo indicado a continuación, aunque debe observarse que los límites de esta clasificación no son estrictamente marcados y existe la combinación de más de un método:

• Separación de sólidos (polvos y material particulado)

• Separación de líquidos

• Separación de gases

• Depuración térmica

• Depuración biológica

5.2 Separación de polvos

Los polvos o material particulado (PM) se pueden clasificar en polvos gruesos (> 20 µm) y polvos finos (< 20 µm). En esta última categoría, son de especial importancia el material particulado menor a 10 µm (denominado PM10) y el menor a 2,5 µm (PM2,5), por los graves efectos que causan en la salud de las personas. Por ejemplo, en una gran ciudad del mundo industrializado como Berlín, la fracción fina PM10 del material particulado contiene un 37 % de compuestos de carbono (2/3 orgánicos, 1/3 inorgánicos), 32 % de sales, 20 % de óxidos metálicos (Al, Fe, Si, Ca, K, Na) y 11 % de otras sustancias. Los métodos de separación de material particulado se dividen según el tipo y tamaño de las partículas; en general, suele ocurrir que cuando más pequeñas sean las partículas, mayor será el costo de separación. La figura 1.18 muestra el rango de partículas sólidas y aerosoles, así como los métodos de análisis y de separación, entre los cuales están las cámaras de sedimentación, los ciclones, los filtros, el lavado de gases y los precipitadores electrostáticos (electrofiltros).

Figura 1.18

Tamaño de partículas y rango de separación de sólidos y aerosoles

Elaboración propia a partir de Langermann (2014)

5.2.1 Ciclones

Un ciclón es un equipo de separación de partículas que consta de un cuerpo cilíndrico en la parte superior y una parte cónica inferior. La alimentación ingresa tangencialmente por la parte superior del cuerpo cilíndrico y genera un movimiento rotacional de la corriente, con la consecuente separación de las partículas debido a la fuerza centrífuga. Las partículas separadas son arrastradas con la corriente en un movimiento en espiral (de allí el nombre de ciclón) y se van acumulando en la punta de la sección cónica (vórtice o vortex) a causa de la menor velocidad del gas, mientras que el gas limpio, con partículas muy finas, escapa por la parte central superior. La principal ventaja de este equipo es la separación continua de los polvos; sin embargo, solo permite apartar partículas de mayor tamaño y la temperatura de los gases en general no es muy alta. La figura 1.19 ilustra un esquema del funcionamiento de un ciclón. Los ciclones también se pueden instalar en conjuntos radiales o lineales (multiciclón) y pueden tener en la entrada una cámara de separación en zigzag para las partículas más gruesas (véase la figura 1.20).

Figura 1.19

Esquema del sistema de funcionamiento de un ciclón

Elaboración propia a partir de Langermann (2014)

Figura 1.20

Esquema multiciclón y cámara de separación en zigzag

Elaboración propia a partir de EOI(2018)

5.2.2 Filtros

El principio de funcionamiento de un filtro es el de hacer pasar la corriente de gases con partículas a través de un medio poroso (tela filtrante), cuyo tamaño de apertura debe ser menor que el de las partículas que van a ser separadas. La principal ventaja de estos equipos es la construcción relativamente simple y que se pueden emplear para altas temperaturas; en cambio, las desventajas son la operación discontinua, la caída de presión y la eficiencia, que se ve afectada por factores como la humedad y el crecimiento de la torta. Los filtros de gases pueden ser planos, pero la construcción más común es la de mangas cilíndricas (filtro de mangas). La figura 1.21 muestra el sistema de funcionamiento y los detalles constructivos de un filtro de mangas.

Figura 1.21

Esquema de funcionamiento de un filtro de mangas

Elaboración propia a partir de Langermann (2014)

5.2.3 Torres de lavado

Las torres o cámaras de lavado (en inglés, scrubbers) tienen como objetivo la unión de las partículas sólidas mediante una fase líquida, principalmente agua, por principios de difusión, carga eléctrica, condensación e inercia de masa (véase la figura 1.22). Existen diversas formas de captura de las partículas; puede ser a través de una capa de líquido, a través de un empaque, a través del flujo a lo largo de una superficie o por la distribución de gotas líquidas en la fase gaseosa.

Figura 1.22

Métodos diversos para el lavado de gases

Elaboración propia a partir de Langermann (2014)

En otra variante de las cámaras de lavado de gases, se utilizan toberas de Venturi para producir una presión negativa que aspira el líquido y logra así el contacto con las partículas de polvo. Estos equipos suelen ser más compactos y eficientes que las torres o cámaras convencionales de lavado, pero tienen un mayor consumo de energía y más desgaste, debido a la alta velocidad de flujo en las toberas, además de que generan ruido. En la figura 1.23, se puede observar el esquema de funcionamiento de un lavador de Venturi.

Figura 1.23

Elaboración propia a partir de Langermann (2014)

5.2.4 Precipitadores electrostáticos

Los precipitadores electrostáticos, también llamados filtros electrostáticos o electrofiltros, utilizan una alta diferencia de potencial (hasta 50 kV) para cargar eléctricamente la superficie de las partículas y trasladarlas de este modo a la superficie con la carga opuesta. Internamente, en el cátodo (negativo), se genera el denominado efecto corona por la alta tensión, que ioniza las moléculas neutras del gas, las cuales a su vez cubren la superficie de las partículas. La atracción electrostática entre las partículas cargadas negativamente y la superficie del ánodo (positivo) hace que las partículas se desplacen y se separen. En algunos casos, se inyecta también una niebla de agua para mejorar la separación. El uso de estos electrofiltros es muy común en las centrales térmicas de carbón y en la industria metalúrgica. En la figura 1.24, se observa el principio de operación, así como un ejemplo de aplicación.

Figura 1.24

Principio de aplicación de un precipitador electrostático

Elaboración propia a partir de Langermann (2014)

La tabla 1.7 presenta un cuadro comparativo de las características de los equipos de separación de polvos: ciclón, electrofiltro y torre de lavado.

Tabla 1.7

Comparación de los equipos de separación de polvos

Fuente: Langermann (2014)

5.3 Separación de líquidos

Técnicamente, en este tipo de operaciones, las gotas de líquido en una corriente gaseosa se comportan en forma similar a las partículas, y es frecuente la separación simultánea de partículas y gotas (aerosoles). Los equipos más usuales son los separadores de impacto y los condensadores; si se emplea un gas criogénico como nitrógeno líquido, se denominan criocondensadores (véase la figura 1.25).

Figura 1.25

Esquema de separación de líquidos por impacto y condensación

Elaboración propia a partir de Langermann (2014)

5.4 Separación de gases
5.4.1 Absorción

La absorción es una técnica de separación que se basa en el equilibrio, mediante la cual una corriente gaseosa es puesta en contacto con un líquido (el absorbente) que disuelve selectivamente uno o más componentes de la corriente gaseosa (Murphy, 2007). El principio es la solubilidad del gas en el absorbente, pero también se puede dar la absorción química, donde el gas reacciona con el líquido absorbente. Esta técnica se denomina también lavado (inglés, scrubbing) cuando se emplea para depurar emisiones gaseosas.

El equipo característico para la absorción es la columna empacada, que cuenta con uno o más lechos de elementos inertes (el relleno o empaque), aunque se usa, asimismo, la columna de platos. Su objetivo es mejorar el contacto entre el gas y el líquido. El gas ingresa por la parte inferior y asciende a través del lecho empacado mientras se pone en contacto con el absorbente, que se alimenta por la parte superior mediante un distribuidor. El absorbente cargado (solución rica) se colecta en la parte inferior y se envía a otra columna (columna de separación o desorción, del inglés stripping) para recuperar el componente absorbido como gas concentrado, y el absorbente despojado (solución pobre) es usado una vez más en la etapa de absorción.

La absorción es favorecida por bajas temperaturas y presiones elevadas; ocurre lo contrario en la desorción, que requiere altas temperaturas y bajas presiones. De manera ideal, el solvente debe ser muy selectivo, poco volátil y estable térmicamente. En la práctica, sin embargo, estas condiciones no se dan, por lo que debe reponerse el solvente que se pierde con la corriente gaseosa y que se descompone; además, el gas concentrado puede contener otros componentes no deseados. En la figura 1.26, se aprecia un típico sistema de depuración de gases contaminados por lavado.

Figura 1.26

Sistema de depuración de gases por lavado (absorción-desorción)

Elaboración propia

La tabla 1.8 presenta una lista parcial de absorbentes y soluciones de lavado típicas usadas en la industria. A continuación, la figura 1.27 detalla el sistema de una columna empacada y algunos tipos de elementos de empaque.

Tabla 1.8

Lista de algunos absorbentes comunes

Sustancia que se va a separar	Absorbentes
HCl	Agua, álcalis, carbonatos
NH3	Agua, ácidos
Alcoholes, acetona	Agua, aceites
H2S, R-SH	Solventes orgánicos (alcanol, aminas)
CO2	K2CO3, metanol, solventes orgánicos
COS, HCN	Solventes orgánicos
SO2 (desulfuración)	Lechada de cal, caliza, soda, solución de NH3
NOx	Solución de NH3
H2O (secado de gases)	TEG (trietilén glicol), H2SO4 concentrado

Elaboración propia

Figura 1.27

Esquema de una columna empacada y elementos de empaque

Elaboración propia a partir de Universitat Politecnica de Catalunya (s. f.)

5.4.2 Absorción con reacción en fase sólida

Este tipo de absorción emplea sustancias sólidas con alta superficie específica y se encuentra en el límite de la adsorción. La ventaja principal es que se generan productos finales que pueden deponerse fácilmente; por lo tanto, se producen menos emisiones de polvos y material particulado. Como ejemplo, se pueden apreciar las ecuaciones de las siguientes reacciones:

2HF_(g) + Ca(OH)_2(s) → CaF_2(s) + 2H₂O_(l) 2HCl_(g) + Ca(OH)_2(s) → CaCl_2(s) + 2H₂O_(l) 2SO_2(g) + 2Ca(OH)_2(s) → 2CaSO₃ ⋅ ½H₂O_(s) + H₂O_(l)

El caso más característico de la aplicación de esta tecnología es la desulfuración de los humos de las plantas térmicas (en inglés, flue-gas desulfurization, FGD), emitidos por la combustión del azufre contenido en el combustible. Por ejemplo, el carbón tiene de 0,5 a 2 % de azufre, los petróleos residuales hasta 3 % y los residuos municipales hasta 50 %. En la atmósfera húmeda y por acción de la radiación UV, el SO₂ se oxida a SO₃ y se convierte en ácido sulfúrico, que genera la lluvia ácida.

El sistema de desulfuración de humos de una planta térmica se puede observar en la figura 1.28. En este, la caliza finamente molida es mezclada con agua para producir una suspensión que se pone en contacto con el gas sulfuroso por aspersión o salpicadura. El SO₂ de los gases se convierte primero en CaSO₃. ½H₂O, pero luego, por acción del aire insuflado en la cámara, se convierte, finalmente, en CaSO₄. 2H₂O (yeso), que es inerte y puede ser separado fácilmente. Las reacciones son las siguientes:

• Combustión: S + O₂ → SO₂

• Absorción: CaCO₃ + SO₂ → CaSO₃ + CO₂

• Oxidación: CaSO₃ + ½O₂ + 2H₂O → CaSO₄ • 2H₂O

Figura 1.28

Sistema de desulfuración de una planta térmica

Elaboración propia a partir de Langermann (2014)

5.4.3 Adsorción

La adsorción es otra técnica de separación basada en el equilibrio y que utiliza un material adicional: un sólido poroso de alta superficie específica que tiene afinidad con gases y líquidos (Murphy, 2007). El equipo es similar a una columna de absorción empacada, pero de menor altura. En este caso, la diferencia es que el empaque es un sólido activo, capaz de retener sustancias gaseosas y solutos. Asimismo, el proceso es discontinuo, es decir, una vez saturado el sólido, se debe iniciar una etapa de regeneración para separar la sustancia adsorbida y preparar el sólido poroso para un nuevo ciclo de adsorción. La figura 1.29 muestra el esquema de una columna de adsorción.

Figura 1.29

Esquema de una columna de adsorción

Elaboración propia a partir de Langermann (2014)

Las típicas sustancias adsorbentes son el carbón activado, las zeolitas y el gel de sílice. Entre las aplicaciones comunes de la adsorción se encuentran la recuperación de solventes, la eliminación de olores y sustancias tóxicas, la desulfuración de gases y la limpieza de gas natural. Los adsorbentes deben reunir ciertas características como alta capacidad y velocidad de adsorción, así como tienen que regenerarse fácilmente y ser hidrofóbicos (resistencia al vapor de agua). Existen los siguientes métodos de regeneración:

• Ciclo de variación térmico

El adsorbente es calentado con un gas caliente de purga para remover el adsorbato. Finalmente, el lecho debe ser enfriado, de modo que pueda ser usado en el siguiente ciclo de adsorción. El tiempo de regeneración es de pocas horas.

• Ciclo de variación de presión

En este caso, el lecho se desorbe al reducir la presión a temperatura constante. El tiempo de regeneración es corto comparado con el ciclo térmico.

• Ciclo de purga con gas inerte

El adsorbato se remueve con un gas no adsorbente o inerte a través del lecho. El tiempo de regeneración es de pocos minutos.

• Ciclo de purga de desplazamiento

Se mantiene la presión y la temperatura constantes, pero se usa un gas o líquido que se adsorbe más que el adsorbato. Al igual que en el caso anterior, el tiempo de regeneración es de pocos minutos.

5.4.4 Depuración catalítica

La depuración catalítica busca transformar el contaminante mediante reacciones de oxidación, reducción o descomposición en sustancias inertes o menos tóxicas. Por ejemplo, la eliminación de óxidos de nitrógeno de gases de combustión con catalizadores sólidos como TiO₂, V₂O₅, Fe₂O₃ e inyección de NH₃:

4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O 2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H₂O

El proceso se conoce como reducción catalítica selectiva (SCR, por sus siglas en inglés). Ha sido implementado ampliamente en plantas térmicas y también en la industria del cemento, cuando se usan combustibles alternativos (llantas usadas, residuos sólidos). Como se observa en la figura 1.30, los gases de combustión provenientes del caldero (generador de vapor) se mezclan con aire fresco y vapor de amoniaco, luego se inyectan a la cámara del reactor SCR. Dentro del reactor hay bloques de catalizador poroso, y los óxidos de nitrógeno y el amoniaco se convierten en productos inertes (nitrógeno y vapor de agua). En otra variante de este proceso, llamada reducción catalítica no selectiva (NSCR, por sus siglas en inglés), se inyecta también un combustible (gas natural, GLP) y los productos también contienen CO₂.

Figura 1.30

Sistema de reducción catalítica selectiva para depuración de NOx y catalizador monolítico

Elaboración propia a partir de Langermann (2014)

Un proceso combinado, conocido como DeSONO_x, permite la eliminación de gases sulfurosos y óxidos de nitrógeno. Se lleva a cabo en las siguientes etapas:

• Filtro electrostático seco

• Inyección de NH₃ y eliminación de óxidos de nitrógeno (DeNO_x)

• Eliminación de óxidos de azufre (DeSO_x)

• Lavado en varias etapas

• Filtro electrostático húmedo

5.4.5 Depuración térmica

La depuración térmica tiene como objetivo la rápida poscombustión y oxidación total de sustancias contaminantes como hidrocarburos clorados, gases con alta carga orgánica, fosgeno, vapores de cianuro de hidrógeno, compuestos sulfurados, nitrosos, amidas, etcétera, que se encuentran en plantas térmicas, especialmente en aquellas que utilizan residuos municipales como combustible. La formación de compuestos altamente contaminantes, como las dibenzodioxinas policloradas (PCDD) y los dibenzofuranos policlorados (PCDF), provienen de la fracción orgánica y de polímeros presentes en los residuos sólidos urbanos. En el proceso denominado De-DIO_x, se emplean catalizadores mixtos de TiO₂, WO₃, V₂O₅, que son muy selectivos para la degradación de los contaminantes y logran una concentración muy baja de los mismos en los gases residuales (según las normas legales). Los catalizadores son, además, muy estables y, a temperaturas adecuadas (> 190 °C), se evita la desactivación por adsorción de los contaminantes en la superficie.

5.4.6 Depuración biológica

La depuración biológica se usa principalmente para la eliminación de olores (en especial, H₂S, otros compuestos sulfurosos y aminas) mediante filtros confeccionados de materiales naturales de soporte (remolachas, filtros cerrados, membranas). Este tratamiento se realiza en presencia de alta humedad, entre 45 % y 55 %, con un pH de 7,5 a 8,0, además de una solución de nutrientes. La figura 1.31 muestra el esquema de depuración de gases mediante sistemas de biofiltros.

Figura 1.31

Esquema de depuración de gases con biofiltros

Elaboración propia a partir de Langermann (2014)

6. Gestión de residuos sólidos

Desde el comienzo de las actividades humanas en la Tierra, se han producido desperdicios. Estos residuos, a inicios del siglo xxi, son sometidos a procesos de tratamiento, en su mayoría, ineficaces, como los vertidos al ambiente, o más frecuentemente son enterrados en vertederos, lo cual es insostenible por sus diversos impactos sobre el medio natural. El vertido incontrolado de los residuos no solo tiene efectos negativos en el medio ambiente (como la producción de cantidades significativas de gases de invernadero, entre ellos, el metano), sino que también supone una pérdida económica. Esto se debe a que los residuos recuperados y transformados en productos finales tienen un alto valor, al mismo tiempo que evitan el uso de materias primas originales.

La aplicación de nuevas tecnologías y soluciones permite cambiar la manera tradicional de la gestión de residuos por procesos más eficientes. Hasta inicios de la década de 1970, era patente la falta de un marco legal y de normas para el manejo adecuado de residuos sólidos, incluso en países altamente industrializados como Alemania, Francia e Inglaterra. Posteriormente, la tendencia general fue la disposición de residuos en vertederos o rellenos sanitarios diseñados y construidos con tecnología adecuada para evitar la infiltración de lixiviados contaminantes en el subsuelo y las emisiones de gases tóxicos. Muchos de estos vertederos (en inglés, landfill) son notorios en países industrializados aun después de haber sido cerrados y cubiertos con vegetación (en inglés, reclaiming), destacando como colinas artificiales en el paisaje.

El concepto actual integra en la gestión de residuos las 5R de manera jerarquizada: reducción, reutilización, reciclaje, recuperación y residuo o disposición final, donde la priorización es en orden decreciente, como se muestra en la figura 1.32. La etapa de reducción se refiere a la generación más limpia de residuos, consumo sostenible y prevención. La reutilización significa volver a usar aquellos residuos que no requieren de un proceso. El reciclaje y compostaje implica procesar los residuos para recuperar los productos comercialmente valiosos. La fase de recuperación es la valoración energética de los residuos. Finalmente, la disposición final busca asegurar que estos vayan a vertederos diseñados con tecnología adecuada. El esquema de la figura 1.32 también se conoce como la pirámide invertida de los residuos, ya que en el pasado la base se encontraba en la disposición de los residuos en vertederos y representaba la alternativa más común (era el destino de hasta las dos terceras partes de los residuos); solo se recuperaba y reaprovechaba una pequeña proporción de ellos.

Figura 1.32

Esquema de la jerarquía integrada de gestión de residuos

Elaboración propia

6.1 Reducción de residuos

La reducción de residuos sólidos empieza por la sensibilización y educación del consumidor, a fin de motivarlo a pensar antes de comprar para que elija las alternativas de productos que posean solo los empaques necesarios o estén fabricados preferiblemente de materiales reciclables o compostables. Por ejemplo, es preferible un paquete de huevos en empaque de cartón, en vez del empaque de poliestireno expandido envuelto en película de polietileno; las frutas y vegetales sueltos, en lugar de empacados individualmente; el mismo criterio se aplica a la vestimenta, equipos electrónicos de consumo e innumerables productos de uso masivo. El problema se agrava, a menudo, por el bajo costo de muchos productos y la falta de normas legales que obliguen a las empresas de producción y a los comercios a fomar parte del esfuerzo para la reducción de residuos; un ejemplo de ello es la distribución de las bolsas de compras en forma gratuita.

Un modelo valioso, que sirve como ejemplo en Europa, es el sistema diseñado por el Ministerio del Ambiente de Alemania a inicios de la década de 1990, conocido como el logo de Punto Verde (en alemán, Der Grüne Punkt). La idea básica era que el consumidor identificara los productos con ese logotipo y reconociera que el fabricante contribuye al costo de recuperación y reciclaje de los empaques. En 1991, el gobierno alemán aprobó la Ley de Empaques (Verpackungsverordnung), que hacía responsables a los fabricantes del reciclaje o disposición de cualquier material de empaque que vendieran con sus productos. Como resultado, la industria alemana creó un sistema dual de recolección de residuos que reunía los empaques en una acción paralela a la gestión municipal de recolección de residuos. Esta gestión es financiada con el dinero de las licencias que pagan los fabricantes de productos, por lo que, en la práctica, ha motivado a los productores a reducir cualquier material de empaque innecesario.

6.2 Reutilización

El sistema de reutilización es una alternativa que consiste en el reúso de productos y empaques. Cada vez es una práctica más común en el mundo; así, muchos productos como ropa usada, muebles, libros, equipos electrónicos, cables, piezas de automóviles y maquinaria usada, entre otros, son comercializados formal e informalmente. La decisión del consumidor juega un papel importante, ya que puede escoger no desechar productos usados, tales como ropa, calzado, artefactos o cualquier otro, sino venderlos o donarlos a personas que los necesiten. Asimismo, los empaques reusables como contenedores de comida también son preferidos por los consumidores para guardar alimentos, y los comercios han sabido migrar de materiales más contaminantes y que generan desperdicios a materiales reusables. La industria, por otro lado, realiza frecuentemente donaciones de productos con fines de marketing, pero también por su compromiso con la sociedad; igualmente, la maquinaria usada es comercializada, reparada y modernizada, en vez de invertir en maquinaria nueva.

6.3 Reciclaje

Después de la reducción y la reutilización, siempre queda una gran parte de residuos que pueden ser reciclados. Los materiales que tienen altas tasas de reciclaje son los metales, el vidrio y el papel. En cuanto a los metales, la mayoría de ellos pueden ser reciclados casi indefinidamente, pues se someten a procesos de fusión donde se eliminan todas las impurezas en forma de escorias inertes. Una excepción notable es el aluminio que, al fundirse nuevamente, se contamina con impurezas, por lo que solo es reciclado como aluminio secundario en aleaciones de colada; en cambio, el aluminio de alta pureza requerido en aplicaciones como cables eléctricos y láminas es el aluminio primario, que se obtiene de procesos de primera fusión y refinación de las materias primas. El caso de los metales preciosos es distinto, ya que, por su alto valor, el reciclaje siempre es económicamente factible y recomendable, aun de residuos donde estos metales se encuentran en muy baja proporción, como polvos, lodos, chatarra electrónica, catalizadores industriales, entre otros. El vidrio, por otro lado, es un material que también puede fundirse y reciclarse indefinidamente, siempre que los desechos de este material se separen adecuadamente por color. Por su parte, el papel es reciclado parcialmente, pues las fibras tienden a reducirse en longitud cada vez que son convertidas en pulpa. La pulpa de papel reciclado y la pulpa virgen son las materias primas principales para la fabricación de papel toalla y papel higiénico, con considerable ahorro de recursos, incluso si estos son renovables como la madera.

Los plásticos, como se verá con mayor detalle en un capítulo posterior, solo son reciclables parcialmente, salvo los envases de PET (politereftalato de etileno), que pueden convertirse en fibras textiles para la fabricación de tejidos, mantas y nuevos envases. En la categoría de reciclaje también se encuentra el compostaje de la fracción de residuos orgánicos de la basura, en vez de destinarla a los rellenos sanitarios, donde por descomposición anaeróbica generará gases de invernadero, como dióxido de carbono y metano, además de lixiviados tóxicos. La transformación de la basura orgánica en compost o en humus de lombriz (vermicompostaje) produce valiosos fertilizantes para la agricultura y el cuidado de jardines, que reemplazan en gran medida a los fertilizantes sintéticos y reducen el consumo de recursos naturales y energéticos. La ganadería y la avicultura, por ejemplo, reciclan el estiércol y otros residuos, transformándolos en fertilizantes para su uso en áreas agrícolas.

6.4 Recuperación

Antes de destinar la basura residual a los vertederos, esta se puede tratar por métodos mecánicos y biológicos para su valoración energética. En líneas generales, la parte mecánica del proceso consiste en la trituración o desmenuzado de la basura en fracciones más pequeñas, luego se la clasifica por diversos métodos, como corrientes de aire, separadores magnéticos, tamices, clasificadores ópticos, para retirar las fracciones reciclables como plásticos, papel y metales. Una nueva clasificación fina separa los residuos finales, que son destinados a los vertederos, de la fracción valiosa, que puede ser convertida en el denominado combustible sólido recuperado (solid recovered fuel, SRF), que reemplaza en parte a los combustibles fósiles.

Para llegar a esta etapa, debe realizarse primero un tratamiento biológico que consiste en una digestión anaeróbica en reactores cerrados, donde se alimenta la basura mezclada con agua por lotes y se deja fermentar por unos 30 días. En este proceso, se genera calor que libera el biogás, el cual es un sustituto de combustibles fósiles. El material madurado después de este proceso se encuentra estabilizado, y se puede destinar a vertederos o convertirse en SRF mediante un proceso de compostaje o biosecado en túneles sellados. Ahí se recircula aire caliente durante tres semanas aproximadamente, lo que causa la eliminación de dióxido de carbono y vapor de agua, y la reducción de un 30 % del volumen. El producto es mucho más estable que el material de partida o que la basura orgánica original, ocupa menos volumen en los vertederos y produce menos gases y lixiviados. La otra alternativa es utilizar el producto como combustible sólido recuperado y aprovechar su valor energético en procesos de gasificación, pirólisis o como combustible sustituto en hornos industriales. La figura 1.33 presenta el esquema general de la valoración energética de residuos sólidos.

Figura 1.33

Valoración energética de residuos sólidos

Elaboración propia

Capítulo 2
Tecnologías limpias y medio ambiente en la industria de la malta
1. Industria de la malta

En la industria maltera tiene lugar el proceso de transformación de la cebada en malta, la cual es la principal materia prima para la fabricación de cerveza. Por lo general, las empresas malteras operan en plantas independientes de la industria cervecera, es decir, normalmente no se encuentran integradas de manera directa en el proceso productivo de la cerveza. Esto se debe a que la producción de malta requiere al menos de unas cuatro semanas para su maduración. El presente capítulo busca desarrollar en detalle solamente el proceso de malteado, aunque conviene conocer el proceso de fabricación de cerveza para comprender las etapas de la producción de la malta.

En la elaboración de la malta destinada a la producción de cerveza, los parámetros que dan como resultado productos de calidad dependen, igualmente y en parte, del tipo de cultivo de la cebada y de la diversidad de variedades según los microclimas existentes, definidos por la temperatura, la humedad, la cantidad de luz solar y los tipos de suelos, entre otros. La cebada que se utiliza en este proceso es más rica en almidón, sustancia que da origen a los extractos fermentables; además, contiene proteínas, generalmente en cantidades más que suficientes para proporcionar los aminoácidos necesarios para el crecimiento de la levadura, y sustancias nitrogenadas, que cumplen un papel importante en la formación de la espuma de la cerveza. Ya en el proceso de fabricación de la bebida, se agregan los denominados adjuntos cerveceros, compuestos por granos que no pasan por el proceso de malteado, pero cuya función fundamental es aportar, además de almidones y azúcares simples, las sustancias esenciales que proporcionarán las características diferenciales al producto final. Algunos de estos productos adicionales son el trigo, el maíz y el arroz, que forman alrededor del 20 % del peso total de los cereales utilizados en el proceso, con la finalidad de aprovechar la totalidad del almidón convertido por las enzimas provenientes de la malta de cebada.

El malteado consiste en la obtención de granos de cebada ricos en enzimas y con una estructura del endospermo que permite el ataque enzimático del almidón. Esto ocurre cuando, durante el proceso de malteado, se activan y desarrollan una serie de enzimas de tipo amilolítico (que son las encargadas de transformar el almidón, presente en el grano, en hidratos de carbono fermentables) y proteolítico (que actúan como precursoras de aromas y como nutrientes para las levaduras en fermentaciones posteriores). Su finalidad es transformar las reservas nutritivas del grano de cebada en las sustancias requeridas para la elaboración de la cerveza a través de tres etapas fundamentales: el remojo, una germinación controlada y el secado/tostado. La malta proporciona a la cerveza sus propiedades de color, sabor y espuma, por lo que el proceso de malteado debe llevarse a cabo con un control estricto respecto a los parámetros de tiempo y temperatura. Además, la cerveza contiene otros elementos como los grits, cereales no malteados como arroz o legumbres que dan sabor, aroma y un color más luminoso, así como estabilidad coloidal a la cerveza final. Estos, al momento de la recepción en la planta cervecera, son revisados para retener las posibles impurezas (piedras, metales, espigas, etcétera) y garantizar la calidad de las materias primas. Finalmente, conocer la estructura y composición del grano de cebada permite entender las ventajas de su uso en la elaboración de la malta.

En términos generales, a nivel comercial se producen diversos tipos de malta que se utilizan especialmente en la fabricación de cerveza y en la destilación de whisky, los cuales dependen de las variables de temperatura, humedad y tiempo a las que fueron sometidos (Canales Canales, 2009). En todos los casos, la cebada es la materia prima principal, además de otros cereales en menor cantidad como trigo, maíz o centeno, entre otros, los cuales pasan por el proceso de germinación, desecación y tostado en condiciones tecnológicamente adecuadas. Existen diferentes técnicas y especificaciones de producto para la elaboración de la malta, en función de las condiciones del proceso, fundamentalmente, en las etapas de secado y tostado final, que dan como resultado la malta Pilsen, caramelo clara, caramelo oscuro, maltas especiales y otras. En las instalaciones de una maltería, por lo general, se pueden identificar dos áreas de procesamiento: el área seca y la húmeda. En la primera, se efectúan las operaciones de recepción, almacenamiento, clasificación y limpieza de la cebada, y en el área húmeda se llevan a cabo operaciones de mezclado, remojo y germinación en las que se emplea agua y se maneja grano húmedo.

En el proceso de malteado se obtiene un polvo rico en enzimas a partir del grano de cebada. Después de las etapas preliminares, en las que todavía no se produce ninguna modificación en la estructura del grano de cebada, este es sometido al proceso de remojo, donde la humedad del grano aumenta hasta alcanzar las condiciones adecuadas para el proceso de germinación, con temperaturas que varían entre 10 °C a 16 °C, una humedad que va de 42 % a 46 % y en un período aproximado de 60 horas. Posteriormente, la cebada germinada es secada a temperaturas que oscilan entre 55 °C y 70 °C para las maltas lager y de 60 °C a 95 °C para las maltas ale. Por último, se efectúa la molienda de los granos una vez tostados para conseguir la malta en polvo.

El proceso de malteado, como ya se ha explicado, forma parte de los diversos tipos de producción de cerveza, que en general pasa por cuatro etapas: el proceso de malteado, la producción del mosto cervecero, la fermentación y maduración, y el procesamiento final. La producción del mosto cervecero consiste en la digestión enzimática de la cebada malteada con o sin la adición de cereales no malteados (comúnmente denominados adjuntos) para la producción de azúcares, lo que se complementa con el hervido y adición de lúpulo. Luego, en el proceso de fermentación y maduración, se realiza la conversión parcial de los azúcares en alcohol. Por último, el procesamiento final comprende las etapas de filtración, estabilización, pasteurización y embotellado. Cabe destacar que para la elaboración de 1 litro (L o l) de cerveza se necesitan aproximadamente 130 a 150 gramos (g) de malta.

1.1 Malta

La malta resulta del proceso de germinación controlada de los granos de cereales, como cebada, centeno, trigo, avena y arroz. Actualmente, es más un producto intermedio, ya que las industrias la utilizan como materia prima o como insumo para la elaboración de productos terminados, los cuales son procesados comercialmente en cantidades considerables. Inicialmente, la malta se empleaba solo para la producción de cerveza y otras bebidas fermentadas; sin embargo, a lo largo del tiempo, sus usos se han diversificado, de tal manera que hoy en día el malteado de cebada y de otros cereales se ha convertido en un insumo industrial muy importante, debido a sus peculiaridades y propiedades, como la actividad enzimática, el contenido de almidón y la formación de harina, o bien la combinación de todas ellas.

En la industria cervecera, el papel de la malta se centra en la actividad de la amilasa, que tiene la capacidad de convertir el almidón en dextrinas y azúcares fermentables, los cuales son las proteínas para la formación del cuerpo y espuma de la cerveza, mientras que los aminoácidos sirven para nutrir la levadura y para fijar las características de sabor del producto fermentado. Por otro lado, en la industria de la destilería, el segundo elemento de uso más importante de la malta es el contenido enzimático y de aminoácidos, cuyas características son esenciales para la acción de la levadura. En la manufactura del whisky, se tiene en cuenta un factor adicional: el sabor de la malta, con el fin de establecer las características que diferencian el producto. Por último, en otras industrias se aprovechan las tres propiedades (actividad enzimática, contenido de almidón y su sabor), como en la elaboración de leche malteada, cereal con sabores y jarabes. La calidad final de la malta depende de las propiedades fisicoquímicas del grano de cebada, así como del buen uso de los parámetros de tiempo y temperatura, especialmente en las fases del malteado.

En el mercado mundial, existen tres tipos de maltas bases que se utilizan generalmente en la fabricación de cerveza. La primera es la malta Pilsen, que pasa por el germinado y secado a baja temperatura; en el mundo, es la más usada para la elaboración de cerveza, debido a su color muy claro y sabor suave, que da como resultado las cervezas rubias y doradas. Por su parte, las maltas Múnich y Viena, germinadas y secadas a mediana y alta temperatura, respectivamente, proporcionan a las cervezas tonos un tanto oscuros con tonalidades cercanas al rojo claro y sabores más intensos (Sancho, 2015; Sánchez, 2011).

1.2 Tipos de malta

A continuación, se describen brevemente los diferentes tipos de malta que se utilizan frecuentemente en la fabricación de cerveza.

a. Maltas cerveceras claras. Se trata de maltas destinadas a la elaboración de cervezas de tipo lager o Pilsen. Durante la etapa de secado, son sometidas a bajas temperaturas que oscilan entre 50 °C a 70 °C, lo cual promueve la formación de 5-metilmetionina. En la elaboración de la cerveza, esta sustancia se transforma en dimetilsulfato, que aporta el sabor característico de las cervezas claras.

b. Maltas cerveceras claras especiales. También conocidas como maltas proteolíticas, enzimáticas o ácidas, su pH se regula con la adición de ácido láctico.

c. Maltas oscuras. Se usan para la elaboración de cervezas tipo ale. El secado se realiza a 80 °C o 100 °C por un período muy corto; estas temperaturas proporcionan a la cerveza un sabor amargo más acentuado.

d. Maltas tostadas. Se tuesta hasta lograr coloraciones de tonos ámbar, café, chocolate y negro. Se emplean en la elaboración de cervezas de tipo stout. La coloración se adquiere con el tiempo de permanencia en el horno e incide en el proceso de caramelización de los azúcares.

e. Maltas destiladas. Se usan para la elaboración de whisky y otras bebidas de tipo espirituosas, como la ginebra, el vodka, entre otras. El proceso de malteado consiste en la obtención de granos de cebada ricos en enzimas y con una estructura del endospermo que permite el ataque enzimático del almidón. Durante el proceso de malteado se activa y desarrolla una serie de enzimas de tipo amilolítico (que son las encargadas de transformar el almidón, presente en el grano, en hidratos de carbono fermentables) y proteolítico (que actúan como precursoras de aromas y como nutrientes para las levaduras en fermentaciones posteriores, como en la fabricación de cerveza). El proceso de elaboración de la malta tiene tres etapas fundamentales: el remojo, una germinación controlada y el secado/tostado. En la industria cervecera, la malta proporciona a la bebida sus propiedades de color, sabor y espuma, por lo que el proceso de producción del malteado debe llevarse a cabo con un control estricto respecto a los parámetros de tiempo y temperatura.

En la primera etapa, el grano de cebada se somete al proceso de remojo con la finalidad de aumentar su humedad hasta que alcance las condiciones adecuadas para el proceso de germinación, que se lleva a cabo a temperaturas que pueden variar de 10 °C a 16 °C, de 42 % a 46 % de humedad y en un período máximo de aproximadamente 60 horas. Posteriormente, la cebada germinada se seca a temperaturas que pueden oscilar entre 55 °C y 70 °C para las maltas lager y de 60 °C a 95 °C para las maltas ale. En el proceso de remojo, el grano absorbe agua, se ablanda la cáscara y se hincha hasta romper la capa protectora (cáscara y pericarpio), lo que permite que el agua ingrese hasta el endospermo, que es el lugar donde se almacena el almidón y está cubierto por la capa de aleurona. Tanto las paredes celulares del endospermo amiláceo (almidones) como las que conforman la aleurona se encuentran cubiertas por polisacáridos no amiláceos (celulosa y azúcares).

En el proceso de germinación propiamente dicho, al contacto con el agua se inicia una serie de procesos. El primero es la hidrólisis del almidón, que produce disacáridos como la maltosa, la cual libera los lípidos (grasas) que se encuentran en la capa de aleuronas. El embrión, por su parte, promueve la formación de enzimas y la degradación de las proteínas en nutrientes sencillos y necesarios para la germinación mediante las reacciones enzimáticas específicas que implican principalmente la actividad de enzimas α y β-amilasas, dextrinasas, proteasas y β-glucanasa. En la elaboración de la malta de cebada es esencial lograr el grado de germinación deseado para el tipo de malta que se va a producir; en este sentido, son factores importantes el sistema de germinación disponible, los parámetros como la temperatura —que ha de estar en un rango de 16 °C a 20 °C— y el grado de humedad, que debe mantenerse casi constante para que la hidrólisis se realice en las mejores condiciones de reacción. Como parte de la reacción, se genera anhídrido carbónico o dióxido de carbono (CO₂), que puede afectar las condiciones de equilibrio del sistema, porque se tiene que facilitar su liberación a la atmósfera. La germinación produce modificaciones en la estructura del grano de cebada y se debe interrumpir o detener mediante la aplicación de calor. En resumen, las principales enzimas que se forman en el proceso de germinación son las siguientes:

• Amilasas. Se encargan de desdoblar el almidón y se componen de α-amilasa y β-amilasa.

• Hemicelulasas. Desdoblan las hemicelulosas.

• Proteolíticas. Se dividen en dos grupos: las proteasas, que desdoblan las proteínas complejas hasta el estado de polipéptidos y péptidos; y las peptidasas, que desdoblan los péptidos hasta el estado de aminoácidos.

• Fitasas. Desdoblan la fitina en fosfatos e inositol.

• Oxidasas. Son enzimas del grupo respiratorio que están compuestas por las verdaderas oxidasas, que activan el oxígeno molecular; las peroxidasas, que activan solo el oxígeno de los peróxidos; y la catalasa, que desdobla el peróxido de hidrógeno.

• β-glucamasas. Son las enzimas que hidrolizan los β-glucamasas.

Existen dos sistemas de germinación en las plantas industriales de fabricación de maltas cerveceras: el de germinación tradicional y el sistema de germinación neumática (que utiliza equipos en forma de tambor y caja); este último es el que más se aplica en las industrias cerveceras, debido a la incorporación de los avances tecnológicos. En la germinación tradicional, la cebada remojada se deposita en pozas con paredes impermeables formando una capa de 25 cm de profundidad aproximadamente. La pérdida de humedad se compensa con rociadores de agua y los granos deben removerse (voltear) para eliminar el CO₂ producido, mantener la temperatura y evitar que las raicillas que se encuentran en fase de crecimiento se entrecrucen entre ellas. En cambio, en la germinación neumática, se mantiene el contenido de agua, la temperatura y la eliminación del CO₂ mediante inyección de aire húmedo a temperatura controlada por la parte inferior del lecho de cebada. Para ello, se emplean dos tipos de tecnologías. Una de ellas es la germinación en tambores o cilindros perforados que cuentan con mecanismos para remover la cebada contenida en ellos. La otra tecnología es la germinación en cajas, a lo largo de las cuales se desplaza un conjunto de hélices helicoidales y remueve la cebada. Este sistema de germinación es el más utilizado en la producción de malta cervecera, debido a su gran capacidad de producción y menor costo unitario.

El secado de la cebada germinada o malta verde se realiza con aire caliente para inhibir la actividad enzimática, reducir el contenido de agua y detener la germinación del grano. Dependiendo de la temperatura y del tiempo de secado, se obtienen diferentes tipos de malta útiles para la fabricación de cervezas de tipo lager (claras) hasta las cervezas de tipo ale (oscuras). En las operaciones de secado, se busca que la variación de temperaturas no afecte o implique la destrucción de las enzimas desarrolladas en el proceso de germinación (α-amilasas y β-amilasas, β-glucanasas, proteasas y dextrinasas) (Ruiz, 2006), que son las requeridas por los fabricantes de cervezas, debido a que estas enzimas son muy sensibles a altas temperaturas. De acuerdo con la fabricación del tipo de cerveza, se utilizan diferentes programas de secado según las variables temperatura, tiempo y ciclos de calentamiento. Por ejemplo, en el proceso de las maltas lager, el secado puede alcanzar hasta un 4 % a 5 % de humedad; para maltas ale, el contenido de agua oscila entre 2 % y 3 %; en el caso de las maltas oscuras, el secado se puede convertir en tostación por la mayor temperatura. Finalmente, al término del tratamiento térmico, la malta se enfría y se deben extraer las raíces y el tallo que se han desarrollado durante la germinación, lo que se realiza por frotación, dado que las raíces y el tallo están secos y se desprenden con facilidad. Este proceso da lugar a la formación de subproductos (residuos orgánicos) con un alto contenido de sustancias orgánicas, que posteriormente son vendidos a las plantas procesadoras de alimento balanceado para animales.

1.3 Grano de cebada

La cebada (Hordeum sativum) es una planta herbácea que pertenece a la familia de las gramíneas, de la que existen varias especies, en las que destacan Hordeum vulgare (seis hileras) y Hordeum distichum (dos hileras). Según el aspecto de la espiga y las características fisiológicas, se puede decir que las cebadas de dos hileras (Hordeum distichum) proporcionan un grano más grande y uniforme, su forma es más redonda y con una cubierta más fina; por consiguiente, dan mayor rendimiento en extracto y es menor su contenido en envolturas (espesor de la cáscara) y proteínas, además de tener menos polifenoles y sustancias amargas. Por estas razones, son las preferidas en la maltería y cervecería (Ruiz, 2006; Sancho, 2015). Por el contrario, las cebadas de seis hileras (Hordeum vulgare) dan granos más irregulares en tamaño porque cuentan con menos espacio disponible para crecer correctamente; son más delgados los laterales y con el extremo distal curvado. En la figura 2.1 se puede observar la estructura de los componentes de la cebada y los tipos de especies más utilizados en la industria maltera y cervecera.

La estructura del grano de cebada es de forma ovalada y alargada. Presenta dos partes importantes: el endospermo (D) y el embrión (E), ambos rodeados por una cáscara (A) y el pericarpio (B), que les dan la protección necesaria durante el almacenamiento, y la capa de aleurona (C), que es la responsable de la estructura de la semilla. El almidón se encuentra en el endospermo y se compone de amilopectina (polímeros ramificados conformados por unidades de D-glucosa) y de amilosa (polímeros lineales constituidos por unidades de D-glucosa). La amilosa es la sustancia que puede ser completamente hidrolizada a maltosa. Los azúcares naturales de la cebada son sacarosa y rafinosa, ambos distribuidos en la capa de aleuronas y en el embrión. La sustancia estructural del grano son las celulosas, pues forman las paredes celulares; las hemicelulosas son polisacáridos (pentosanos y β-glucanos) que contribuyen a la formación de las estructuras y son partes importantes que dan un soporte a las proteínas. Por otro lado, las proteínas son las sustancias que se degradarán durante la germinación para proporcionar los nutrientes al embrión; parte de estas se consumen durante el proceso de malteado, además de los lípidos, minerales y otros elementos. Son tres las principales estructuras del grano de cebada:

• El germen o embrión a partir del cual, después de una fase de germinación, se desarrolla la futura planta (plúmula y raíces).

• El endospermo, que es la reserva de carbohidratos compuesta de almidón insoluble que alimenta el embrión y la plántula durante la germinación.

• La cáscara, que es la capa que protege a los dos elementos anteriores.

Figura 2.1

Estructura y componentes del grano de cebada

Elaboración propia

En la tabla 2.1, se presenta la composición química de la materia seca del grano de cebada. El contenido de carbohidratos del grano oscila entre un 70 % y 80 % del total de los componentes del cereal; asimismo, el almidón supone un 60 % a 63 %, los azúcares de un 1,8 % a un 2 %, mientras que la celulosa y la hemicelulosa se encuentran entre un 10,5 % y un 11,5 %. El resto del grano de cebada es proteína, lípidos y minerales que alcanzan entre el 15 % y el 20,5 %.

Tabla 2.1

Composición química de la materia seca del grano de cebada

Nutrientes		Contenido (%)
Carbohidratos	70-80
	Almidón	60-63
	Azúcares	1,8-2
	Celulosas y hemicelulosas	10,5-11,5
Proteína	10,5-11,5
Lípidos	1,5-3
Minerales	2,0-4
Otros elementos	1,0-2

Elaboración propia a partir de Callejo (2002)

1.4 Grano de maíz

En términos económicos, los tipos de maíz más importantes que se cultivan se destinan para el consumo como granos, forraje y ensilaje. Entre los tipos de maíz, destacan el maíz duro, dentado y harinoso; además, existen otros comparativamente de menor importancia como el maíz reventón, dulce y ceroso (Lezcano, 2012; Paliwal, s. f.). Ahora, describiremos brevemente los diferentes tipos de granos que se comercializan en el mercado mundial.

a. Maíz duro. Los granos son redondos, duros y suaves al tacto. En cuanto a su estructura, el endospermo está compuesto principalmente por almidón duro, con una pequeña parte de almidón blando en el centro. Estos son preferidos para el consumo humano, como cereales para el desayuno, para hacer fécula de maíz y como como mazorcas verdes; se usan también como alimento de los animales.

b. Maíz dentado. El maíz dentado es el más utilizado como grano y ensilaje. Su endospermo contiene más almidón blando que el maíz duro, y el almidón duro está limitado a los lados del grano. Tanto el maíz dentado de color blanco como el de grano amarillo se destinan a la alimentación de los animales y a usos industriales.

c. Maíz harinoso. El maíz harinoso posee gran variedad de colores de grano y textura. Se emplea sobre todo en la alimentación de los seres humanos y en la preparación de platos especiales y bebidas. Su endospermo está compuesto casi exclusivamente por un almidón muy blando. A este tipo de maíz pertenece la variedad Cusco gigante.

d. Maíz reventón. El maíz reventón se caracteriza por su extrema dureza. Su duro endospermo ocupa la mayor parte del grano y solo tiene una pequeña cantidad de almidón blando en la parte basal. Los granos son pequeños, con pericarpio grueso, y varían en su forma de redondos a oblongos. Este tipo de maíz se usa especialmente para el famoso popcorn o palomitas.

e. Maíz dulce. Los maíces dulces se cultivan para consumir las mazorcas aún verdes. Durante el período de la cosecha, el grano tiene cerca del 70 % de humedad y no ha comenzado aún el proceso de endurecimiento. Presenta un alto contenido de azúcar, por ello, se denomina dulce, y la conversión del azúcar a almidón es bloqueada por genes recesivos.

f. Maíz ceroso. El maíz ceroso recibe ese nombre porque su endospermo tiene un aspecto opaco y ceroso, compuesto exclusivamente de amilopectina (el almidón en los maíces duros y dentados está comúnmente constituido por cerca de 70 % de amilopectina y 30 % de amilosa). Posee un almidón muy parecido a la tapioca, que es la fécula de la yuca.

La malta de maíz que se utiliza para la elaboración de la cerveza proviene, principalmente, del maíz amarillo duro, el cual debe cumplir con ciertos estándares para su uso en la industria cervecera: una humedad menor a 14,5 %, los granos quebrados no deben exceder el 5 %, los granos malogrados tienen que estar por debajo del 3 % y las impurezas han de ser menores al 1,5 %. Asimismo, se emplean semillas certificadas de calidad y el 80 % de los productores aplican insecticidas de etiqueta verde, que certifica que ese producto normalmente no causa peligro, de acuerdo con los estándares de la Organización Mundial de la Salud (OMS). En la figura 2.2, se muestra la estructura y composición del grano de maíz. Como se obrserva, este está formado por un 5 % a 6 % de salvado o pericarpio, el germen representa entre el 10 % y el 14 % y en menor porcentaje el endospermo y el pedicelo. Su composición química varía en función de factores ambientales, pero en promedio contiene un 10,3 % de proteínas, 4,5 % de lípidos, 83,8 % de carbohidratos y 1,3 % de sales minerales. Las partes del grano también difieren en su composición química: el pericarpio se caracteriza por un alto contenido de fibra cruda; el endospermo tiene altos niveles de almidón, y el germen posee un mayor contenido de grasas.

Figura 2.2

Estructura de los componentes del grano de maíz

Elaboración propia

Caso de aplicación: Maltería Lima
2. Descripción del proceso de malteado y aplicación de tecnologías

En este capítulo, se describe como caso aplicativo los procesos y tecnologías limpias aplicadas por la Maltería Lima S. A.¹, la única empresa dedicada a la elaboración de malta y maíz desgerminado en el Perú. Maltería Lima pertenece a la cervecera belga-brasileña Anheuser-Busch InBev (AB InBev), que ocupa el primer lugar en ventas en el mundo (una de cada tres cervezas que se venden en el planeta pertenece a esta empresa). En el 2015, AB InBev compró a la cervecera británica SABMiller, sociedad matriz de Baviera, propietaria de la italiana Peroni, la checa Pilsner Urquell, las peruanas Cristal, Pilsen y Cusqueña, la holandesa Grolsch, la argentina Isenbeck, entre otras. Asimismo, AB InBev comercializa productos de la estadounidense Budweiser, la mexicana Corona, la belga Stella Artois, Beck’s, Bud Light, Skol, la brasileña Brahma, la argentina Quilmes, Labatt’s Blue, Michelob, Harbin, Sedrin, Leffel, Cass, Paceña, Klinskoye, Sibirskaya, Gilde, Chernigivske, Jupiler, etcétera.

Maltería Lima fue parte de la planta industrial Unión de Cervecerías Peruanas Backus y Johnston; actualmente, pertenece a AB InBev. Se ubica en el km 18,5 de la Carretera Central, en Ñaña, distrito de Chaclacayo, en la región Lima. A la planta industrial se accede por la Carretera Central y el ferrocarril; tanto desde la Panamericana Sur como la Norte y el puerto del Callao, se conectan por la vía Evitamiento con la autopista Ramiro Prialé hasta el puente Huachipa, para ingresar a la Carretera Central hasta Ñaña, en Chaclacayo. La cebada y la malta solo se transportan por vía terrestre mediante camiones. La totalidad de la cebada utilizada en el proceso de producción de malta por la Maltería Lima se importa de Argentina y del norte de Europa (Noruega y otros países); si bien hasta el año 2004 se empleaba la cebada nacional, desde entonces se dejó de usar debido a la mala calidad de los granos, así como al alto contenido de impurezas y la poca capacidad instalada en lo que concierne a la producción en el mercado nacional. Esta empresa solo cubre el 50 % de la demanda peruana de malta para la fabricación de cerveza; el otro 50 % restante se importa de Argentina, Canadá y Chile.

La producción de malta cervecera a partir de granos de cebada es de 89 000 toneladas por año (t/a) y se realiza en batches (lotes) en los procesos de remojo, germinación y secado. En la actualidad, Maltería Lima es el eje principal para la distribución y elaboración de la cerveza en sus diferentes plantas productoras. Asimismo, la empresa produce 64 700 t/a de maíz desgerminado, que se utiliza como adjunto en la fabricación de cerveza. El mayor consumo de energía eléctrica ocurre en el proceso de remojo, germinación, secado, limpieza y transporte, generación de aire frío y en el tratamiento de efluentes, mientras el consumo de la energía térmica se registra en el secado.

Como parte de su estrategia de competitividad y responsabilidad social, cuenta con diversas certificaciones, tales como la ISO 9001, que certifica la calidad en los procesos y el producto; la ISO 14001, que se refiere a la protección del medio ambiente y el uso racional de los recursos; el sistema OHSAS 18001, concerniente a la seguridad y salud ocupacional, y el sistema de análisis de peligros y control de puntos críticos (HACCP) relacionado con la norma ISO 22000 de sistema de gestión de seguridad alimentaria. Estas certificaciones generan beneficios económicos y fortalecen la imagen de la empresa al demostrar su continua responsabilidad en cuanto a la reducción de los impactos ambientales en las diferentes etapas de proceso de elaboración de malta.

En general, el proceso de transformación de la cebada en malta consta de las etapas de recepción, almacenamiento, limpieza y clasificación, remojo, germinación, secado y tostado, así como desgerminación, almacenamiento y distribución de la malta. En la figura 2.3, se aprecia la secuencia del proceso de elaboración de la malta en la Maltería Lima, a través del diagrama de bloques.

El diagrama de flujo del proceso de malteado se presenta en la figura 2.4, donde se puede observar el uso de diferentes equipos tecnológicos en cada una de las etapas, así como la aplicación de tecnologías limpias. Esto permite lograr una óptima eficiencia en la productividad en la planta industrial de Maltería Lima. Finalmente, como parte del desarrollo de este acápite, líneas abajo se describen en detalle las diferentes etapas del proceso maltero.

Figura 2.3

Diagrama de bloques del proceso de transformación de la cebada en malta

Elaboración propia

Figura 2.4

Diagrama de bloques del proceso de transformación de la cebada en malta

Elaboración propia

2.1 Recepción y limpieza preliminar del grano de cebada

En general, las industrias malteras efectúan una serie de controles durante la recepción de la cebada para verificar que esta cumpla los siguientes parámetros: los granos deben ser gruesos y redondeados, de tamaño uniforme, de una determinada variedad y con un olor fresco y pajoso (el exceso de carga microbiana emite un olor característico y es fácil de detectar); el color tiene que ser amarillo claro, la cascarilla fina y rizada; se revisa también la vitalidad del germen y que los contenidos de proteína y humedad sean los adecuados. Una vez conocidas las características físicas y la composición química de la cebada, así como el proceso de malteado, será posible comprender cuáles son los factores determinantes que afectan a la calidad del producto final de la malta. Igualmente, la cebada no debe contener ningún tipo de infección de microorganismos y bacterias, ni granos rotos o semillas de otros cereales.

El proceso comienza con la entrada en planta de los camiones que transportan la cebada desde el puerto del Callao y son registrados. Posteriormente, se dirigen al área de recepción, que consiste en la cabina o cámara de recepción cerrada donde se descarga la cebada en una tolva. Esta se encuentra situada por debajo del nivel de descarga y dispone de unas rejillas que evitan el paso de materiales gruesos. El área de recepción cuenta normalmente con una cubierta superior y tiene cerrados los laterales para evitar el arrastre de polvo y partículas hacia el exterior por acción del viento. También existen cámaras de recepción herméticamente cerradas, en cuyo caso se trata de descarga cerrada a presión negativa (menor que la presión atmosférica).

Al ser descargada, la cebada pasa por una limpieza preliminar, que es una actividad de tipo cualitativo en la que se verifican las propiedades organolépticas del cereal. Se comprueba la homogeneidad del tamaño y que el grano se encuentre libre de elementos extraños visibles, como granos rotos, otras semillas, heces de roedores, metales y piedras; vale decir que la limpieza de la cebada consiste en retirar sustancias ajenas a la misma, principalmente los granos dañados, inútiles, inmaduros o verdes que pudieran existir. Para este proceso se utilizan distintos equipos que se instalan de manera secuencial, tales como electroimanes, tamices de diferentes grosores o mesas densimétricas, antes del traslado del grano a los silos de almacenamiento. Es usual que en la etapa de recepción, como parte del protocolo, se efectúen pruebas de laboratorio con la finalidad de determinar, entre otros, el grado de humedad, la viabilidad de la germinación y la calidad de la cebada. Igualmente, en esta etapa se separan los sólidos finos mediante la aplicación de un sistema de ventilación o a través de un sistema de cribado cerrado, el cual dispone de equipos de aspiración para mantener el circuito con presión negativa. Después, la cebada va al almacenamiento, que tiene como función, además de la puramente logística, conseguir que el grano supere el período de lactancia, también denominado dormancia, necesario para el proceso de germinación. Una vez finalizada la etapa de almacenamiento, se procede a seleccionar y limpiar el grano para obtener un rendimiento adecuado del proceso y la calidad de malta deseada.

Figura 2.5

Descarga de cebada de un camión en tolva de la cámara cerrada de recepción

Fotos: Arístides Sotomayor*

En la figura 2.5 se observa en la Maltería Lima (que importa el 50 % de la demanda nacional de malta), la descarga de un camión de cebada en la tolva de la cámara de recepción cerrada, donde se visualiza un sistema de cribado y equipo de aspersión de polvo y partículas de cebada y malta. La tolva tiene una capacidad de 30 toneladas por hora (t/h). En la industria maltera, como se ha indicado, es habitual la práctica de inspección de los aspectos que comprende el proceso de recepción:

• Como parte del control de rutina, el malteador inspecciona visualmente el grano de cebada. Puede detectar con facilidad el olor característico, en caso de que tenga un contenido de carga microbiana alta.

• En empresas con avanzadas tecnologías, se suelen utilizar equipos de conductividad eléctrica o de espectrometría para determinar el grado de humedad. La cantidad de proteínas se mide por reflectancia en el infrarrojo y la viabilidad de los embriones se estima sumergiendo los granos en una solución de sal de tetrazolio.

• Es recomendable mantener la cebada seca y a baja temperatura para preservar la estabilidad de sus propiedades.

• Cuando la cebada suministrada por el proveedor contiene un grado de humedad superior al 15 %, debe secarse antes de la descarga.

• El proceso de secado debe ser lento y a una temperatura gradual para mantener viable el contenido embrionario de la cebada.

• El alto contenido de humedad en la cebada facilita la presencia de insectos y hongos que la dañan, ya que el metabolismo de estos genera agua y eleva la temperatura, lo que potencia la expansión de la infección.

En la industria maltera, en otros países en vías de desarrollo, el proceso de recepción se realiza todavía en espacios semicerrados, donde también cabe la posibilidad de recuperar parte del polvo generado en esta etapa mediante un sistema de aspiración localizado en la zona de descarga; luego el aire aspirado se purifica por medio de un ciclón o filtros de mangas antes de su emisión al medio ambiente. En el pasado, en la compañía Maltería Lima, las operaciones de descarga en la etapa de recepción tanto de la cebada como de la malta importada se realizaban en una tolva en espacio abierto. Esto generaba la contaminación del medio ambiente porque el polvo y las partículas eran arrastrados por acción del viento hacia las zonas colindantes de la empresa, y el efecto alcanzaba incluso a las zonas urbanas del área de influencia. Para evitar este impacto negativo, la empresa, como parte de su política ambiental y mejora continua de sus procesos, incorporó la aplicación de tecnologías limpias instalando una cámara de recepción cerrada. Esta permite el control de la emisión de partículas al exterior, ya que mantiene el aire en el interior de la cámara a presión negativa; es decir, la corriente de aire es aspirada y pasa por una secuencia de equipos que, por un lado, impiden la contaminación del ambiente y, por otro, el polvo y las partículas que surgen en el proceso de recepción son reaprovechados como subproductos, lo que, finalmente, también trae beneficios económicos para la compañía.

El polvo y las partículas producidos durante el proceso de descarga son aspirados mediante un sistema de aspiración, el cual alimenta al ciclón con filtro de manga, que retiene el polvo y las partículas de cebada. Por otro, el aire se purifica al pasar por una torre compuesta por un equipo aspirador que expulsa el aire purificado al medio ambiente y por un silenciador que controla el ruido ocasionado, por lo que evita la contaminación acústica. De esta manera, tal como se puede apreciar en la figura 2.6, tanto el polvo como las partículas de cebada y malta se recuperan como subproductos que son almacenados en los silos (en la Maltería Lima, los silos tienen una capacidad de 20 t y 25 t) y, a continuación, en sacos para su posterior distribución y venta.

Figura 2.6

Recuperación de subproductos de polvos y partículas de cebada y malta

Como en toda actividad industrial, es usual la existencia de riesgos. Por eso las malterías realizan controles periódicos de calidad tanto de los granos de cebada como de la malta importada, a fin de evitar la no conformidad con lo establecido sobre los límites legales máximos de contaminación, fundamentalmente, en lo que se refiere a la presencia de elementos fitosanitarios, metales y otros extraños. Por ello, como parte de las medidas preventivas, se exige a los proveedores el cumplimiento de la calidad y volumen concertados en las condiciones contractuales; además, es obligatorio un certificado sobre la seguridad y salubridad de los productos debidamente acreditados. En caso de incumplimiento de las especificaciones requeridas, se procede al rechazo del grano o de la malta no conforme y a la devolución al proveedor, registrándose las incidencias referidas a la fase de recepción y las medidas correctivas adoptadas.

2.2 Almacenamiento de la cebada

La materia prima, es decir, el grano de cebada, una vez descargada de los camiones en la tolva de recepción, se almacena temporalmente en silos para su posterior procesamiento. Según las variedades y las condiciones climáticas, el período de dormancia de las semillas por lo general es corto, pero en muchos casos la cebada puede permanecer en los silos por más de un año hasta pasar a la siguiente etapa del proceso.

Antes de ingresar al almacenamiento, el grano debe ser bien limpiado y asegurarse de que este sea de buena calidad. Ya en el almacén, se tiene que controlar las condiciones idóneas de temperatura y humedad; además, se aplican comúnmente insecticidas con el fin de impedir la aparición de plagas que malogren la calidad del grano. En el almacenamiento en los silos, existe poco oxígeno, lo que provoca una mínima generación de CO₂ y calor, que podría afectar de manera negativa a su calidad. Para controlar este hecho, Maltería Lima, por ejemplo, inyecta aire del exterior a baja temperatura mediante un intercambiador de calor, lo cual también evita el riesgo del inicio de una combustión.

La cebada seca y a baja temperatura es más estable en sus propiedades. Por eso, cuando el contenido de agua es superior al 15 %, se la suele secar antes de su almacenamiento. Por otro lado, la elevación de temperatura tiene un efecto positivo, ya que reduce el tiempo requerido para terminar el estado de reposo (período durmiente). Así, para lograr los parámetros adecuados, se recomienda que el grado de humedad se mantenga alrededor del 12 % y la temperatura de almacenamiento no supere los 25 °C en un período de 7 a 14 días. Después de ese tiempo, se sugiere reducir la temperatura a 15 °C para facilitar las operaciones de limpieza y clasificación de los granos según su tamaño. Además, el traslado de los granos de un silo a otro en grandes volúmenes contribuye a regular la temperatura y a provocar la oxigenación necesaria para que los embriones respiren y tengan la calidad exigida.

Cuando la cebada se encuentra seca o deshidratada después de la cosecha, se puede mantener en condiciones ambientales, salvo en el caso de que las propiedades del grano se vean alteradas se tendrá que aplicar el sistema de enfriamiento. Sin embargo, si el grano está húmedo, puede ser atacado con facilidad por insectos y hongos que causan el deterioro de su calidad, ya que el metabolismo de estas especies invasoras genera agua y eleva localmente la temperatura, lo que favorece la propagación de la infestación. Los microorganismos que son capaces de desarrollarse en los granos de cebada son mohos, levaduras y bacterias, entre los que destacan los hongos del género Aspergillus, cuyo grado de transmisión es muy alto. En la malta, los insectos más habituales son el escarabajo de dientes de sierra, el gorgojo y el escarabajo plano; el escarabajo Khapra puede reproducirse en el grano a muy bajos niveles de agua, incluso en el producto final de la malta hasta con un 2 % de humedad. Por esta razón, se suele recurrir a un secado artificial, pues ofrece la ventaja de que reduce rápidamente el nivel de agua contenida en el grano y, de esta manera, evita que se alteren sus características.

El grano seco se transporta de la tolva de recepción a los silos de almacenamiento mediante fajas transportadoras, si bien también se puede usar un sistema de cangilones o tornillos sin fin. Maltería Lima dispone de 24 silos de concreto con forma rectangular y base cónica con una capacidad de 350 t cada uno para el almacenamiento de la cebada y de 250 t cada uno para la malta, que almacenan en total unas 18 000 t.

2.3 Limpieza y clasificación

La cebada de los silos de almacenamiento, antes de pasar al proceso de remojo, debe ser limpiada y clasificada. Para ello, se la somete a una secuencia de equipos de clasificación y limpieza hasta obtener una cebada limpia y de tamaño homogéneo, libre de impurezas que podrían causar problemas en el proceso de elaboración de la malta. La cebada es clasificada por tamaño desechando los granos que no tienen la calidad requerida, de acuerdo con las especificaciones técnicas definidas por las empresas cerveceras y malteras, así como por las guías de organismos internacionales, tales como la Unión Europea y la norma técnica de manejo de malta y cebada en México. En la empresa Maltería Lima, el sistema de clasificación y limpieza tiene una capacidad de 30 t/h.

El proceso de clasificación por tamaño se realiza por un sistema secuencial de balanzas o tamices, que permite separar la cebada de segunda y tercera categoría (granos enteros o trozos), que no es idónea para la elaboración de la malta, así como los polvos finos y cascarillas desprendidas por fricción, los cuales son derivados normalmente como subproducto para su almacenamiento y posterior venta a empresas que elaboran alimento para ganado. Por otra parte, la limpieza de la cebada consiste en descartar sustancias no deseadas, tales como granos dañados, verdes, heces de roedores y piedras, entre otros. Finalmente, la cebada seleccionada se vuelve a pesar y es trasladada mediante una faja transportadora a las tolvas de despacho, cuya capacidad es de 25 t/h, para continuar con el proceso de producción de malta.

En México, por ejemplo, los parámetros de calidad de la cebada maltera se rigen por la norma NMX-FF-043-SCFI-2003, que exige pruebas de laboratorio para verificar las propiedades fisicoquímicas de la cebada que son de gran importancia para la obtención de una malta de calidad (véase la tabla 2.2).

Tabla 2.2

Parámetros y especificaciones de calidad de la cebada maltera

Parámetros de control	Especificaciones técnicas
Humedad	Varía entre 11,5 % y 13,5%
Tamaño de grano para uso en maltería	Mínimo 85 % del total de la muestra
Granos quebrados	Máximo 5 %
Impurezas	Mínimo 2 %
Granos dañados	Máximo 10 %
Germinación mínima	Mínimo 85 %
Mezcla con otras variedades	Máxima 10 %
Peso hectolítrico	56 kg/L (cebadas de dos hileras)58 kg/L (cebadas de seis hileras)
Olor	Propio del grano y sin olores extraños
Residuos tóxicos	Sin presencia de residuos tóxicos
Contaminantes o toxinas	Sin contaminación

Elaboración propia a partir de Secretaría de Economía de México (2003)

Además de las propiedades fisicoquímicas, la cebada maltera seleccionada debe incorporar otros parámetros específicos de calidad. El contenido de nitrógeno ha de estar en rangos de 1,5 % a 2,1 %, el de proteínas entre 8,3 % a 12,3 % y el de β-glucanos en un 31 %, lo que se establece con los métodos usualmente aplicados para este tipo de actividad. Asimismo, no deben tener altas cantidades de lípidos, no más de 3 % a 4 % del peso total del grano seco, ya que la oxidación de las grasas torna turbia a la cerveza. En cuanto al contenido de carbohidratos, en especial azúcares y almidón, este tiene que ser alto con el fin de garantizar una fermentación eficiente en el proceso de elaboración de cerveza. En la tabla 2.3, se puede apreciar la influencia de las características del grano de cebada en los beneficios para la malta.

Tabla 2.3

Beneficios para la malta según las características de la calidad de la cebada

Características de la cebada	Beneficios para la malta
Granos grandes con superficie lisa y sin partir, con cascarilla fina y de color amarillo claro.	Se garantiza la calidad de un malteado homogéneo.
Granos sanos sin daños físicos ni contaminados por mohos y libres de material extraño, como insectos y piedras.	Durante la elaboración de la malta, existirá un mayor rendimiento del grano de cebada.
Endospermo del grano blanco y harinoso con un aspecto brillante.	El rendimiento en el proceso de la malta es mayor.
Granos de cebada con una adecuada hidratación.	Acelera el proceso de malteado.
Gran capacidad de desarrollar los complejos enzimáticos requeridos.	La presencia de enzimas es necesaria para el malteado.

Elaboración propia a partir de Secretaría de Economía de México (2003)

2.4 Proceso de remojo de la cebada

Antes del proceso de remojo propiamente dicho, se mezcla en un tanque agua y cebada en una proporción de un 60 % de cebada y un 40 % de agua. Posteriormente, en la etapa de remojo, se sumerge por completo el grano de cebada en tinas de acero inoxidable que tienen la forma de un cilindro cónico o de fondo plano. El objetivo es aumentar el contenido de humedad del grano de 12 % a 46 %, aproximadamente, que es el punto de inicio del proceso de germinación, donde la presencia de agua es determinante para llevar las sustancias a través del endospermo a fin de nutrir al embrión.

Tal como se ha indicado, la humedad final que debe tener el grano en el remojo es superior al 40 %; sin embargo, es difícil alcanzar este valor, debido a la lenta absorción de agua por el grano de cebada. Durante el proceso de remojo, la cebada, que en realidad ya es la semilla, se desarrolla y experimenta una serie de transformaciones como la respiración del grano, que consiste en el consumo de azúcares del endospermo y liberación de agua, anhídrido carbónico y calor. Se sabe que el embrión absorbe rápidamente el agua; por el contrario, el endospermo sufre una hidratación más lenta. En general, la capacidad de hidratación de la cebada depende fundamentalmente del tamaño del grano, variedad, temperatura y tiempo de remojo. En lo que se refiere a los gránulos de almidón, los pequeños tienen mayor capacidad de absorción de agua y alcanzan un 33 %, mientras que los de mayor tamaño absorben el agua más lentamente. Conforme pasa el tiempo de remojo, la semilla de cebada aumenta su tamaño hasta un 25 %, se produce un ablandamiento de las células y se activan las enzimas presentes en el grano para dar inicio al proceso de germinación.

Comúnmente, el proceso de remojo consta de dos etapas: la fase de inmersión de la cebada en un flujo constante de agua y la fase de oxigenación, que consiste en un suministro de oxígeno. Esta última es muy importante para la respiración del embrión, porque la demanda de este gas aumenta considerablemente en el agua de remojo; además, promueve la formación de α-amilasa. En ausencia de oxígeno, el embrión puede metabolizar anaeróbicamente, pero de manera poco eficaz, convirtiéndose en dióxido de carbono y alcohol. Por eso, conforme se incrementa la concentración del alcohol, este se convierte en tóxico para el grano de cebada; por el contrario, el exceso de dióxido de carbono inhibe la formación de enzimas. Una buena práctica en el proceso de remojo supone cumplir, entre otros aspectos, lo siguiente:

• El grano de cebada no debe contener sabores extraños que no sean los propios del producto, por lo que se recomienda siempre la utilización de agua potabilizada.

• Previamente, los granos tienen que ser humidificados según algunos factores como la variedad de cebada —debido a la diferencia de permeabilidad del pericarpio—; la temperatura, que si es más alta aumenta la velocidad de absorción del agua; el tamaño de los granos, ya que los pequeños se humedecen rápido; y el contenido de proteína, pues cuanto más elevado sea, se hace más difícil la humidificación.

• Para la respiración de los granos, es importante el suministro adecuado de oxígeno para evitar la acumulación de dióxido de carbono y reducir los procesos fermentativos.

• La temperatura ha de estar ajustada a las condiciones ideales del proceso de remojo para facilitar la absorción eficiente del agua e impedir el desarrollo de microorganismos.

La operación de remojo normalmente tiene una duración promedio de dos a tres días y mantiene una temperatura cercana a los 16 °C. Asimismo, en el tiempo de remojo, se deben producir períodos de oxigenación cada 6 a 8 horas, a los que se denomina descansos de aire. Para ello, entre los períodos de operaciones de remojo, el agua se drena y se inyecta aire para expulsar (eliminar) la formación o acumulación de CO₂; de esta manera, se reduce la temperatura producida por la respiración del grano de cebada. Por lo general, la temperatura en el lecho del grano oscila entre 10 °C y 26 °C, y la cebada incrementa su contenido en agua de 30 % a 50 %. Sin embargo, tanto la temperatura de la masa del grano como el contenido de humedad del mismo, al final de la operación de remojo, puede variar según la tecnología disponible, los parámetros técnicos del proceso, la materia prima y las características del producto final (malta) que se desea obtener. Así, una temperatura elevada del agua puede ocasionar problemas al favorecer la absorción de agua y, en paralelo, puede facilitar la proliferación incontrolada de microorganismos que se encuentran en la cebada y que absorben el oxígeno disuelto, lo que ocasionaría la asfixia del grano.

La técnica de remojo consiste en el llenado de los tanques o depósitos con cebada limpia y clasificada junto con agua. Un vez colmado el tanque, se producen reboses de agua que eliminan las impurezas, que flotan como resultado del lavado de la cebada. Al mismo tiempo, el depósito lleno de cebada se conecta a un sistema de inyección de aire que evita el desarrollo de fermentaciones y la asfixia del grano. Después de la primera parte del remojo, se procede al vaciado del agua y, desde la base del tanque, se realiza la operación de aspiración del dióxido de carbono acumulado; luego se aplica una aspersión con agua sobre la superficie del lecho del grano y se continúa nuevamente con el llenado del tanque con agua. En esta fase, algunos malteros aprovechan para añadir ciertos productos junto con el agua, como los antisépticos, los activadores de germinación como el peróxido de hidrógeno hasta compuestos alcalinos como el carbonato de sodio (Na₂CO₃) en cantidad de 160 g/hl, el hidróxido de sodio (NaOH) de 35 g/hl y el carbonato de calcio (CaCO₃) entre 10 a 20 g/hl, con el fin de acelerar la disolución de las sustancias de la cascarilla.

Por tradición, el remojo de la cebada se realiza por inmersión del grano en el agua con inyección de oxígeno, aunque también existen otros métodos como el remojo por dispersión de agua o el sistema espray en agua fluida y caliente. En la práctica, el proceso de remojo se da por terminado a través del seguimiento de la humedad o, en ocasiones, por simple experiencia del especialista al identificar el aspecto o color del grano. Si bien algunas plantas malteras detienen la operación a las 24 horas de haber iniciado el proceso, otras, en cambio, pueden prolongar el remojado hasta por aproximadamente 48 horas, cuando el grano presenta una raicilla claramente visible. El tiempo de duración del proceso de remojo es determinante para la siguiente operación: la germinación, que requerirá de más tiempo si el proceso de remojo se ha realizado en un período muy corto; por el contrario, el proceso de germinación será más corto cuando la cebada haya empezado a germinar durante la operación de remojo.

En la figura 2.7, se observa el proceso de remojo del grano en la empresa Maltería Lima, que aplica en sus operaciones tecnologías limpias en cumplimiento de los estándares internacionales, cuyo reconocimiento demuestra con sus certificaciones ISO. El remojo se realiza en tanques de acero inoxidable, denominados tinas, con forma cilíndrica y base en forma de troncocónico, donde se alterna ciclos de carga y descarga de grano, agua, oxigenación y extracción del dióxido de carbono. En esta planta, la temperatura promedio del remojo es cercana a los 18 °C y, para que el grano absorba la mayor cantidad de agua hasta alcanzar el 46 % de humedad, se requiere de un tiempo aproximado de entre 26 y 48 horas. Por supuesto, estos parámetros dependen de la temperatura del agua, la finura de la cascarilla y la estructura interna de la cebada. La empresa dispone de 14 tinas, de las cuales 4 son de 35 t de capacidad y 10 tinas de 25 t, en las que, como parte de la operación de remojo, el grano se sumerge en agua y, después del período de maduración, el agua se separa (escurre) del grano para dar inicio a la fase de germinación. En esta etapa, se inyecta aire para la extracción del CO₂ acumulado en el proceso de remojo de cebada. Igualmente, durante el remojo, se generan espumas en la parte superior de la tina (material flotante, que es la grasa de la cebada), las cuales son vertidas junto con el efluente hacia la planta de tratamiento. Cabe indicar que todas las operaciones del proceso se llevan a cabo en un ambiente continuamente oxigenado con aire frío a través de un intercambiador para garantizar condiciones óptimas.

El equipo básico de remojo se compone de una tina de acero inoxidable, con accesorios de inyectores de aire a presión colocados en la base, cuya operatividad cubre todo el perímetro de la tina con una capacidad de 1,5 m³/h de caudal; en el fondo de la tina, se encuentra incorporada una rejilla para el vaciado del agua, que es la fase considerada como el período en seco, e igualmente sirve para la aspiración del dióxido de carbono. En la parte superior, se ubica el punto de rebose (rebosadero) para el lavado de la cebada y el pulverizador para añadir agua por aspersión a los granos de la superficie durante los denominados períodos en seco. Finalmente, se utiliza el sistema de bombeo para el vaciado y traslado de la cebada a las cajas de germinación por medio del agua. Una vez terminado el remojo, el agua empleada durante el proceso de fermentación cambia en su composición (se contamina), debido a que la cebada, por lo general, puede contener materiales solubles, microorganismos u otras sustancias naturales indeseables que alteran la operación de malteado. Por ello, es muy importante que durante el proceso de elaboración de malta se cambie el agua, por lo menos una vez. El efluente resultante de esta etapa es derivado hacia la planta de tratamiento.

Figura 2.7

Proceso de remojo de la cebada en Maltería Lima

Elaboración propia del dibujo (a) basada en las fotografías (b)

2.5 Proceso de germinación

La cebada remojada con suficiente humedad, con oxígeno disponible y a la temperatura adecuada es trasladada y cargada en las cajas de germinación, donde continúa con el siguiente proceso activo. En él se produce una serie de modificaciones morfológicas, químicas y biológicas, que se conocen como germinación. En cuanto a la morfología de la cebada, se desarrolla la radícula constituida por tres o cinco raicillas; la plúmula agujerea la testa, pero no las glumelas exteriores, y las células del epitelio se hacen menos transparentes, por lo que este queda quebradizo y se produce la desagregación del grano. En términos bioquímicos, el embrión empieza a segregar la enzima hemicelulosa, que es la responsable de la desagregación de la estructura del endospermo, además de otras como las proteasas, las fitasas y las amilasas, que rompen el almidón en azúcares fermentables. Todas estas enzimas actúan en el proceso de germinación, según la variedad de cebada, humedad, temperatura y aireación.

Como se ya ha mencionado, el objetivo de la germinación de la cebada es iniciar el proceso biotecnológico natural de producción de enzimas con la finalidad de facilitar la transformación del almidón presente en el endospermo. La energía requerida para la formación de enzimas proviene del consumo de azúcares y grasas. Durante el proceso de germinación, una cuarta parte de los componentes grasos se degrada. Asimismo, dado que la degradación de los azúcares es exotérmica, el lecho de la cebada en el proceso de germinación aumenta su temperatura de manera espontánea. Por eso, una vez que el grano haya absorbido el agua necesaria con oxigenación adecuada y a la temperatura conveniente, el embrión pasa de una fase de vida latente a una etapa activa, lo que provoca la secreción de enzimas. Estas se expanden por todo el endospermo y desdoblan el almidón, las proteínas, los fosfatos orgánicos y las grasas, lo que facilita el desarrollo de las raicillas en la base externa del grano de cebada, mientras que en la plúmula empieza a producirse la disolución de las paredes celulares. Debido a esta disolución, el endospermo se vuelve friable, a lo que se denomina desagregación de la malta. Cuando el grano ha alcanzado bastante carga enzimática y el endospermo ya se encuentra disgregado, se procede a disminuir la humedad por medio de un secado, a fin de detener la germinación. Cuanto más haya avanzado la germinación, se generan mayores cantidades de mermas en el proceso; por consiguiente, desde la perspectiva industrial, se producen mayores pérdidas en extracto.

El consumo de azúcares y grasas, junto con las raicillas, constituyen las llamadas mermas o pérdidas de malta con respecto a la cebada. Por esta razón, es muy importante finalizar la germinación cuando la malta se encuentre totalmente desagregada. De lo contrario, el desarrollo del embrión, la formación de raicillas que posteriormente se pierden y la combustión de una parte de los hidratos de carbono debido a la respiración del grano generan mermas, las cuales deben ser reducidas al mínimo. Entonces, los malteros deberán detener la germinación en el momento adecuado. Si el período de germinación es muy corto, se producen pequeñas cantidades de merma, pero se puede dar el caso de una desagregación insuficiente; en cambio, cuando el tiempo de germinación es demasiado largo, la malta estará bien desagregada, pero la merma que resulta del proceso tendrá poco valor comercial.

En resumen, las amilasas del grano de cebada estimulan la hidrólisis de los tejidos de almidón activando los embriones (se produce la ruptura de la pared del embrión por el germen), lo que origina azúcares fermentables. De esta manera, el grano libera las enzimas necesarias para las siguientes etapas de maceración y fermentación, donde se desarrollan las raicillas y plántulas. En general, este proceso se suele llevar a cabo a una temperatura óptima entre 12 °C y 20 °C, en un tiempo aproximado de 4 a 5 días.

Una vez que los granos de cebada han adquirido la humedad adecuada en la fase de remojo, estos se extienden en cajas rectangulares formando capas de más de un metro de espesor. Para lograr una mejor homogeneidad y evitar la aglomeración en el proceso, los granos son removidos mediante equipos helicoidales o palas. Además, en esta fase, se realiza un rociado por aspersión con solución de nutrientes y se oxigena por inyección de aire por la parte inferior de la caja, de manera que el grano pueda respirar durante el proceso. Vale decir que se regulan los parámetros de humedad, temperatura, tiempos y condiciones específicas de las operaciones durante la germinación, a fin de reducir las pérdidas de extracto por crecimiento y respiración, además de obtener un grano óptimo y equilibrado de color. Esta es una característica condicionante para la etapa de secado.

Estos parámetros se pueden observar en el caso aplicativo de análisis de las técnicas de germinación en la planta Maltería Lima, que se muestran en la figura 2.8. En esta empresa, las cajas del proceso de germinación de la cebada, así como los equipos utilizados para la remoción de esa operación, evidencian la implementación de tecnologías innovadoras, que hacen eficiente y eficaz el proceso de producción de la malta, tanto en términos técnicos como ambientales. Maltería Lima cuenta con 16 cajas de germinación, de las cuales 8 tienen una capacidad de 75 t cada una, mientras que la capacidad de cada una de las cajas restantes es de 69 t. La maduración del grano de cebada termina en un período de cuatro días a una temperatura cercana a 18 °C y una humedad de alrededor del 46 %. En estas condiciones, las enzimas y proteínas que posee el grano se transforman en azúcares fermentados, que son un factor determinante para la elaboración de cerveza. Las operaciones de germinación se llevan a cabo en cajas germinadoras que son alimentadas (cargadas) a través de un tornillo sin fin compuesto de un sistema helicoidal, cuya función fundamental es nivelar (emparejar) la carga en forma de surcos (lechos de hileras), remover la carga y realizar riego por aspersión de la malta cada 12 horas. Estas técnicas permiten realizar una germinación adecuada hasta obtener un producto ideal denominado malta verde.

Figura 2.8

Proceso de germinación de la cebada en la empresa Maltería Lima

Durante el proceso de germinación, se libera calor, por lo que es necesario refrigerar las cajas de cebada para mantener una temperatura constante en el lecho del grano. Por el contrario, una sobrecarga de aumento de temperatura podría acelerar el proceso de germinación, debido al incremento de la actividad vital del grano, lo que finalmente podría provocar el desarrollo de microorganismos. Para que la germinación alcance las condiciones óptimas, el grano debe ser distribuido en las cajas de manera homogénea en una capa o lecho de entre 0,7 m a 1,5 m de altura, considerando que en la germinación el espesor de la cebada crece; además, se tienen que formar huecos en el lecho, por donde atraviesa el aire de refrigeración inyectado desde el fondo de la caja, así como el riego con agua para saturar el aire de humedad; igualmente, se aplica el riego de agua por aspersión por la parte superior o techo de la sala de germinación para mantener la humedad adecuada y, cuando se utilizan nutrientes o aditivos, normalmente se dosifica su suministro junto con el riego de agua. Entre los aditivos más comunes destaca, entre otros, el ácido giberélico² de 0,1 mg/kg a 0,2 mg/kg, cuya función es activar la formación de enzimas. También se pueden añadir inhibidores como el bromato potásico, entre 100 mg/kg y 200 mg/kg, para evitar el crecimiento de raicillas.

Tradicionalmente, durante el proceso de germinación se produce un crecimiento de raicillas; y si el grano se mantiene en reposo, las raicillas comienzan a entrelazarse, lo que causa que se apelmacen en el lecho del grano. Por ello, Maltería Lima realiza cada 12 horas y durante 4 días la remoción de las semillas por medio de unos tornillos sin fin en forma vertical, que se desplazan lentamente a lo largo de la caja donde las semillas se distribuyen formando una capa de 1 m de espesor, en promedio, para evitar el entrelazamiento de las raicillas a medida que estas aumentan de tamaño. Al enredarse las raíces entre sí, obstaculizan la penetración de oxígeno a las semillas que se encuentran en el fondo de la caja. Cabe recordar que en esta etapa se da un proceso respiratorio en el grano y, como consecuencia, se produce la liberación de dióxido de carbono; por este motivo, mientras el grano permanece en la caja de germinación se debe realizar la remoción o circulación del oxígeno existente en las capas de la cebada mediante la inyección de aire atmosférico desde el fondo de la caja. Ello produce una deshidratación superficial que tiene que ajustarse de manera adecuada a los parámetros de temperatura y humedad, para lograr un crecimiento óptimo de las raicillas de la cebada.

Una vez terminado el proceso de germinación, el producto final se conoce con el nombre de malta verde. Esta es sometida a una corriente de aire estéril a una temperatura de 25 °C, a fin de reducir la humedad que contiene. De esta manera, se disminuye el desarrollo de microorganismos, la formación de mohos y la presencia de insectos, que pueden aparecer por el control inadecuado de los parámetros específicos durante el proceso de germinación. Finalmente, el efluente generado en esta etapa es enviado a la planta de tratamiento, donde se lleva a cabo la operación técnica de descontaminación para su posterior vertido al río Rímac o su uso en los jardines de la planta.

2.6 Secado y tostado

El proceso de secado y tostado consiste en el suministro de calor a la malta verde para detener la degradación del almidón y reducir la humedad aproximadamente entre un 2 % y 5 %. De este modo, se trata de garantizar la estabilidad de la malta durante el período de almacenamiento. En otras palabras, el secado de la malta busca paralizar la actividad enzimática desencadenada en la operación de germinación sin destruir las enzimas. En esta fase, se definen las características finales de color y sabor, así como las propiedades organolépticas de la malta, en función del tiempo de aplicación y la intensidad del aire caliente al que es sometido el grano de semilla. En síntesis, el objetivo del secado o tostado de la cebada es interrumpir el proceso de germinación, lo que, finalmente, favorece las condiciones óptimas de conservación del grano porque reduce el nivel de humedad y fija las características físicas de color y aroma, que son los parámetros determinantes en la elaboración posterior, según el tipo de cerveza.

La operación de secado se caracteriza por un manejo apropiado de la temperatura para no destruir las enzimas desarrolladas en la fase de germinación, como α y β-amilasas, β-glucanasas, proteasas y dextrinasas, entre otras, que son muy susceptibles a la aplicación de altas temperaturas. Por ello, en el proceso de secado se requiere de un control riguroso de este factor. Se comienza normalmente a temperaturas que oscilan entre 35 °C y 50 °C, las cuales van en aumento hasta alcanzar alrededor de 75 °C para la elaboración de maltas claras y cerca de 100 °C para la obtención de maltas oscuras. Existen también operaciones de secado que se realizan manteniendo la temperatura constante, como ocurre en el caso de la malta caramelo, que se inicia a la temperatura más baja posible y esta no se incrementa, lo que beneficia a los procedimientos que permiten fijar considerablemente su propiedad de sabor. Asimismo, con el fin de garantizar una temperatura ideal y un grado de secado uniforme en las diferentes capas de la malta, es fundamental un mezclado homogéneo de los granos para obtener un producto de calidad.

Es conveniente diferenciar la etapa de secado y la de tostado. En ambos casos, las operaciones se realizan en hornos o secaderos de uno o dos pisos con inyección de aire caliente por la parte inferior de la caja. La operación de secado en hornos de un solo piso puede demorar entre 18 y 30 horas, mientras que en hornos de dos pisos toma entre 32 y 48 horas, según las variables de tiempo, humedad y temperaturas utilizadas, bien sea para la etapa de secado o de tostado. En este último, la humedad alcanzada es menor al 5 %. Las variedades de maltas obtenidas en esta etapa son las llamadas maltas pálidas, como el pale ale, lager y Pilsen. Entre las maltas de alto horneado se encuentran la malta tipo Viena, Múnich y aromatic. Por último, entre las maltas tostadas se consideran las Biscuit, Victory, Chocolat y Black Patent.

En general, los parámetros de secado (humedad, temperatura y tiempo) son muy variados y dependen de las características finales que se pretenda otorgar a la malta. Por ejemplo, cuando se usan temperaturas cercanas a 100 °C, la operación de secado se denomina curado, y se utiliza para las maltas oscuras, que sirven para la elaboración de cerveza ale. Del mismo modo, al finalizar el proceso de secado, las enzimas termolábiles, como las proteasas y las β-glucanasas, se encuentran en un proceso de cambio estructural (desnaturalizadas) de sus proteínas o ácidos nucleicos. Es decir, pierden su estructura nativa y las enzimas residuales se encuentran coaguladas, que son los parámetros determinantes en la elaboración de cervezas no turbias; en estos casos, el tiempo de secado de la malta puede durar de 16 a 60 horas.

De igual forma que en las etapas anteriores, en esta sección, se analiza el proceso de secado y tostado con los parámetros y variables aplicados en la planta de Maltería Lima, que son similares a los de otras plantas malteras, siendo el objetivo del proceso fijar o captar el sabor, el aroma y cortar definitivamente la fase de germinación. Las operaciones de horneado se realizan por lotes (batches), con un total de 4 batches de producción por día, para lo cual dispone de 4 hornos, 2 de los cuales tienen cada uno 75 t de capacidad y los 2 restantes, 66 t cada uno. El tiempo de la operación de secado demora 24 horas; comienza a una temperatura de 55 °C y con una humedad del 45 % hasta alcanzar al final del proceso la temperatura de 85 °C y una humedad del 5 %, por debajo de este valor se considera para el tostado. Estos parámetros son los ideales para la obtención del producto (malta seca) con la calidad requerida. Asimismo, durante el proceso de secado, se inyecta aire caliente suministrado por un generador eléctrico (calderas térmicas) que funciona con gas natural.

En términos generales, en el secado de la malta se podrían considerar cuatro etapas principales. La primera es la eliminación del agua libre, que consiste en la fácil disminución de la humedad de 45 % hasta un 23 %. En la etapa intermedia, la humedad se puede reducir hasta un 12 %, lo que da inicio a la minimización de la actividad enzimática; en esta fase, la temperatura de secado no debe superar los 50 °C, lo cual se lleva a cabo durante un período que va entre 12 y 24 horas. La tercera etapa es la eliminación del agua ligada, que aminora la humedad del 12 % hasta un 6 %. Finalmente, la última etapa comprende el curado de la malta, también denominado golpe de fuego, que consiste en la reducción de la humedad hasta alcanzar valores entre 2 % y 5 %, lo que permite eliminar el sabor de la malta verde. En estas dos últimas etapas, la temperatura de operación de calentamiento oscila entre 50 °C y 90 °C.

En la etapa de tostado, se pueden distinguir dos fases: la desecación, en la cual siguen los desdoblamientos enzimáticos y podría considerarse como la continuación del proceso de germinación; y la segunda fase, denominada golpe de fuego, en la que se producen solo reacciones químicas y químico-físicas entre los componentes de la malta. La aplicación óptima e inteligente de estas dos etapas es muy importante para la obtención de maltas más o menos aromáticas, coloreadas y más o menos enzimáticas. El secado de la malta se lleva a cabo industrialmente en un horno secadero, que tiene la forma de una caja rectangular. Allí se distribuye la malta en capas o mantos de 1 metro de espesor, aproximadamente, por donde recircula el aire caliente de manera directa con un control óptimo de la humedad y la temperatura hasta alcanzar los 4 °C a 5 °C. De esta manera, se garantiza el almacenamiento de la malta libre de contaminación de tipo microbiológico, fundamentalmente.

La etapa de horneado comprende la operación de secado que se complementa con el proceso de tostado. Esto ocurre cuando la malta se encuentra bastante desagregada, deteniéndose por completo la germinación para evitar la acción continua de las diferentes enzimas; de lo contrario, no se terminaría la actividad vital del grano. La germinación se detiene cuando el porcentaje de humedad está por debajo del 5 %, valor que se alcanza cuando se eleva la temperatura y favorece la conservación de la malta. Otras razones por las que se aplica el tostado de la malta son las de obtener diferentes tipos de este producto, según el modo de calentamiento y la temperatura alcanzada, lo que finalmente modifica su aroma y color.

En resumen, el secado de la malta se realiza para disminuir el contenido de agua del grano germinado mediante el suministro de aire caliente. En una primera etapa, se logra básicamente la deshidratación del producto y, al final del proceso, si se aumenta el aire caliente, se obtiene el tostado. Esta operación genera una serie de reacciones químicas entre los componentes del grano, las cuales confieren a la malta determinadas características organolépticas y tecnológicas. En el proceso, el grano de cebada es distribuido de manera homogénea en diferentes capas de espesor que pueden variar entre 0,7 m y 1,5 m, por donde circula en forma directa una corriente de aire caliente de 800 t/h a 1300 t/h. El aire previamente se calienta hasta alcanzar una temperatura máxima de 85 °C al final del proceso, mediante un generador de combustión a base de gas natural de alta eficiencia. El ciclo de secado y tostado de la malta se lleva a cabo usualmente en operaciones de batch: carga, calentamiento, enfriamiento y descarga de las cajas rectangulares del secadero de malta, donde ha permanecido por un tiempo de 20 a 24 horas durante los 360 días del año. Posteriormente, el grano seco se envía a los silos de almacenamiento de malta como producto terminado, pasando previamente por procesos complementarios, como la desgerminación y limpieza de la malta.

La obtención de un determinado tipo de malta es bastante complejo, ya que el sabor proviene de una serie de reacciones que se producen entre sus diversos componentes sometidos a altas temperaturas y, sobre todo, de los elementos con desdoblamiento, en especial de los azúcares y aminoácidos que permiten la generación de melanoidinas, productos coloreados y aromáticos. Estos elementos se siguen produciendo en la primera etapa de secado, cuando la temperatura todavía se mantiene alta; y en esta etapa las acciones de las enzimas son muy importantes. Así, un secado lento permite obtener una malta más aromática que en operaciones de secado rápido; sin embargo, a la hora de buscar la relación entre la humedad y temperatura, se debe tener muy en cuenta que las enzimas resistentes a altas temperaturas son mejores cuando la humedad también es más elevada, ya que, al momento de aumentar la temperatura, la malta debe estar ya seca para evitar la obtención de malta con un contenido de enzimas muy bajo. Por eso, en la práctica, no es recomendable aumentar la temperatura a más de 50 °C cuando la humedad está por encima de un 10 %.

Los equipos utilizados por la planta de Maltería Lima para el proceso de horneado de malta se pueden observar en la figura 2.9. Se trata de un ambiente cerrado donde se encuentra una caja rectangular accionada por un removedor helicoidal que se desplaza a lo largo de la superficie para un secado y tostado homogéneo. Asimismo, se puede ver el equipo de tornillo helicoidal que se emplea para trasladar el grano de cebada, después del proceso de germinación, al horno de secado, cuyas capacidades son de 66 t y 75 t cada uno, durante 350 días en el año. Tanto la operación de secado como la de tostado requieren de suministro de energía eléctrica para producir calor; en algunos casos, se usa también aire frío y gases comprimidos. En consecuencia, la energía eléctrica necesaria para la iluminación y las operaciones de funcionamiento de la planta incluye los compresores de frío, bombas, compresores, ventiladores, actividades de traslado y movimiento de materiales, además de sistemas menores como instrumentación y control, mediciones, informática y comunicaciones, entre otros. El calor para el horneado se puede generar, igualmente, por medio de la combustión de gas natural, mientras que la generación por comprensión de energía fría se precisa para la regulación de los parámetros en los procesos de remojo y germinación, para el accionamiento principalmente de los tornillos sin fin y helicoidales. Desde el punto de vista cualitativo y cuantitativo, es fundamental asegurar el suministro adecuado de los distintos recursos energéticos demandados por la planta de operaciones de la malta, considerando también las previsiones futuras como la existencia de planes de aumento de la producción, ampliaciones de capacidad, modernización e innovación tecnológica, entre otras. Esto, finalmente, se traduce en la viabilidad técnica, económica y ambiental para la implementación de un sistema de cogeneración de energía.

La evolución de la temperatura y la humedad en el proceso de horneado es determinante para la obtención de la calidad definitiva de la malta. Existen, en algunos casos, parámetros particulares y especificaciones técnicas que permiten garantizar las características ideales de la calidad de este producto, tales como los siguientes:

• La malta no debe ser sometida a un calor excesivo cuando todavía está húmeda, pues se produce la destrucción de las enzimas importantes. Estas, en un medio desecado, mantienen comportamientos termorresistentes que pueden llegar a soportar incluso hasta 105 °C, pero, cuando la humedad es alta, dependiendo del tipo de enzimas, se destruyen a bajas temperaturas.

• Los parámetros de humedad y temperatura no deben ser altos, ya que entonces se llevará a cabo la gelificación y endurecimiento del almidón, proceso denominado vitrificación. Los granos vítreos tienen algunas partes del endospermo endurecidas, las cuales no son adecuadas o útiles en el proceso de elaboración de cerveza.

• Es recomendable técnicamente incrementar la temperatura del grano de cebada por encima de 50 °C cuando el contenido de la humedad del mismo sea superior al 10 %.

• En la obtención de maltas pálidas, se debe evitar la excesiva acción protelítica; por ello, es conveniente el suministro de cantidades de caudales de aire a baja temperatura.

• En la obtención de maltas oscuras, es preferible aplicar al final del proceso de secado el denominado golpe de fuego, que consiste en el calentamiento de la temperatura hasta 100 °C por un lapso de 1 a 2 horas.

Figura 2.9

Proceso de secado y tostado de la malta

2.7 Proceso de desgerminación o desraizado

Después del proceso de tostado del grano, se producen cambios muy importantes en sus propiedades organolépticas. El germen se caracteriza por poseer propiedades higroscópicas que, al absorber cantidades mínimas de humedad, adquieren fácilmente elasticidad y, por consiguiente, resulta difícil su eliminación; además, la malta seca se encuentra muy caliente, y contiene microorganismos e impurezas. Por este motivo, una vez terminadas las operaciones de secado y tostado, debe someterse al proceso de desgerminación, que consiste en las operaciones de enfriamiento, eliminación de raicillas y su posterior almacenamiento en los silos como producto terminado. En esta etapa, como en las demás, es conveniente realizar un monitoreo permanente para garantizar que la calidad de la malta terminada cumpla con las especificaciones técnicas establecidas por la empresa.

El proceso de desgerminación comienza con el enfriamiento, cuya temperatura debe controlarse en rangos que oscilan entre 25 °C y 35 °C. Luego prosigue con la separación de las raicillas y, en algunas ocasiones, se eliminan los brotes que han comenzado a desarrollarse en la etapa de germinación. La generación de raicillas, pajillas y cáscaras representan subproductos con un valor añadido por su alto contenido de proteínas. Estos, en su mayoría, son comercializados en las plantas de elaboración de alimentos balanceados para animales, pero también se destinan a las empresas de fabricación de levaduras de panificación y a la industria biotecnológica por su elevado contenido enzimático.

La planta Maltería Lima, para la operación de separación de las raicillas del grano de cebada malteada en el proceso de desgerminación, dispone de un conjunto de equipos rotatorios compuestos de cribas y aspersores que funcionan secuencialmente por fricción o frotación, con una capacidad de 20 t/h. Tales equipos permiten extraer o separar las raicillas y eliminar los brotes de la masa del grano mediante un sistema de cribado y aspiración; cabe señalar, como dato indicativo, que en esta etapa se producen de 3 a 5 kg de raicillas por cada 100 kg de malta. Después, la malta pasa por una máquina limpiadora, en donde se generan mermas que forman parte del conjunto de subproductos, los cuales se almacenan y distribuyen para su uso final. Por último, la limpieza de la malta industrial continúa con la eliminación de granos vítreos y restos de piedrecillas, entre otros elementos.

2.8 Almacenamiento de la cebada malteada

Una vez concluido el proceso de desgerminación, por razones de control de calidad según las normas técnicas internacionales, la malta, como producto terminado, necesariamente pasa por un sistema de almacenamiento antes de ser enviada a la planta de fabricación de cerveza. En este sistema de almacenamiento debe permanecer por lo menos de 21 a 30 días. En este período, el contenido de agua aumenta lentamente hasta alcanzar valores entre un 4 % y 5 %, lo que produce importantes alteraciones en los componentes físicos y químicos en el endospermo. Además, debido a los parámetros característicos de la malta, por su condición higroscópica, se tiene que evitar el contacto o ingreso de aire húmedo a la zona de almacenamiento. Una vez transcurrido el tiempo mínimo requerido de almacenamiento, así como la realización de los correspondientes ensayos de validación que garantizan la calidad del producto, se otorga la conformidad técnica a la malta de cebada, que se encuentra ya apta para su uso en la fabricación de cerveza.

La empresa Maltería Lima, para el almacenamiento de la malta, cuenta con 48 silos, cada uno con una capacidad de 250 t, lo que en total significa una capacidad de 12 000 t aproximadamente. Al haber cumplido con las exigencias mínimas de control técnico y habiendo transcurrido el tiempo de permanencia requerido en almacén, la malta es enviada a las diferentes plantas cerveceras para su procesamiento. Si no se cumpliera el tiempo exigido de almacenamiento, se tendrían dificultades tanto en la etapa de filtración como durante el proceso de fermentación en la empresa cervecera. Esto, finalmente, afectaría tanto a la calidad del producto como a los costos de producción.

2.9 Limpieza de la malta

Esta etapa consiste en desechar la mayor parte de raicillas, polvillo, partículas finas y maltifor, que se han acumulado en el proceso de malteado, los cuales ya no tienen una función específica en los procesos posteriores propios de elaboración de la malta y, por lo tanto, son considerados como subproductos y vendidos a terceros. El volumen de estos subproductos corresponde a un 3 % a 5 % del peso total de la malta. Se eliminan o separan a través de movimientos vibratorios, como abrasión y agitación, y por métodos de tamizado, como los que aplica la planta de Maltería Lima, con el fin de conseguir materiales útiles de tamaño adecuado, que faciliten sus posteriores usos.

En términos generales, en las operaciones de elaboración de la malta, se producen mermas que alcanzan entre un 7 % a 10 % del peso. Entre las principales razones, se pueden considerar las denominadas pérdidas respiratorias, que representan hasta un 4 % a 5 % durante el proceso de germinación; las mermas producidas por las raicillas, que llegan a un 3 % a 4 %, aproximadamente; y las mermas del proceso de remojo, que pueden alcanzar de 1 % a 1,5 %. En total, en el proceso de malteado, las mermas no deben superar entre un 20 % a un 25 % del total de materiales. Para comprender mejor la función de las raicillas, se puede determinar el efecto del tamaño de las mismas durante el proceso de germinación; para que la absorción del agua sea eficiente y el poder enzimático de la cebada se encuentre en condiciones óptimas para la conversión de los carbohidratos en azúcares fermentables, el tamaño de la raíz debe tener entre ¾ partes a 1,5 veces el tamaño del grano, que en valores porcentuales significarían rangos de 75 % a 150 %. Para calcular el tamaño de las raíces en el proceso de germinación, se utiliza la siguiente relación simple:

Donde:

Trs: porcentaje del tamaño de grano

tg: tamaño del grano (cm)

tr: tamaño de raicillas (cm)

Las mermas o subproductos (residuos orgánicos) que se generan en el proceso de producción de malta a partir de cebada, en sus diferentes etapas, tienen un valor económico y son aprovechados por las plantas malteras. Estos subproductos se producen durante la manipulación de los granos de cebada, cuyos extremos de la cáscara se separan emitiendo un polvillo; asimismo, en la clasificación según el tamaño de los granos, se separan los partidos y los de tamaño no deseado; por su parte, se desprenden polvillos de las cáscaras tostadas en la salida de los hornos secadores, en la transferencia de la malta de los equipos a los silos y en las operaciones de despacho. Todos estos subproductos son distribuidos y vendidos como insumos a las plantas de elaboración de alimentos balanceados para los animales.

2.10 Despacho y distribución de la malta

Una vez que el grano es convertido en malta y cumple todos los estándares y normas establecidas, tanto por la empresa como por las entidades internacionales dedicadas a este sector, se procede a su distribución a las diferentes plantas cerveceras. Así, Maltería Lima transporta la malta, almacenada en los silos por el tiempo requerido, a las plantas de fabricación de cerveza ubicadas en Ate (Lima), Cusco, Arequipa, San Juan (Pucallpa) y Motupe (Lambayeque); usualmente lo hace a granel o en sacos mediante camiones (véase la figura 2.10). En otros lugares del mundo, también se utilizan con cierta frecuencia el tren y el barco como medios de transporte.

Durante el transporte, existe el riesgo de contaminación por falta de limpieza de la tolva de carga o por la mezcla de la malta con otros productos, o bien con residuos de cargas anteriores, así como por la presencia de residuos fitosanitarios que pueden alterar la calidad del producto. Por esta razón, se deben aplicar medidas preventivas, como exigir condiciones establecidas a los transportistas, que incluye el compromiso de no destinar el vehículo para el transporte de productos tóxicos u otros usos distintos al traslado de malta. Sin embargo, los procedimientos estandarizados según las normas ISO permiten un control eficiente durante esta etapa:

• Las tolvas de los camiones para transportar la malta deben estar limpias y en condiciones adecuadas de mantenimiento, con el fin de proteger el producto de la contaminación, y su diseño debe facilitar tanto la limpieza como una adecuada desinfección.

• Las tolvas de los camiones no deben ser utilizadas para el transporte de otros productos que no sean alimentos, para evitar la contaminación.

• La malta a granel debe ser transportada en tolvas cerradas a fin de protegerla y evitar la alteración de su calidad. También se tiene que indicar en un lugar visible el uso exclusivo de este medio de transporte para productos alimenticios.

• Si se usa la tolva para el transporte de diversos productos alimenticios a la vez, debe existir una separación adecuada de los mismos que evite el riesgo de contaminación; igualmente, se ha de proceder a una limpieza eficaz entre una y otra carga.

• La malta en las tolvas de los camiones debe colocarse adecuada y suficientemente protegida para reducir al mínimo el riesgo de contaminación.

• Las tolvas de los camiones de transporte de malta deben mantener una temperatura adecuada para conservar el producto en óptimas condiciones y prevenir cualquier riesgo de incidencias.

Figura 2.10

Sistema de transporte de la malta

3. Proceso de germinación del maíz como adjunto de la malta

Desde el punto de vista industrial, el grano de maíz presenta ciertas dificultades para el proceso de germinación, debido a su contenido de grasa, que en promedio es de 4,5 % de lípidos. Ello lo hace susceptible de un rápido deterioro en ácidos grasos y algunos de ellos, como el ácido butírico, transfieren el olor y sabor a rancio. Por esta razón, se necesita separar el germen, donde se encuentra la grasa, del endospermo, en donde está el almidón, que tiene un amplio uso para consumo directo o como insumo industrial.

El proceso industrial de desgerminación del maíz pasa por una serie de etapas: la primera es la recepción, prelimpieza y limpieza del grano; luego sigue la desgerminación; y finaliza con el almacenamiento y molienda, para su posterior distribución como materia prima e insumo a las diferentes plantas cerveceras u otras industrias que fabrican harinas grits o maíz molido para polenta y para hojuelas, entre otros (véase la figura 2.11). En las operaciones de limpieza, se aplican diferentes métodos para limpiar el grano. Uno de ellos es el sistema de corrientes de aire que separa por arrastre el polvo, la paja y las partículas livianas; asimismo, según sus densidades, se retiran piedras, brozas y otros elementos similares. También se utilizan separadores magnéticos para retener metales ferrosos, como tornillos y otras partes que se desprenden de los equipos en los trabajos de la cosecha y el transporte. Igualmente, se emplean equipos rotatorios, como las cribas, para quitar materiales según su diámetro. En general, existen distintos equipos especialmente diseñados para las operaciones del proceso de desgerminación. El grano de maíz utilizado como adjunto de la malta en la fabricación de cerveza corresponde en un 30 % a la producción del mercado nacional, mientras que el 70 % proviene de la importación, en gran parte de Argentina y Bolivia.

Para separar el germen del resto del grano de maíz, existen dos tecnologías: la molienda en seco y la molienda en húmedo. En la primera se tritura el grano de maíz para separar el germen, el salvado (cáscaras) y trozos de endospermo, mientras que en la segunda se retira el almidón, el aceite, la proteína y la fibra. El sistema de molienda en seco requiere un acondicionamiento del grano de maíz a un determinado nivel de humedad en un equipo desgerminador; para ello, se riega por aspersión con agua caliente a 60 °C o 70 °C y se eleva el contenido de humedad hasta 22 % o 25 %, de manera que en la primera molturación permanezcan unidos el pericarpio y la capa de aleuronas (ambos constituyen el salvado), y el endospermo se separa en trozos relativamente limpios. Luego se reduce la humedad al 15 % o 15,5 % y la temperatura de 32 °C a 38°C; se separa el germen, el salvado y las harinas de los trozos de endospermo, los cuales son llevados a una segunda trituración para obtener grits que se clasifican por tamaños. Por otra parte, en el sistema de molienda en húmedo, se remoja el maíz (maceración) hasta que alcance un 45 % de humedad y se ablande lo suficiente para separar el almidón de la estructura celular; en esta fase, se adiciona dióxido de azufre (SO₂) para detener el crecimiento de los microorganismos de la putrefacción y solubilizar las proteínas. Al término de la maceración, los granos de maíz, cuyo volumen ha aumentado por la absorción de agua, se llevan a un molino de fricción para separar el germen sin fragmentarlo del resto del grano. Posteriormente, en un hidrociclón, se desprende el germen por su menor densidad y se destina a la producción de aceite; el resto se tamiza para separar el almidón de la fibra. Finalmente, se realizan procesos adicionales de refinación para producir almidón purificado, proteínas, salvado y otros. Además, con estos mismos procesos, se pueden obtener maicenas, almidones modificados para uso textil, dextrinas para adhesivos, glucosas para industrias de alimentos y concentrados para alimentos balanceados, entre otros.

En las diferentes etapas del proceso de desgerminación del maíz, se generan mermas como resultado de las operaciones. Las mermas forman parte de los subproductos (residuos orgánicos), los cuales son aprovechados por las plantas respectivas para su distribución a las empresas dedicadas a la elaboración de alimento balanceado para animales. Estos subproductos traen, por un lado, beneficios económicos y, por otro, al aprovecharlos se evita la contaminación del medio ambiente.

Figura 2.11

Proceso de desgerminación del maíz

Elaboración propia

4. Balance de recursos materiales y energéticos en la elaboración de la malta
4.1 Balance de materia

En el análisis de los recursos, tanto de la materia prima como del uso de energía en el proceso de elaboración de la malta, se ha tenido en cuenta la información recabada de la empresa Maltería Lima para estimar el balance de los recursos utilizados en las instalaciones de la planta, datos que corresponden a la cantidad de cebada empleada, así como al consumo total de energía. En la figura 2.12, se presentan los balances de materiales basados en una producción de malta de aproximadamente de 214,73 toneladas diarias (t/d), equivalente a 208,29 t/d de sólidos secos, considerando una humedad de 3 %. En primer lugar, se muestran, a manera de resumen, los flujos de material seco, agua y material húmedo de todo el proceso; luego aparecen los balances detallados, incluidos los flujos de aire y agua necesarios para cada etapa, así como el flujo de residuos de la etapa de limpieza y clasificación. Estas estimaciones se han realizado con base en los flujos de sólido seco (s. s.) y de aire seco (a. s.), para lo cual se han tenido en cuenta las relaciones siguientes:

Como ejemplo, se expone a continuación el cálculo de balance en la etapa de secado, donde la malta ingresa con una humedad de 45 % y sale con un 10 % [m_{s. s.} = 208,29 t/d; (χ_entrada = 45/100 – 45) = 0,8182; χ_salida = 10/100 – 10) = 0,1111], así como las respectivas masas de agua en el sólido húmedo a la entrada y salida.

m_{agua entrada} = 208,29 × 0,8182 = 170,38 t/d

Figura 2.12

Balance de flujos de material seco y húmedo en el proceso de elaboración de malta (t/d)

Elaboración propia

El resultado se muestra a la salida de la etapa de germinación, como se aprecia en la figura 2.12.

ma_{gua salida} = 208, 29×0,1111 = 23,14 t/d

Este valor corresponde al punto de salida del secado; por lo tanto, el flujo de agua transferido al aire es este:

m_agua = m_{s. s.} (χ_entrada - χ_salida) = 208, 29 × (0,8182 – 0,1111) = 147, 237 t/d

Conociendo las humedades de entrada y salida del aire (0,02 y 0,03 kg_agua/kg_{aire seco}, respectivamente), se puede calcular el flujo de aire seco que circula por el sistema:

m_{a. s.} = m_{agua transferida} / (H_salida – H_entrada) = 147,276 / (0,03 – 0,02) = 14 723,7 t/d

El flujo de aire atmosférico requerido se calcula por diferencia del aire obtenido en el balance anterior y el aire proveniente del calentamiento.

m_a.s. = 14 723,7 – 3340 = 11 383,7 t/d m_agua = 294,47 – 50,10 = 244,37 t/d

Siguiendo el mismo procedimiento, se han calculado los flujos de aire y sólidos (seco y húmedo) en cada etapa del proceso de elaboración de la malta, cuyos resultados se presentan en la figura ya indicada.

Una de las formas más adecuadas de representar los flujos de balance de materia son los diagramas de Sankey, que se componen de flechas cuyas dimensiones (el ancho de las flechas) son proporcionales a los respectivos flujos totales (según los valores calculados) que entran y salen en cada una de las etapas. De este modo, se puede distinguir fácilmente la verdadera magnitud de los flujos de sólidos y gases. En la figura 2.13, se muestran los diagramas de Sankey de la elaboración de la malta y el uso de aire en la etapa de secado.

Figura 2.13

Diagramas de Sankey aplicados en el balance de materia en el proceso de elaboración de malta (t/d)

Elaboración propia

4.2 Balance de energía

Para el balance de energía, primero, se determinan las temperaturas de las corrientes de sólidos, agua líquida y aire. A partir de esos datos se realizan los cálculos de las entalpías totales del aire húmedo y del sólido húmedo (expresadas en base seca), tanto para las entradas como para las salidas. Multiplicando estas entalpías específicas por los flujos respectivos de aire seco y sólido seco, se obtienen los cambios totales de entalpía y el calor transferido. Este método de cálculo permite simplificar el balance de energía, porque incluye el calor latente de evaporación del agua a una temperatura de referencia T₀ (usualmente 0 °C). El calor neto transferido (Q) se extrae por la suma algebraica de los cambios de entalpía medidos desde la temperatura de referencia. En este caso, la influencia del contenido mínimo de CO₂ en el aire es despreciable y no se considera en los cálculos de las entalpías. En el proceso de elaboración de la malta, el mayor consumo de energía se da en el proceso de secado; sin embargo, el balance de energía más significativo se estima para las etapas de secado, precalentamiento, tostado y enfriamiento, cuyos resultados se resumen en el diagrama de Sankey presentado en la figura 2.14.

Para el cálculo de las entalpías, se emplean las fórmulas desarrolladas en la tercera sección del capítulo 1, correspondiente al marco teórico de balance de recursos materiales y energéticos. En este caso, para el sólido seco se toma como referencia el valor de la capacidad calorífica igual a 1,674 kJ/kg • °C (Kunze, 2004). Considerando este valor, se estima las entalpías de la malta y el aire seco para la etapa de secado, cuyos cálculos se exponen a continuación:

hS_entrada = (1,674 + 0,8182 × 4,184)(16 – 0) = 81,56 kJ/kg_{s. s.}

hS_salida = (1, 674 + 0,1111 × 4,184)(35 – 0) = 74,86 kJ/kg_{s. s.}

hG_entrada = (1,005 + 1,88 × 0,015)(72,06 – 0) = 0,015 × 2501 = 111,97 kJ/kg_{a. s.}

hG_atm = (1,005 + 1,88 × 0,010)(72,5 – 0) + 0,010 × 2501 = 99,24 kJ/kg_{a. s.}

hG_salida = (1,005 + 1,88 × 0,03)(25,64 – 0) + 0,03 × 2501 = 102,24 kJ/kg_{a. s.}

Los flujos de calor correspondientes a las corrientes de entrada y salida de la etapa de secado son los siguientes:

Q_{malta entrada} = 81,56 kJ/kg_{s. s.} × 208 290 kg_{s. s.}/d = 16 988 568 kJ/d = 16 988 MJ/d

Q_{malta salida} = 74,86 kJ/kg_{s. s.} × 208 290 kg_{s. s.} /d = 16 592 589 kJ/d = 15 593 MJ/d

Q_{aire entrada} = 111,97 kJ/kg_{a. s.} × 3 340 000 kg_{a. s.} /d = 373 979 800 kJ/d = 373 980 MJ/d

Q_{aire atm} = 99, 27 kJ/kg_{a. s.} × 11 383 700 kg_{a. s.} /d = 1 129 718 000 kJ/d = 1 129 718 MJ/d

Q_{aire salida} = 102, 24 kJ/kg_{a. s.} × 14 723 700 kg_{a. s.} /d = 1 505 351 000 kJ/d = 1 505 351 MJ/d

Por lo tanto, el calor neto trasferido es:

Q_neto = (1 505 351 + 15 593) – (16 988 + 1 129 718 + 373 980) = 258 MJ/d

Figura 2.14

Diagrama de Sankey de balance de energía en el proceso de elaboración de malta (MJ/día)

Nota: Megajoule por día (MJ/d)

Elaboración propia

5. Recuperación de subproductos en el proceso de malteado

En toda operación de las plantas malteras, se generan residuos orgánicos denominados subproductos, que son recuperados para su posterior aprovechamiento. En el caso de Maltería Lima, los subproductos se componen de raicillas, pajillas, cáscaras, granos pequeños, granos deformados, polvillo y otros restos, que provienen principalmente de las etapas de recepción, clasificación y limpieza de la cebada, desgerminación y limpieza de la malta, así como de las mermas que se recuperan en las distintas etapas del proceso. Estos subproductos se forman debido a la acción del proceso propiamente dicho, a la fricción entre los granos del cereal y por el uso de equipos y maquinarias. Así, por ejemplo, en la etapa de descarga de la cebada, que es cuando se inicia el proceso de elaboración de la malta, se desprenden polvillos y pajillas que son gestionados adecuadamente por medio de la aplicación de tecnologías limpias. La cebada se descarga en una cámara cerrada en la recepción, donde se dispone de un equipo de aspiración, un ciclón con filtro de manga, una torre compuesta por un equipo aspirador y silenciador, y silos de almacenamiento. En la figura 2.15, se puede apreciar la secuencia del proceso de recuperación de polvo y partículas de cebada y malta. Los subproductos conformados por polvillo, partículas y pajillas, granos pequeños y deformes, después del proceso de aspiración son sometidos a un filtro de manga para la purificación del aire y la separación de sólidos orgánicos. Después, el aire pasa por un sistema de aspiración y a través de un equipo silenciador de ruidos es expulsado al medio ambiente ya purificado, mientras que la parte sólida orgánica separada se almacena en silos para su posterior distribución y venta a las plantas procesadoras de alimentos para animales.

El manejo integral de residuos sólidos orgánicos e inorgánicos en la empresa constituye una estrategia para el fortalecimiento de la capacidad de gestión que promueve la recuperación, aprovechamiento, comercialización y disposición final. El destino de los residuos orgánicos es la elaboración de abono y alimento para animales, mientras que los inorgánicos reciclables son comercializados, tales como papeles, vidrios, cajas de cartón y botellas plásticas hasta cables eléctricos y envases de materiales de limpieza. Los residuos generados en la empresa, en general, se trasladan a un lugar donde se clasifican, se reducen y se almacenan en contenedores o tachos adecuados y estandarizados, según lo establecido en la Ley General de Residuos Sólidos. Los residuos no aprovechables (desechables) son trasladados a un relleno sanitario a través de la empresa Relima; por su parte, los residuos sólidos orgánicos producidos en los comedores y oficinas en el interior de la empresa son clasificados y sometidos a un proceso de compostaje (descomposición natural de la materia orgánica) para la obtención de abono orgánico, que se utiliza en todas las áreas verdes de las instalaciones de la planta. Asimismo, en la empresa se producen los llamados residuos peligrosos, esto es, envases y restos de pintura, aceite, baterías y pilas, solventes y derivados de hidrocarburos, tóneres, trapos industriales impregnados con restos de productos derivados de hidrocarburos, cartuchos de tinta, artefactos electrónicos malogrados, etcétera, los cuales son gestionados adecuadamente a fin de evitar daños en el personal y la contaminación del medio ambiente. La mayoría de los residuos peligrosos son transportados a un relleno de seguridad autorizado para su disposición final; pero algunos de ellos, como cartuchos, baterías y tóneres, son entregados (devueltos) a los proveedores especializados para su reciclado.

Figura 2.15

Recuperación de subproductos en el proceso de malteado

Elaboración propia

6. Tecnologías limpias en el tratamiento de efluentes en la industria de la malta

El agua es un recurso indispensable en toda industria. Su uso depende del tipo de industria, de las operaciones que desarrolla y del volumen requerido, y siempre genera efluentes. En la industria de la malta, el agua se emplea en el proceso de malteado de cereales (homogeneización, remojo y germinación), en el acondicionamiento de aire y en el mantenimiento de equipos e instalaciones; en este último, se añaden también insumos. Los efluentes de las industrias malteras se caracterizan por tener un alto contenido de carga orgánica, por lo que son altamente biodegradables. Su composición de materia orgánica, color y sabor pueden variar según el tipo de cebada utilizada como materia prima. Asimismo, las malteras suelen añadir pequeñas cantidades de sustancias químicas en los servicios de limpieza, las cuales son arrastradas junto con los efluentes.

El efluente que ingresa a la planta de tratamiento proviene principalmente de los procesos de germinación y contiene gran cantidad de sustancias disueltas, como proteínas, almidones y azúcares. En cambio, los efluentes de las operaciones del proceso de remojo arrastran partículas pequeñas de cáscaras, grasas y algunas sales de la rotura de la capa de aleurona. Finalmente, los efluentes se mezclan con las aguas usadas en los servicios de limpieza de áreas de trabajo, en la cocina, servicios higiénicos, duchas, etcétera. Las características y composición del efluente que ingresa a la planta de tratamiento pueden variar en función del caudal, volumen de carga orgánica y proceso de malteado, entre otras variables. La tabla 2.4 presenta unas cifras orientativas de parámetros que caracterizan a los efluentes en la industria de la malta.

Tabla 2.4

Valores estimados de efluentes en la industria maltera

Parámetros	Unidad	Valores referenciales en la industria de la malta
DQO	mg/L	900-2400
Sólidos en suspensión	mg/L	200-450
Nitrógeno total Kjeldahl	mg/L	15-40
Fósforo total	mg/L	5-12
Cloruros	mg/L	~ 400
DBO5	mg/L	700-2000

Elaboración propia a partir de Canales (2009)

De acuerdo con los datos estadísticos, en los países de la Unión Europea, el consumo promedio de agua por cada tonelada de malta producida oscila entre 4,5 m³/t y 5 m³/t, mientras que en España este indicador varía de 4,5 m³/t a 7,2 m³/t de malta. En Maltería Lima, la relación por cada tonelada de malta producida es de 4,11 m³/t. Este valor es inferior comparado con el consumo de agua en los países europeos, lo que indica que esta empresa realiza un uso eficiente del recurso hídrico. En términos generales, la etapa de elaboración de malta con mayor consumo de agua es el proceso de remojo, que puede suponer entre un 60 % y 75 % del total del agua consumida. En cambio, en la etapa de germinación, el consumo puede variar de 4 % a 10 %. Adicionalmente, se debe tener en cuenta el agua empleada para la limpieza de equipos e instalaciones, la refrigeración y calefacción, y los servicios sanitarios para el personal, entre otros. En la tabla 2.5, se presenta algunos datos referidos al consumo anual de agua en la planta Maltería Lima, donde el mayor uso tiene lugar en el proceso de remojo (alrededor del 61,8 % del total), seguido por la etapa de germinación (27,8 %).

Tabla 2.5

Consumo anual de agua en la planta Maltería Lima

Operación en la planta	Consumo de agua (m3/año)	Porcentaje de distribución (%)
Remojo	183 925	61,8
Germinación	82 898	27,8
Área de generación de energía	29 699	10,0
Planta tratamiento de efluentes	1 141	0,4
Total	297 663	100,0

Elaboración propia a partir de la información proporcionada por la empresa Maltería Lima (comunicación personal vía correo electrónico, 2016)

El efluente tratado en Matería Lima es vertido al río Rímac junto con el agua subterránea que aflora en algunas zonas del entorno de la planta. De acuerdo con la norma peruana, los límites máximos permisibles para este tipo de efluentes después de pasar por un proceso de tratamiento son los valores que se presentan en la tabla 2.6, establecidos por el Ministerio del Ambiente en el D. S. N.° 003-2010-MINAM. En el caso de maltería, el efluente tratado alcanza un pH de entre 7 y 7,5, con una mínima opalescencia y una mínima cantidad de sólidos arrastrados; asimismo, los niveles elevados de DQO y DBO indican que los contaminantes predominantes contienen material orgánico y de alta biodegradabilidad. Como parte de nuestra experiencia, podemos afirmar que la transparencia y baja opalescencia del efluente cuando se mezcla con el río en su vertido final son señales de que sus propiedades físicas, químicas y biológicas cumplen con los estándares exigidos por los organismos competentes, por lo que no altera ni contamina el río. En el tratamiento de efluentes con alta carga orgánica, se aplican fundamentalmente sistemas biológicos que facilitan la reducción de este componente a través de un sistema aeróbico y anaeróbico.

Tabla 2.6

Límites máximos permisibles para los efluentes tratados

Parámetro	Unidad	LMP D. S. N.° 003-2010-MINAM
DBO	mg/L	100
DQO	mg/L	200
pH	Unidad	6,5-8,5
Sólidos en suspensión	mg/L	150
Temperatura	oC	< 35

Elaboración propia a partir de Ministerio del Ambiente (2010)

En la figura 2.16, se aprecia el diagrama de bloques de la secuencia de tratamiento de efluentes generados en los procesos de malteado en la planta Maltería Lima. Como parte de su estrategia de prevención, de gestión ambiental y de responsabilidad social, la empresa aplica diversas tecnologías limpias en las etapas del proceso, con el fin principal de evitar la contaminación del río Rímac por los efluentes, y también para dar el valor añadido del reaprovechamiento de los residuos. Así, la materia orgánica es convertida en abono orgánico y los residuos sólidos orgánicos (subproductos) son recuperados para su posterior distribución y venta a las plantas de elaboración de alimento balanceado para animales. A continuación, se describe en detalle las etapas del proceso de tratamiento de efluentes.

En la figura 2.17, se observa el diagrama de flujo del proceso de tratamiento de efluentes, donde se identifican los diferentes equipos utilizados en cada una de las etapas de la planta, antes de su vertido al medio ambiente (río Rímac).

Figura 2.16

Etapas del proceso de tratamiento de efluentes en la industria de la malta

Elaboración propia

Figura 2.17

Diagrama de flujo del proceso de tratamiento de efluentes

Elaboración propia

6.1 Separación de sólidos

El efluente del proceso de malteado es transportado mediante una tubería hacia la planta de tratamiento de efluentes, ubicada en las instalaciones de la empresa. El proceso se inicia en el equipo de cribado (filtro rotatorio), a donde llega el efluente proveniente de las operaciones de remojo y de germinación, de la limpieza de equipos, del área de producción y de los servicios del personal de la planta. El efluente arrastra en gran parte material orgánico compuesto de cáscaras, raíces, pajillas y partículas de malta, y, en ocasiones, trozos de madera, plásticos y aglomerados, entre otros. El separador rotatorio, que se encuentra antes de la tubería de ingreso al tanque de sedimentación o emergencia, retiene los sólidos de más de 5 mm de tamaño, lo que garantiza el funcionamiento continuo y evita la obstrucción de las bombas de descarga (véase la figura 2.18). El equipo de cribado separa el componente sólido de la parte líquida. La parte sólida está formada en gran parte por materia orgánica, que es retirada y almacenada para convertirla después en abono orgánico, mientras que los sólidos inorgánicos son clasificados para su posterior reciclado y disposición final, en el caso de los recuperables. La parte líquida, en cambio, se canaliza hacia el tanque de emergencia o sedimentación para continuar con el proceso de tratamiento. La capacidad del equipo de cribado es de 250 t/h.

6.2 Operación en el tanque de sedimentación

Una vez filtrado en el separador rotatorio, el efluente puede ser conducido con un caudal constante al tanque de emergencia o sedimentación, o bien directamente al tanque de ecualización, manteniendo sus parámetros iniciales, con la finalidad de evitar la descompensación durante su posterior tratamiento. El efluente es desviado al tanque de emergencia o sedimentación para controlar su caudal y cuando contiene gran cantidad de contaminantes; además, esto permite supervisar en detalle los parámetros de control en la operación del tanque de ecualización. El flujo del efluente entre el tanque de sedimentación y el tanque de ecualización se recircula; y la sedimentación se produce porque la gravedad reduce la velocidad de las partículas sólidas que vienen arrastradas inicialmente por el flujo del efluente. De esta forma, se separan la fracción sedimentada, la espuma que se produce durante el proceso y la nata de grasa que se forma en parte superior del tanque. En resumen, se separa la materia orgánica en la forma de lodo para su posterior almacenamiento en el tanque de lodos, que es parte del sistema de regulación del caudal para las siguientes etapas. El tanque de sedimentación o emergencia funciona en un espacio abierto a la atmósfera y se encuentra junto al tanque de lodos, como se puede ver en la figura 2.18. Su capacidad de almacenamiento de efluente es de 250 m³.

Figura 2.18

Tratamiento de efluentes: equipo de cribado, tanque de sedimentación y ecualización

6.3 Operación en el tanque de ecualización

La operación en el tanque de ecualización consiste en la homogeneización y control de la variación de flujos de salida del efluente. En otras palabras, se debe controlar la composición y características del efluente a fin de evitar la descompensación en los tratamientos posteriores, debido a su alto contenido de carga orgánica o por cualquier otro factor que pueda afectar la composición inicial del efluente. Para un funcionamiento óptimo, los parámetros de control son los siguientes:

• El nivel del efluente en el tanque debe oscilar entre 0,4 m y 1,8 m de altura. Cuando el nivel se encuentra por debajo de 0,4 m, las bombas se apagan automáticamente; y cuando la altura es superior a 1,8 m, se produce el rebose del efluente hacia el tanque de emergencia (véase la tabla 2.7).

• Las variaciones en el caudal del efluente deben ser graduales para no perjudicar las etapas posteriores del proceso. En este caso, el flujo alcanzado es de 5 m³/h hasta lograr el rango óptimo requerido, ya que las bombas que descargan el efluente del tanque pueden verse obstruidas por materiales sólidos que no fueron rechazados en la fase de cribado inicial.

Tabla 2.7

Parámetros de control del tanque de ecualización

Nivel del tanque de ecualización (m)	Flujo de salida (m3/h)
> 1,8	Punto de rebose del tanque de emergencia
1,4-1,8	40-45
0,9-1,3	30-35
0,4-0,8	20-25
< 0,4	Parada de bomba automática

Elaboración propia a partir de la información proporcionada por la empresa Maltería Lima (comunicación personal vía correo electrónico, 2016)

Igualmente, se realizan monitoreos continuos de los parámetros de acidez y alcalinidad del efluente, cuyo valor oscila de 6,1 a 6,9 de pH, lo que asegura un óptimo funcionamiento del tanque de acondicionamiento y del reactor anaeróbico. El pH se regula con el uso de reactivos químicos. También se registra la temperatura, cuyo valor es inferior a 15 °C. Además, el tanque de ecualización dispone de equipos sopladores para inyectar aire a presión dentro de la masa de agua para evitar la colmatación o putrefacción, a la vez que facilita el proceso de homogeneización del contenido del efluente en el tanque.

La función principal del tanque ecualizador (tanque regulador o pulmón), junto con el tanque de sedimentación, es garantizar el suministro (alimentación) de un caudal o flujo constante al reactor anaeróbico. En síntesis, una condición para su correcto funcionamiento es que el efluente debe permanecer a un 40 % de su capacidad, que equivale a 0,72 m de su nivel. Igualmente, para alcanzar una operación continua, el tanque de ecualización debe mantener el efluente como mínimo al 25 % de su capacidad, igual a 0,45 m de su nivel; para ello, es conveniente realizar monitoreos programados para evaluar el suministro de efluentes al reactor. El tanque ecualizador se encuentra cubierto, como se observa en la figura 2.18.

6.4 Operación de acondicionamiento

El efluente que procede del tanque de ecualización necesita ajustes en sus parámetros a fin de cumplir con los requerimientos operacionales en el tanque de acondicionamiento, cuyo objetivo principal es regular el pH del efluente antes de su envío al reactor anaeróbico. Para ello, se agrega hidróxido de sodio (soda cáustica) hasta alcanzar rangos de pH entre 6,6 y 7,6, como valores adecuados para el funcionamiento óptimo del equipo de acondicionamiento. Además, este tiene incorporado un dosificador de soda cáustica, que se activa automáticamente cuando el pH se encuentra por debajo o es superior al rango establecido. En el caso de que las cifras superen el 8,4 de pH, se podrían ocasionar algunos daños en el equipo. Para la homogeneización del efluente al interior del tanque, se dispone de una bomba centrífuga para removerlo y mantenerlo homogéneo mediante la recirculación del efluente.

El transporte del efluente desde el tanque de acondicionamiento al reactor anaeróbico se realiza con una bomba centrífuga de 80 m³/h de capacidad nominal. Esta bomba también permite controlar el caudal de ingreso al reactor anaeróbico mediante una llave dentada de 8 m³/h aproximadamente. Este valor debe ser similar al caudal regulado en el tanque de ecualización para conservar el nivel de flujo ideal en el reactor. Generalmente, el caudal tiene que manejarse en un rango de 5 m³/h a 10 m³/h. Si el flujo del efluente se encuentra por encima de este valor, se produciría un rebalse en el tanque de acondicionamiento; por el contrario, con un caudal por debajo del valor mínimo, el reactor quedaría sin efluente, lo que generaría problemas de operación. El tanque de reacondicionamiento o regulador de pH tiene una capacidad de 75 m³ (véase la figura 2.19).

6.5 Operación del reactor anaeróbico

El efluente que proviene de las operaciones del proceso de malteado es transportado a través del tanque de acondicionamiento al reactor anaeróbico, donde se lleva a cabo la degradación de la materia orgánica por medio del suministro de bacterias. El reactor contiene lodos activos con bacterias, que son vitales para su reproducción debido a la cantidad de nutrientes recibidos durante el tiempo de residencia. En esta etapa del proceso, se puede lograr la degradación de la carga orgánica del efluente hasta en un 70 %. Por otro lado, las bacterias que quedan inactivas una vez que han cumplido su ciclo de vida o por algunas reacciones del proceso forman parte de los sólidos del lodo.

Figura 2.19

Tratamiento de efluentes: reactor anaeróbico y tanque acondicionamiento

Para mantener un óptimo nivel de actividad de las bacterias, los valores de pH deben variar entre 6,8 y 7,3, ya que por encima de este rango ocasionarían problemas en el lodo biológico. Una de las formas de control del pH en los rangos establecidos es regular el flujo de ingreso del efluente al reactor anaeróbico. Asimismo, se debe monitorear el contenido de volumen de sólidos en el reactor, que debe ser inferior a 10 mL. Sin embargo, durante la operación del reactor, el nivel de lodos aumenta como consecuencia de la acción de las bacterias, por lo que el exceso de los mismos tiene que ser removido y retirado (purgado) por la parte inferior del reactor. Una bomba de extracción los conduce hacia la zona de lecho de secado de lodos para su posterior conversión en abono orgánico. En la operación de extracción del lodo, así como para el monitoreo del pH y la temperatura, se procede a abrir la llave de tipo timón ubicada en la base del reactor hasta descargar todo el lodo acumulado. En la figura 2.19, se puede apreciar el reactor anaeróbico de la planta Maltería Lima, el cual tiene una capacidad de 237 m³.

Durante el proceso de la biodegradación de la materia orgánica en el reactor, como resultado de la actividad de las bacterias, se generan gases, especialmente, de metano (CH₄). Estos son separados por la parte superior del reactor y se envían, después, a un tanque denominado sello hidráulico, cuya función fundamental es evitar la contaminación por la fuga directa del gas al medio ambiente. El gas capturado es conducido por medio de una tubería hacia el punto de ubicación de la antorcha donde se quema. Asimismo, los gases, durante su recorrido, arrastran material sólido que, al entrar en contacto con el agua, puede formar lodos; estos se depositan en el fondo del tanque o en el sello hidráulico, e impiden la fuga directa del gas. Por ello, para su correcto funcionamiento, cada cierto tiempo se debe realizar una limpieza preventiva, y se envían los sólidos acumulados junto con los lodos del reactor hacia la zona de secado de lodos.

6.6 Operación de la laguna de aireación

El efluente tratado en el reactor anaeróbico se descarga por la parte superior (rebose) y es conducido mediante una tubería hacia la primera laguna, llamada laguna de aireación, donde se lleva a cabo el proceso aeróbico. Esta se encuentra ubicada en un espacio abierto y tiene una capacidad de 3000 m³ (véase la figura 2.20). La finalidad de la laguna de aireación es la degradación de la materia orgánica remanente, que no ha sido completada en el reactor anaeróbico; en esta etapa, se logra el 30 % restante de la degradación de la carga orgánica. En la laguna de aireación, se inyecta aire externo desde el fondo (base) de la laguna mediante equipos denominados sopladores, aireadores o difusores de aire, que son accionados desde una caseta externa ubicada junto a la laguna, como se muestra en la figura 2.20, para lograr la remoción u oxigenación constante del efluente. La aireación forzada, además de oxigenar el agua, produce turbulencia suficiente para la homogeneización del efluente con los reactivos químicos que se añaden durante el proceso. En esta etapa, se debe evitar y controlar la formación de espumas y el crecimiento de algas para el funcionamiento adecuado de la laguna de oxidación.

Durante el proceso de aireación, a fin de mejorar la calidad del efluente, así como para facilitar la sedimentación de la carga orgánica y de algunas partículas flotantes o en suspensión, se utilizan diversas soluciones de reactivos químicos, como el hipoclorito de calcio [Ca(ClO)₂], también denominado cal clorada; el hidróxido de calcio [Ca(OH)₂], conocido como cal apagada; el decolorante MT 7000 C y, como floculante, el sulfato de aluminio [Al₂(SO₄)₃]. La dosificación de los reactivos químicos se realiza de acuerdo con los requerimientos establecidos para el proceso de tratamiento, cuyas proporciones se indican a continuación: hipoclorito de calcio [Ca(ClO)₂], cuya relación de dosificación es de 30 kg por cada 2500 litros (L); hidróxido de calcio, en una relación de 30 a 45 kg por cada 2500 L; decolorante MT 7000 C, cuya dosificación es de 50 kg por cada 2500 L; y sulfato de aluminio, cuya relación es de 50 a 100 kg por cada 2500 L. En promedio, la dosificación adecuada de reactivos se estima en 104,5 litros por hora (L/h) o 2500 L de solución en 24 horas. Para la correcta dosificación, la mezcla de reactivos se debe efectuar con agua de servicio y mantener activados los agitadores para lograr una mezcla homogénea.

Figura 2.20

Tratamiento de efluentes mediante laguna de aireación y sedimentación

Asimismo, los tanques de dosificación de cal e hipoclorito de calcio tienen que regarse por aspersión con agua de servicio para evitar la formación de espuma. Es conveniente monitorear la laguna de aireación con el fin de verificar la formación de espumas o el crecimiento de algas. En caso de presencia de espuma muy densa, se debe rociar con agua toda la superficie de la laguna; la dosificación típica es de 50 kg de antiespumante por cada 1000 L. Para impedir el crecimiento de algas en los taludes de la laguna, es necesario limpiarlos. El efluente oxigenado y purificado se descarga por rebose hacia la laguna de sedimentación, donde es sometido a un tratamiento complementario mediante reactivos químicos hasta alcanzar valores que evidencien las propiedades requeridas antes de su vertido al río Rímac.

6.7 Operación de la laguna de sedimentación

El agua que proviene de la laguna de aireación se somete a una última etapa de tratamiento hasta alcanzar valores de acuerdo con los estándares establecidos por los organismos competentes para la industria maltera, antes de su descarga al medio ambiente, en este caso, al río Rímac. La laguna de sedimentación tiene una capacidad de 1500 m³, tal como se muestra en la figura 2.20. En esta etapa, se añaden los siguientes reactivos químicos: hipoclorito de calcio, en una proporción de 30 kg por cada 2500 L; cal apagada, en una relación de 30 a 45 kg por cada 2500 L; decolorante MT 7000 C, en una proporción de 50 kg por cada 2500 L; y sulfato de aluminio, en una relación de 50 a 100 kg por cada 2500 L. Durante el proceso, se debe controlar con frecuencia la formación de nata en la superficie de la laguna, la cual tiene que ser retirada. Por su parte, los lodos sedimentados son extraídos mediante bombas sumergibles y se los traslada hacia la poza de lecho de lodos para su posterior secado y conversión en abono orgánico. También se deben limpiar los taludes de la laguna, debido a la formación de lodo seco.

6.8 Tanque de contacto o desinfección

Una vez finalizado el tratamiento del efluente en la laguna de sedimentación, el agua fluye por la parte superior hacia el tanque de contacto. Este consta de un circuito o canales en zigzag donde el líquido se mezcla con el hipoclorito en un proceso laminar para facilitar la operación de desinfección, sedimentándose el lodo residual que haya pasado de la etapa anterior. El monitoreo consiste en una observación simple para comprobar que el rebose del efluente tratado en el penúltimo canal mantenga un color amarillento claro, lo que es indicador del cumplimiento de los límites máximos permisibles para su vertido al medio ambiente. Cada cierto tiempo es necesario retirar los lodos sedimentados en el tanque de contacto y de forma paralela se limpian todas las superficies del tanque. En la figura 2.21, se puede observar el tanque de contacto.

6.9 Canal de Parshall

Por último, el efluente tratado que sale del tanque de contacto es descargado por rebose en el canal de Parshall para medir el caudal de salida mediante un sensor de nivel. En esta etapa, se realiza la última dosificación de hipoclorito, como desinfectante, controlando que el pH se encuentre entre 7,1 a 7,5. El color final del agua debe observarse por experiencia y la temperatura tiene que ser inferior a 35 °C. Es necesario limpiar diariamente la espuma formada, así como los lodos sedimentados en el canal de Parshall. Cabe indicar que durante todo el proceso el pH tiene que mantenerse entre 6 y 9, ya que un valor muy inferior o superior al nivel establecido supondría una dosificación inadecuada de los reactivos químicos. Este hecho se podría reflejar, por ejemplo, en la presencia de algas en la laguna de sedimentación. En la figura 2.21, se muestra el vertido del efluente tratado hacia un canal que conduce al río Rímac.

Figura 2.21

Tratamiento de efluente en el tanque de contacto y canal de Parshall para su vertido

7. Quema de gases y uso de biogás

Los gases producidos en el reactor anaeróbico son principalmente el metano (CH₄), además de CO₂, CO, N₂ y H₂S, los cuales son captados y conducidos a través de una tubería al punto de quema de gases, llamado antorcha de biogás, para ser liberados al medio ambiente (véase la figura 2.22). En la Maltería Lima, la quema de gases depende de la cantidad de estos que se genera en el reactor anaeróbico, así como de la presión ejercida en el punto de la antorcha de biogás. Antes de llegar a este punto, el gas es retenido en un tanque que cumple la función de sello hidráulico para evitar la fuga directa de gases. El gas retenido en el sello hidráulico puede ser quemado, finalmente, en la antorcha y ser emitido a la atmósfera. La antorcha se enciende de modo automático y alcanza una temperatura de ignición que oscila entre 300 °C y 420 °C. El gas captado en su recorrido a través de la tubería arrastra material sólido procedente del reactor, el cual, al entrar en contacto con el agua, se deposita en el sello hidráulico. Por ello, cada cierto tiempo el lodo debe ser retirado por la base del tanque.

La combustión del biogás consiste en una reacción química en la que ocurre una rápida oxigenación u oxidación del biogás, cuya combustión completa puede ser representada por la reacción química indicada a continuación:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

La tabla 2.8 presenta los valores estimados de energía equivalente del biogás en relación con otras fuentes. El biogás no es absolutamente puro; está compuesto en un 65 % por metano (CH₄) y en un 35 % por CO₂, aproximadamente (Varnero, 2011). Además, contiene partículas y trazas de otros gases y vapores. Todas estas impurezas deben ser removidas y purificadas previamente, según el uso al que sea destinado el biogás.

Tabla 2.8

Parámetros y valores de energía equivalente del biogás respecto a otras fuentes

Elaboración propia a partir de Varnero (2011)

Figura 2.22

Proceso de recuperación y aprovechamiento del biogás

Elaboración propia

En las plantas malteras, es usual que los gases generados en el reactor anaeróbico sean quemados en la parte superior, llamada antorcha o quemador de gas, y vertidos sin previo tratamiento a la atmósfera, como ocurre en Maltería Lima. En países industrializados, estos son sometidos a un proceso de tratamiento para su recuperación y aprovechamiento en diversos usos finales. La purificación del biogás es muy importante por las siguientes razones técnicas: en primer lugar, se realiza con la finalidad de aumentar su poder calorífico mediante la remoción de gases inertes como el CO₂, en particular; en segundo lugar, se trata de cumplir con los requerimientos de algunas de las aplicaciones del biogás, como el uso en motores, calderas, celdas de combustible y vehículos, entre otros. La figura 2.22 presenta el proceso que consiste básicamente en la desulfuración y secado del gas, para la reducción o eliminación del H₂S, SO₂, NO_x y del material particulado, entre otros.

Existen diversas formas de recuperación y utilización del biogás, entre las cuales destacan la producción de calor o vapor, la generación de electricidad y como combustible de vehículos. El uso más simple del biogás es la producción de energía térmica (calor) aplicada a la generación de vapor como fuente de energía para diversas operaciones industriales, por ejemplo, para generar electricidad y en sistemas combinados. También se puede utilizar en motores de combustión interna para generación de electricidad, para uso vehicular o como calentadores. En estos casos, no se requiere la remoción o limpieza del CO₂ del biogás, sino que este gas simplemente pasa a través del quemador o motor.