Las aguas residuales del café , también conocidas como efluentes del café , son un subproducto del procesamiento del café . Su tratamiento y eliminación es una consideración ambiental importante para el procesamiento del café, ya que las aguas residuales son una forma de contaminación industrial del agua . [1]
El fruto del cafeto, conocido como cereza, pasa por un largo proceso para prepararlo para el consumo . Este proceso a menudo implica el uso de grandes cantidades de agua y la producción de cantidades considerables de desechos sólidos y líquidos. El tipo de desechos es resultado del tipo de proceso por el que pasan las cerezas de café. La conversión de la cereza en oro [nota 1] o grano verde (el grano de café seco que está listo para ser exportado) se logra mediante un proceso seco, semilavado o totalmente lavado.
Las cerezas de café se secan inmediatamente después de su cosecha mediante secado al sol, secado solar o secado artificial. En el secado al sol, las cerezas de café se colocan en un piso limpio y se dejan secar al aire libre. En el secado solar, las cerezas se colocan en un gabinete cerrado, que tiene orificios de ventilación para dejar salir la humedad. El secado artificial se utiliza principalmente durante la temporada de lluvias, cuando el bajo nivel de luz solar extiende el tiempo necesario para el secado solar y las cerezas son propensas al crecimiento de moho. Después de secarse, las cerezas se descascaran. En este proceso, la capa exterior seca de la cereza, conocida como pericarpio , se elimina mecánicamente.
En el proceso de semilavado, las cerezas se despulpan para eliminar el pericarpio. Después de esto, se elimina la capa viscosa de mucílago que cubre el grano. Esto se hace mecánicamente introduciendo los granos en un dispositivo cilíndrico que los transporta hacia arriba. Si bien la fricción y la presión ejercidas sobre los granos durante este proceso son suficientes para eliminar la mayor parte del mucílago, una pequeña cantidad de este permanecerá en el corte central de los granos. Esta técnica se utiliza en Colombia y México para reducir el consumo de agua del largo proceso de fermentación y el extenso lavado.
Con el objetivo de reducir la contaminación generada por el proceso húmedo de los frutos del café, los científicos de Cenicafé desarrollaron una tecnología que evita el uso de agua cuando no es necesaria y utiliza el agua adecuada cuando es necesaria. La tecnología, denominada Becolsub ( beneficio ecológico subproductos [ 2 ] ), controla más del 90% de la contaminación generada por su antecesora . La calidad del café procesado de esta manera es la misma que la del café procesado por fermentación natural.
La tecnología Becolsub consiste en despulpar sin agua, desmucilaginar mecánicamente y mezclar los subproductos (cáscara y mucílago del fruto) en un transportador de tornillo. La tecnología también incluye un dispositivo hidromecánico para retirar los frutos flotantes e impurezas ligeras, así como objetos pesados y duros, y una criba cilíndrica para retirar los frutos cuya cáscara no fue separada en la despulpadora. Los científicos de Cenicafé descubrieron que un fruto de café con mucílago (los frutos inmaduros y secos no tienen mucílago) tiene suficiente agua en su interior para que la cáscara y las semillas se puedan separar en despulpadoras convencionales sin agua, que el líquido solo es necesario como medio de transporte y que despulpar sin agua evita el 72% de la contaminación potencial.
La remoción del mucílago se ha realizado mediante un proceso de fermentación, que dura entre 14 y 18 horas, hasta que el mucílago se degrada y se puede eliminar fácilmente con agua. El lavado del mucílago fermentado requiere, en el mejor de los casos, 5,0 L/kg de DPC. Los científicos de Cenicafé desarrollaron una máquina para eliminar el mucílago que cubre las semillas de café. Esta máquina, llamada Deslim (las iniciales del español desmucilager, el lavador y limpiador mecánico) elimina más del 98% del mucílago total (igual que una fermentación bien realizada) ejerciendo estrés y generando colisiones entre los granos, utilizando solo 0,7 L/kg de DPC. La mezcla resultante altamente concentrada de agua, mucílago e impurezas es viscosa y se agrega a la piel separada del fruto en un transportador de tornillo. En el transportador de tornillo la retención es mayor al 60%, lo que significa un control adicional del 20% de la contaminación potencial.
Los dos subproductos son ampliamente utilizados como sustrato de lombrices para elaborar fertilizantes naturales. Sin embargo, la alta concentración del mucílago obtenido del desmucilaginoso brinda la oportunidad de industrializar el subproducto.
Este proceso se utiliza principalmente en el procesamiento de Coffea arabica . [3] Después de despulpar, los granos se recogen en tanques de fermentación donde se lleva a cabo la eliminación bacteriana del mucílago durante 12 a 36 horas. [4] La fase de fermentación es importante en el desarrollo del sabor del café, que se debe en parte a los procesos microbiológicos que tienen lugar. La aparición de levaduras y mohos en agua ácida puede provocar sabores desagradables como café agrio y sabor a cebolla . Sin embargo, se cree que el procesamiento húmedo produce un café de mayor calidad que los otros procesos, ya que pequeñas cantidades de sabores desagradables le dan al café su sabor y "cuerpo" particulares. [5]
Cuando la fermentación ha terminado, los granos se lavan a fondo para eliminar los residuos de fermentación y cualquier resto de mucílago. Si no se eliminan, estos provocan la decoloración del pergamino y hacen que los granos sean susceptibles a las levaduras. Después del lavado, los granos se secan. Cuando el proceso de secado no es lo suficientemente rápido, aparecen olores terrosos y mohosos, como el sabor a Río . [6]
La cantidad de agua utilizada en el procesamiento depende en gran medida del tipo de procesamiento. El procesamiento húmedo completamente lavado de las cerezas de café requiere la mayor cantidad de agua fresca, mientras que el procesamiento en seco requiere la menor cantidad. Las fuentes indican una amplia gama de usos de agua. [ cita requerida ] El reciclaje del agua en el proceso de despulpado puede reducir drásticamente la cantidad necesaria. Con la reutilización y técnicas de lavado mejoradas, se puede lograr hasta 1 a 6 m3 de agua por tonelada de cereza de café fresca; sin la reutilización, es posible un consumo de hasta 20 m3 / tonelada.
El agua utilizada en el procesamiento del café sale de la unidad de procesamiento del café con altos niveles de contaminación . El componente principal es materia orgánica , proveniente del despulpe y la eliminación del mucílago . [15] La mayoría del material orgánico en las aguas residuales es altamente resistente y los valores de DQO , la cantidad de oxígeno requerida para estabilizar la materia orgánica mediante el uso de un oxidante fuerte, constituyen el 80% de la carga contaminante, con valores tan altos como 50 g/L. [16] [17] La DBO , la cantidad de oxígeno requerida para la descomposición biológica de la materia orgánica en condiciones aeróbicas a una temperatura y tiempo de incubación estandarizados, [18] proveniente de material orgánico biodegradable puede alcanzar valores de 20 g/L.
Con un cribado (bruto) y la eliminación de la pulpa, los valores de DQO y DBO se reducen considerablemente. Se encontraron valores en el rango de 3-5 g/L para DQO y 1,5-3 g/L para DBO 5 [nota 2] . [11] Se registraron valores de 2,5 g/L para DQO y 1,5 g/L para DBO 5. [19] [20 ]
Una gran parte de la materia orgánica, pectinas , precipita como sólidos mucilados y puede eliminarse del agua. [16] Cuando estos sólidos no se eliminan y los valores de pH aumentan, se puede observar un aumento en la DQO.
Para optimizar el procesamiento anaeróbico de las aguas residuales, los valores de pH deben estar entre 6,5 y 7,5, en lugar de los valores generalmente presentes de pH = 4, que es altamente ácido. Esto se obtiene agregando hidróxido de calcio (CaOH 2 ) a las aguas residuales. Esto dio como resultado una solubilidad recuperada de las pectinas, aumentando la DQO de un promedio de 3,7 g/L a un promedio de 12,7 g/L.
El agua se caracteriza además por la presencia de compuestos flavonoides , procedentes de la piel de las cerezas. Los compuestos flavonoides dan lugar a una coloración oscura del agua a un pH de 7 o superior, pero no aumentan los niveles de DBO o DQO de las aguas residuales, ni tienen grandes impactos ambientales. Sin embargo, unos niveles más bajos de transparencia pueden tener un impacto negativo en los procesos fotosintéticos y en el crecimiento y las transformaciones de nutrientes por parte de (especialmente) las plantas acuáticas enraizadas. Muchos esfuerzos en las industrias de procesamiento de aceitunas y vino , con fondos relativamente grandes para la investigación, han estado tratando de encontrar una solución para este problema. Calvert menciona la investigación realizada sobre la eliminación de polifenoles y compuestos flavonoides por especies de hongos que digieren la madera ( Basidiomycetes ) en una solución sumergida con aireación utilizando aire comprimido. [21] Estos procesos complejos parecían ser capaces de eliminar los compuestos de color, pero las técnicas simplificadas y más baratas que utilizaban otros tipos de hongos (es decir, Geotrichum , Penicillium , Aspergillus ) solo prosperaron en aguas residuales altamente diluidas.
Las aguas residuales del café no son un flujo constante de agua con cargas uniformes de contaminación. El procesamiento de las cerezas de café es un proceso por lotes y, en función de los flujos de agua, se pueden determinar dos procesos: despulpado y fermentación/lavado.
El agua utilizada para despulpar las cerezas se denomina agua de despulpe y representa algo más de la mitad del agua utilizada en el proceso. Según Von Enden y Calvert, "el agua de despulpe consiste en azúcares de rápida fermentación de los componentes de la pulpa y del mucílago. La pulpa y el mucílago se componen en gran medida de proteínas, azúcares y el mucílago, en particular, de pectinas, es decir, carbohidratos polisacáridos. [15] Estos azúcares se fermentan utilizando las enzimas de las bacterias de las cerezas. Otros componentes del agua de despulpe son ácidos y sustancias químicas tóxicas como polifenoles (taninos) o alcaloides (cafeína).
El agua de despulpe se puede reutilizar durante el despulpe de la cosecha de un día. Esto da como resultado un aumento de la materia orgánica y una disminución del pH. La investigación en Nicaragua mostró que los promedios de DQO aumentaron de 5400 mg/L hasta 8400 mg/L con la mayor parte de la pulpa eliminada. [14] La caída del pH se puede atribuir al inicio de la fermentación del agua de despulpe. Esta caída continúa hasta que finaliza la fermentación y se alcanzan niveles de pH de alrededor de 4. El contenido de nutrientes del agua de despulpe en la carga máxima de DQO, que se consideró que refleja la máxima contaminación, se determinó durante esta investigación. La concentración de nitrógeno total (NT) en las muestras varió de 50 a 110 mg/L con un promedio en todas las muestras de 90 mg/L. La concentración de fósforo total (PT) en las muestras varió de 8,9 a 15,2 mg/L con un promedio en todas las muestras de 12,4 mg/L.
El lavado de los granos fermentados genera aguas residuales que contienen principalmente pectinas del mucílago, proteínas y azúcares. La fermentación de los azúcares (carbohidratos disacáridos) en etanol y CO2 genera condiciones ácidas en el agua de lavado. El etanol se convierte en ácidos acéticos después de la reacción con el oxígeno, lo que reduce el pH a niveles de alrededor de 4. La alta acidez puede afectar negativamente la eficiencia del tratamiento de las instalaciones de tratamiento que tratan las aguas residuales del café como un reactor anaeróbico o humedales artificiales y se considera perjudicial para la vida acuática cuando se vierte directamente en aguas superficiales .
Durante el proceso de lavado, la investigación en Nicaragua mostró una clara disminución de la contaminación de las aguas residuales. [14] Los valores de DQO caen de un promedio de 7.200 mg/L a menos de 50 mg/L. A pesar de que se permite descargar aguas residuales con valores de DQO inferiores a 200 mg/L en los cursos de agua naturales en Nicaragua, es aconsejable redirigir todas las aguas residuales al sistema de tratamiento. Esto se debe a que los niveles de DQO no se pueden determinar in situ durante el proceso de lavado y la descarga de las aguas residuales en aguas superficiales se basa en una inspección visual. Cuando el agua es "clara", se considera que está suficientemente limpia, pero los valores de DQO medidos durante la investigación mostraron que la descarga generalmente era demasiado rápida, lo que daba como resultado aguas residuales con niveles de DQO más altos de lo permitido. Otro efecto positivo de desviar las aguas residuales a un sistema de tratamiento es la dilución de las aguas residuales, lo que permite un mejor tratamiento por bacterias anaeróbicas debido a valores de pH más favorables y un mejor postratamiento debido a concentraciones más bajas de amonio.
La concentración de TN en las muestras de aguas residuales procedentes del lavado osciló entre 40 y 150 mg/L, con un promedio de todas las muestras de 110 mg/L. La concentración de TP en las muestras osciló entre 7,8 y 15,8 mg/L, con un promedio de todas las muestras de 10,7 mg/L.
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