Tratamiento de vinazas tequileras por medio de reactores anaerobios de flujo ascendente y reactores aerobios de película fija.

1. TRATAMIENTO DE VINAZAS DE TEQUILA
PROCESOS BIOLÓGICOS
Emiliano Rodríguez Téllez.
Water Treatment México, S.A. de C.V.
watermexico@prodigy.net.mx, abril de 2008
Resumen
Las vinazas de tequila contienen una gran cantidad de substancias provenientes directamente de la planta
de agave, producidas durante el cocimiento, la fermentación e incluso durante el destilado; adicional a
esto la concentración de este tipo de compuestos sumados, dan como resultado una concentración de 30 a
70 g/l medidos como Demanda Química de Oxígeno. El tratamiento de vinazas de tequila se puede lograr
de manera eficiente y con costos de inversión accesibles mediante procesos de alta tasa; los trabajos de
investigación realizados en los últimos cinco años por la empresa Water Treatment México, nos permite
hoy en día dar a conocer un sistema de tratamiento con el menor costos de inversión y operación, además
con recuperación de energía por medio del uso del biogás generado. El sistema de tratamiento que se
propone es el siguiente: (1) retiro de sólidos mediante flotación por aire disuelto o sedimentación, (2)
neutralización, (3) etapa aerobia, (4) etapa anaerobia, (5) etapa aerobia y (6) desinfección.
La alternancia de los procesos biológicos: aerobio-anaerobio-aerobio se encontró que reduce el tiempo de
tratamiento hasta en 50%, el cual normalmente es de 12 a 14 días de permanencia de la vinaza en
contacto con la masa microbiana; con el sistema propuesto se reduce el tiempo necesario para obtener
resultados satisfactorios, ya que disminuye la toxicidad del residuo aumentando la velocidad con la que
se degrada cada componente de la mezcla.
INTRODUCCIÓN.
La vinaza es una mezcla líquida de substancias solubles y materia suspendida que el
agave contiene originalmente y otras que se generan durante las etapas de cocción,
fermentación y destilación; los diferentes compuestos encontrados en la vinaza,
contabilizan más de 500, entre los que se encuentran los ácidos orgánicos como el
acético, aldehídos, cetonas, terpenos, alcoholes y la concentración total de estos es
entre 30,000 y 70,000 mg/l medidos como Demanda Química de Oxígeno (DQO).
Estas características de la vinaza de tequila, son las que hacen diferente a este residuo de
otro tipo de vinazas como las de la caña de azúcar o la de otro tipo de residuos de
destilación; esta dificultad se presenta como una inhibición que sufren los
microorganismos que da como resultado tiempos de permanencia altos en los reactores;
aumentando con esto el costo de inversión de los sistemas de tratamiento por la
necesidad de reactores biológicos de gran tamaño.
Los estudios realizados consideraron resolver este problema y para esto se demostró que
aplicando un sistema similar al usado para otras vinazas (ron, alcohol), los costos de
inversión por fabricación de reactores, siempre resultaban extremadamente altos. Para
reducir el tiempo de biodegradación de los contaminantes presentes en la vinaza de
tequila se demostró la importancia de realizar una eliminación de materia suspendida y
coloidal, antes de las etapas biológicas, para evitar la disolución posterior de estas
partículas y el aumento de carga con substancias provenientes de la lignina y la celulosa
de la fibra de agave.
Con la eliminación de las partículas suspendidas de la vinaza, se obtienen mejores
resultados en las etapas biológicas. El siguiente paso considerado para reducir los
tiempos de tratamiento, fue aumentar el número de etapas biológicas y para esto se

2. incluyó una etapa compacta de tipo aerobio, antes de la etapa anaerobia que
tradicionalmente se utiliza en primer lugar; con esto se demostró que la oxidación
biológica inicial, aumenta la capacidad de la etapa anaerobia, lográndose con facilidad
remociones de materia orgánica por arriba de 90% y con tiempos de contacto de apenas
3-4 días, cuando tradicionalmente se obtenían estas eficiencias con 12-14 días, el
resultado final es una reducción de costos de inversión.
Para llegar a estos resultados fue necesario utilizar reactores anaerobios de flujo
ascendente y lecho expandido; estos reactores por diseño tienen la capacidad de tratar
líquidos con alto contenido de materia orgánica y con bajos tiempos de residencia y
empiezan a ser usados con mayor frecuencia en nuestro país
COMPONENTES DE LA VINAZA.
La vinaza es el residuo líquido final de la producción de tequila y como se mencionó
anteriormente, está compuesta por una gran cantidad de productos. Originalmente el
agave contiene entre algunos otros compuestos; esteres etílicos de ácidos grasos como
laurico, miristico, pentadecilico, palmítico, palmitoleico, margarico, esteárico, oleico,
linoleico. También se han identificado terpenos, ente los que se encuentran el α-
felandrono, α-terpineno, ρ-cimeno, limoneno, β-trans-ocimeno, β-cis-ocimeno,
sabineno, linalol, 2,4,6- octatrieno, 4-terpineol, α-terpineol, nerol, formiato de bornilo,
greaniol, α-cubebeno, copaeno, antrastrepteno, β-farneseno, germacreno, α-
curcumeno, α-muroleno, α-bisaboleno, cadineno, α-pirovetiveno, cedrol, trans-nerolidol,
cardeleno, cadinol, α-bisabolol.
Durante el cocimiento de la piña de agave o el jugo, el contenido de azucares reductores
aumenta como consecuencia de la hidrólisis de polisacáridos. El color se intensifica por
la generación de compuestos de Maillard, que son el resultado de la reacción entre
compuestos aminados, como proteínas o aminoácidos con los azucares. Los compuestos
de Maillard encontrados durante el proceso de cocción fueron ácidos, alcoholes, furanos,
aldehidos, cetonas, compuestos aromáticos, terpenos, piranos y compuestos de
nitrógeno y azufre.
La etapa de fermentación es otra etapa que genera compuestos, entre los principales se
tienen los siguientes alcoholes, además del etílico que se genera en mayor proporción:
metílico, isoamílico, isobutílico.
DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO.
Para realizar un proyecto de tratamiento de agua residual de residuos especiales, se debe
considerar una etapa de estudios de tratabilidad. Los estudios de tratabilidad se realizan
cuando no se tienen suficientes datos del comportamiento del residuo a tratar en un
proceso en particular y sirven para determinar los principales parámetros de diseño,
además que facilita la puesta en operación del sistema de capacidad total. Con los
resultados obtenidos en la etapa de tratabilidad se procede a realizar el proyecto final.
Estudios de tratabilidad.
Nuestro personal técnico ha realizado estudios de tratabilidad durante los últimos 2 años
de manera intensiva, actualmente mantenemos operando algunos reactores de lecho

3. expandido con diferentes clases de soporte granular. Para llegar a definir el tren de
tratamiento con menor costo de inversión, se realizaron estudios a nivel laboratorio y a
nivel planta piloto, donde se utilizaron reactores biológico de tipo anaerobio y aerobio.
Los reactores usados en los estudios fueron Filtros Anaerobios de Flujo Ascendente,
Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente con Manto de Lodo (UASB), Reactor
Anaerobio de Lecho Expandido EGSB y reactores aerobios de película fija y de mezcla
completa (Lodos Activados).
La literatura técnica coincide en utilizar la secuencia de reactores anaerobio-aerobio
para obtener los mejores resultados en el tratamiento de vinaza, en teoría esto favorece
la biodegradación de compuestos aromáticos y compuestos alifáticos en general; los
estudios realizados en nuestras instalaciones demostraron que para vinazas de tequila el
tratamiento inicial con una etapa anaerobia presenta una inhibición y los tiempos de
contacto del microorganismo con el la vinaza en el reactor, para obtener una remoción
de 90% de DQO, se alargan a más de 12-14 días, dependiendo de la concentración
inicial de DQO.
Un logro importante de los estudios piloto fue haber reducido el tiempo necesario de
contacto en los reactores anaerobios, mediante una etapa aerobia compacta previa a la
etapa anaerobia; sin embargo esto es más bien una regla que se aplica cuando se tiene
un residuo con alta concentración y variedad de contaminantes.
La remoción de sólidos suspendidos y coloidales que se realiza con ayuda de
coagulantes y floculantes es de gran importancia para evitar que los sólidos suspendidos
(fibras de agave) se disuelvan parcial o totalmente por las enzimas extracelulares de los
microorganismos anaerobios y provoque con esto un aumento de carga soluble.
El uso de reactores de alta tasa fue fundamental para lograr reducir los tiempos de
tratamiento; el reactor de lecho expandido de flujo ascendente (EGSB), con arena
pómez (pumita, pumicita, jal) como medio soporte para inmovilizar microorganismos
activos, logra una eficiencia promedio de 90% en la eliminación de DQO.
Utilizando arena pómez (JAL) de un máximo de 2 mm se logra inmovilizar una
cantidad de microorganismos extraordinariamente alta; la concentración de
microorganismos (SSV) en los reactores llega a ser entre 100 y 150 g/l; la gravedad
específica de la arena JAL sin humedad es de 0.4 a 0.9, cuando se ha formado la
película sobre la partícula de arena, el comportamiento de estos gránulos presentan
ventajas sobre otros con medio de soporte distinto, ya que la densidad resultante es ideal
y permite una expansión del lecho, sin que se pierdan microorganismos por arrastre.

4. Lodo granular de reactores de flujo ascendente.
Las velocidades de agua que se pueden manejar dentro del reactor anaerobio EGSB, por
efecto de la recirculación, con el uso de arena de JAL como soporte es entre 3 y 12 m/h,
esto provoca un contacto intenso entre el microorganismo y el contaminante soluble y
da como resultado reactores muy compactos. La carga orgánica que se utilizó en los
estudios piloto fue de 10 a 40 g DQO/m3
– día, con eficiencias promedio de 80 a 90%
en la eliminación de DQO.
Los mejores resultados se obtuvieron cuando se trabaja con un mínimo de dos reactores
en serie, esto favorece la separación de la etapa acidogénica de la metanogénica.; con
dos o tres reactores en serie los tiempos para estabilizar el proceso es de 2-3 semanas (2-
3 meses con una etapa) y el proceso es menos afectado por factores externos.
Otro reactor importante dentro del sistema de tratamiento es el aerobio de película fija,
que a pesar de ser un proceso ampliamente conocido (filtros percoladores, biodiscos),
para nuestro estudio se utilizaron filtros percoladores de alta carga, con algunas
adecuaciones en diseño y operación. Este reactor se utiliza antes y después de la etapa
anaerobia; los estudios de tratabilidad demuestran las ventajas de utilizar este tipo de
reactores; aplicado antes de los reactores anaerobios, facilitan la metanogénesis y
aplicado posteriormente, ahorra el costo de un reactor aerobio de lodos activados
excesivamente grande.
Los trabajos de investigación realizados por el cuerpo técnico de WTM ha permitido
llegar a las siguientes conclusiones respecto al tratamiento de vinazas de tequila:
 Es posible el tratamiento de vinazas de tequila para cumplir la calidad de
descarga solicitada por la normatividad.
 La materia suspendida en la vinaza de tequila representa una fracción importante
del total de contaminantes que debe removerse antes del tratamiento biológico;
sin embargo ésta es la parte más sencilla de remover.

5.  El uso de productos químicos como coagulantes y floculantes son útiles para
ayudar a remover sólidos suspendidos y coloidales; pero no remueve materia
soluble.
 Las características de los compuestos que se encuentran en las vinazas de
tequila, hacen que la degradación de este residuo mediante la aplicación de un
solo proceso biológico (anaerobio o aerobio) sea inviable desde el punto de vista
económico.
 La aplicación de procesos biológicos alternados y la aplicación de un mayor
número de etapas de tratamiento, reduce el tamaño global y el costo de inversión.
 Es necesario utilizar reactores biológicos de alta carga para reducir el tamaño de
los mismos y con esto el costo de inversión.
 El uso de la tecnología anaerobia de flujo ascendente y de lecho expandido y
fluidizado es recomendable para optimizar costos de inversión y operativos.
 El uso de micronutrientes reduce el tiempo de estabilización de los reactores
anaerobios y aumenta la eficiencia de éstos.
 El biogás generado en los reactores anaerobios contiene entre 60 y 80% de
metano y puede ser utilizado como combustible dentro del proceso de
elaboración del tequila o para aumentar la temperatura al reactor y mejorar su
eficiencia..
COSTOS DE INVERSIÓN.
Los resultados obtenidos a nivel laboratorio en el tratamiento de vinazas de tequila
utilizando reactores anaerobios de lecho expandido con alta retención de
microorganismos, permite realizar proyectos de plantas de tratamiento a costos
reducidos.
La reducción de tamaño de los reactores anaerobios en aproximadamente 50%, permite
un ahorro importante para la implementación de un sistema de tratamiento de vinazas.
Adicional a la reducción en el costo de inversión se tiene un ahorro en consumo de
energía, si consideramos que el reactor anaerobio será el responsable de remover el 90%
de los contaminantes y utilizando un mínimo de energía.
Los reactores anaerobios representan un 25 a 30% del costo total de un sistema para
tratar vinazas de tequila; con este dato es posible estimar el costo de la planta de
tratamiento.
Los costos de inversión para instalar una planta de tratamiento de vinazas, incluyen: (1)
Proyecto, (2) Construcción de tanques de acero inoxidable, (3) Equipo electromecánico,
(4) Obra civil, (5) Puesta en operación, (6) Equipo y material de laboratorio.
Una planta de tratamiento de 100 m3
/día de vinazas con un promedio de 50 g/l de DQO
y para obtener un efluente tratado de 250 mg/l, considerando dos reactores anaerobios

6. EGSB de 200 m3
cada uno y construidos en acero inoxidable, con un tiempo de
residencia total de 5 días, además de dos filtros percoladores con empaque de PVC, un
reactor de lodos activados de 2 días de residencia y tratamiento de lodo mediante filtro
prensa, tiene un costo estimado en dólares de $ 500,000.00 USD.
A continuación se presenta un resumen de precios estimados para diferentes tamaños de
sistemas de tratamiento.
VINAZA
m3/día
$ USD
10 70,000
25 145,000
50 280,000
100 500,000
200 900,000
500 2´150,000