Estudio de la descomposición termo-oxidativa de los residuos de la producción de cerveza para su uso en procesos de valorización energética

Abstract

[ES] La acumulación de enormes cantidades de desechos alimentarios provoca cada año una gran degradación ambiental y, especialmente, una pérdida significativa de material valioso que de otro modo podría explotarse en otros ámbitos como materia prima en la industria de la alimentación o en la producción de bioenergía. De hecho, se están realizando esfuerzos cada vez más importantes encaminados a la reutilización de subproductos agroindustriales, tanto desde el punto de vista económico como medioambiental.

La industria cervecera, con una gran producción a nivel mundial, resulta en la generación de un flujo constante de residuos. El grano exhausto de la cerveza (BSG) es el subproducto más abundante generado en el proceso de elaboración de esta bebida. Es un subproducto fácilmente disponible y de bajo coste, que consiste en la cáscara del grano de cebada junto con partes del pericarpio y la capa de la cubierta de la semilla que se obtiene como residuo sólido después de la producción de mosto de cerveza. Aunque es una fuente rica en fibras y proteínas, su uso principal se limita a la alimentación animal o simplemente al depósito en vertederos, a pesar de la amplia gama de posibles aplicaciones que ofrece. El aprovechamiento de estos recursos alternativos basados en BSG permitiría beneficiar a la industria cervecera a través de la valorización de este y también desde una perspectiva medioambiental. Sin embargo, existe una falta de conocimiento con respecto a la variabilidad de este residuo de bajo coste, su influencia en los procesos de valorización y su uso en biorrefinerías.

Este estudio pretende caracterizar dos tipos diferentes de BSG, obtenidos durante la producción de cerveza en una planta piloto a partir de las mezclas ORISC y WHEAT, así como de las maltas que las componen. Se estudió la composición, el poder calorífico superior, el contenido de volátiles, el carbono fijo, la humedad y la generación de cenizas. Además, se realizó el estudio del mecanismo cinético de descomposición durante la degradación termo-oxidativa a través de análisis dinámicos en un analizador termogravimétrico (TGA) a distintas velocidades de calentamiento en atmósfera oxidativa.

Se obtuvieron valiosos parámetros a partir de los ensayos de estabilidad termo-oxidativa, y se describieron los modelos matemáticos para las reacciones de descomposición termoquímica mediante la evaluación de los principales parámetros cinéticos: energía de activación (E_a), factor pre-exponencial (A), modelo de reacción (f(¿)). El denominado triplete cinético se calculó mediante la aplicación de métodos isoconversionales, el uso de Curvas Maestras y la validación con el criterio de Pérez-Maqueda.

Los resultados de este estudio sirven como base para la descripción del proceso de recuperación de energía en un reactor, utilizando los residuos de granos gastados de la industria cervecera como materia prima como vector energético.

[EN] Nowadays, the accumulation of huge amounts of food wastes every year has led to environmental degradation and especially to significant loss of valuable material that could otherwise be exploited as new health¿promoting ingredients, as additives, or in the production of bioenergy. Increasing efforts are being directed towards the reuse of agro-industrial by-products, from both an economic and environmental point of view.

A steady consumption of beer results in a steady output of residues. Brewer¿s spent grain (BSG) is the most abundant by-product generated in the beer-brewing process. It is a readily available by-product produced in large quantities throughout the year. BSG consists of the barley grain husks together with parts of the pericarp and seed coat layer that is obtained as solid residue after the production of beer wort. It is rich in fibres and proteins but, despite the wide range of possible applications, its main use is limited to animal feed or simply deposition to landfills. The study of alternative uses of BSG is appropriate, not only from the perspective of the brewer who can benefit from the valorisation of the produced by-product but also from an environmental outlook as the recycling and re-use of industrial wastes and by-products has become increasingly essential. However, a significant understanding gap regarding the variability of this low-cost residue, its influence in the valorisation process and its use in biorefineries exist.

This study attempts to characterize two different types of BSGs (ORISC and WHEAT) and the malts by which they are composed in terms of elemental composition, higher heating value, content of volatiles, fixed carbon, humidity, ash yield and to study the kinetic mechanism of decomposition during thermo-oxidative combustion. The two beers were produced starting from kits supplied by Spanish company Tu Cerveza Casera Homebrew. These are identified as ¿Old Rasputin Imperial Stout Clone¿ and ¿Wheat¿ kits. In terms of methodology, proximate analysis, ultimate analysis and calorific values were performed, as like as thermogravimetric analysis (TGA).

Valuable parameters were obtained by the application of Thermogravimetric Analysis (TGA). Thermogravimetric thermograms were determined at different heating rates, using oxygen as oxidative atmosphere. The thermo-chemical reactions were mathematically described through the definition of the main kinetic parameters: activation energy (E_a), pre-exponential factor (A), model of reaction (f(¿)). The so-called kinetic triplet was calculated through the application of iso-conversional methods, Master-Curves and Perez-Maqueda criterion.

The results of this study will serve as the baseline for the description of the energy recovery process in a reactor that uses brewer¿s spent grain residues as feedstock.