elocation-id: e3792
El objetivo de este ensayo fue mostrar como la gestión de residuos agroindustriales puede contribuir no solo a su valorización sino también a la reducción de la contaminación contribuyendo a la sostenibilidad económica ambiental. El estudio fue de 2017 a 2024, en la región conocida como la Comarca Lagunera en el Norte-Centro de México. Al inicio de este trabajo se presentan los resultados de un proceso local que, con sus limitaciones, añade valor contextual y aplicabilidad regional al tratar residuos, generar energía, producir abono orgánico y agua tratada de forma sostenible. La mejora y actualización de estos procesos locales iniciados hace varios años se comparan con el diagrama de la mariposa de Ellen MacArthur en una versión adaptada a los establos lecheros de la región. La revisión bibliográfica de experiencias documentadas en revistas científicas donde se discuten: la extracción de compuestos valiosos antes de la biodigestión, la digestión anaeróbica y el compostaje integrados, los tipos de residuos agroindustriales, la aplicación para biomasa de nueva generación y el análisis del ciclo de vida para evaluar el impacto ambiental. Finalmente, se destaca la valorización de residuos para procesos de biorrefinería y bioeconomía circular. Se concluyó que la bioeconomía ofrece beneficios, aunque su adopción enfrenta retos, requiriendo complementarse con estudios económicos, y en particular el diseño de procesos eficientes de recolección de residuos valiosos basados en una cadena de suministro que no solo logre hacer más ágil la captación de los residuos sino también procesos eficientes de producción y distribución.
biomasa, compostaje, residuos agroindustriales
La pregunta de investigación de este ensayo es: ¿cómo la bioeconomía circular puede aportar soluciones a problemas del sector agroindustrial de México al gestionar eficientemente los residuos agroindustriales de manera sostenible?
El ensayo está estructurado en cinco apartados, cada uno de los cuales discute perspectivas teóricas o prácticas.
Esta propuesta está basada en un estudio previo en la Comarca Lagunera de López et al. (2017), el cual describe un sistema de producción de biogás (SPB) con un enfoque de sostenibilidad de cuatro etapas definidas para el manejo de residuos y la obtención de biogás y otros productos útiles. En la etapa 1 de la Figura 1 se recolectan estiércol de vacas lecheras y agua residual de corrales y salas de ordeña. En la etapa 2, los residuos pasan a biodigestión, donde se transforman en biogás y subproductos.
En la etapa 3, el biogás se transforma en energía eléctrica y térmica, optimizando los recursos. Finalmente, en la etapa 4, el residuo sólido se convierte en abono mediante compostaje, y el líquido se deposita y mediante tratamiento en una laguna de oxidación el cual se utilizará como agua de riego. Este proceso integrado trata residuos, genera energía y produce abono y agua tratada de manera sostenible. El biogás se puede denominar biometano en el que la materia orgánica se convierte en metano y CO₂ en ausencia de oxígeno (Aghel et al., 2022). Los conocimientos sobre el tema tratado en este ensayo son derivados de trabajos de campo en establos lecheros de la Comarca Lagunera. Según estudios de: López et al. (2017); Espinoza-Arellano et al. (2018); Molina et al. (2020).
En la Figura 2, (ciclo EMF) parte izquierda, se observan los bucles del ciclo biológico o cascadas que devuelven nutrientes al suelo y ayudan a regenerar la biosfera dentro de un contexto agronómico.
A la derecha de la Figura 2 se muestra la adecuación realizada en este estudio, donde el diagrama de la mariposa se aplica en el contexto del SPB en establos lecheros de La Comarca Lagunera. Esta figura se alinea con las cascadas antes mencionadas, pues promueve el uso de sus residuos de manera sostenible y añade valor contextual y aplicable a la región.
Se comparó el diagrama de la mariposa del ciclo biológico de Ellen MacArthur basado en el concepto ‘de la cuna a la cuna’ de Braungart (2019), con una versión adaptada al contexto de los establos lecheros de la Comarca Lagunera, adaptando el diagrama al entorno local (derecha), considerando los siguientes pasos: recolección de materia prima, el estiércol y efluente líquido de corrales y salas de ordeña; digestión anaeróbica en biodigestores y producción de biogás, que permite mediante combustión quemar metano y generar electricidad y calor como muestra del valor añadido (Molina et al. 2020). Este ciclo intermedio EMF (2022) lo identifica como ‘regeneración en la biosfera’ la experiencia o resultados aplicados que presentan los autores, el ciclo comprende procesos de regeneración, ya sea mediante composta-abono orgánico o el uso de agua residual para riego, que previamente fluye hacia una laguna de oxidación para luego continuar al proceso de riego.
En una sociedad cada vez más consciente del ambiente, es esencial evaluar las opciones de valorización de la biomasa agrícola para cambiar su percepción de residuo a recurso. El enfoque de biorrefinería se propone como una vía para aumentar las ganancias del sector agropecuario, garantizando la sostenibilidad ambiental mediante la conversión de biomasa en combustibles, energía y productos químicos. Sin embargo, el autor destaca que esta propuesta es menos innovadora frente a procesos como la producción de bioetanol o la biotecnología blanca. Aunque estos procesos han sido planteados como unidades de operación para valorizar residuos agrícolas, aún no se ha realizado una revisión exhaustiva de su aplicación individual o conjunta en la literatura. El objetivo fue revisar estudios previos y actuales sobre la valorización de biomasa de residuos agrícolas, enfocándose en la extracción de compuestos valiosos, digestión anaeróbica y compostaje, ya sean residuos parciales o totalmente tratados. La Figura 3 representa un proceso bioeconómico circular, enfocado principalmente en el tratamiento de subproductos lignocelulósicos, vegetales y de frutas.
Este proceso es sostenible y circular, ya que genera energía, compost y recupera compuestos bioquímicos útiles para diversas industrias. En la digestión anaeróbica, los microorganismos descomponen material orgánico sin oxígeno, produciendo biogás y digestato, rico en nutrientes. Durante y después de la digestión, se extraen compuestos valiosos, como bioactivos y ácidos grasos. El material sólido restante se convierte en compost, mejorando la fertilidad del suelo y cerrando el ciclo al integrar nutrientes esenciales para futuros cultivos. Lakner et al. (2021) concluyen que la contribución de los sectores a la bioeconomía es compleja, por lo que se requiere planificación estratégica y una óptima asignación de recursos para cumplir los objetivos, analizar su rol en la economía lineal y sus efectos futuros.
Aunque su enfoque de biorrefinería es menos innovador en comparación con otras que producen bioetanol o biotecnología blanca, en su caso refiere principalmente el tratamiento de subproductos lignocelulósicos, vegetales y de frutas. El proceso de digestión anaeróbica propuesto por Fermoso et al. (2018) es un método ampliamente utilizado en la valorización de residuos orgánicos, caracterizado por la homogeneidad de sus procedimientos y resultados. El aporte clave de esta propuesta es que previamente se extrae del digestato o de productos intermedios formados en el proceso, compuestos de alto valor (bioactivos, ácidos grasos volátiles u otros productos bioquímicos). Por tanto, lo que llega al proceso de compostaje es un material sólido restante que puede aplicarse como nutriente al suelo, cerrando el ciclo al devolver nutrientes esenciales, apoyando así el crecimiento de futuros cultivos. Los autores entienden que es algo que no tiene perspectivas en La Laguna pues su aplicabilidad dependería del valor de los compuestos extraídos, así como de la demanda y la escala de producción.
Este trabajo enfatiza en la biodigestión y el compostaje donde señala (Figura 4) que la producción de biogás a partir de la digestión anaeróbica y el compostaje integrado (DACI) es el proceso que mejora principalmente la sostenibilidad global del tratamiento de residuos orgánicos (RO).
Por lo tanto, mejorar el rendimiento de la digestión anaeróbica (DA) se vuelve obligatorio para mejorar la implementación de la DACI para la gestión de RO. La producción de biogás a partir de RO escasamente biodegradable (residuos municipales verdes RMV, residuos agroindustriales RAI y lodos de depuradoras de aguas residuales LD) puede mejorarse de manera efectiva mediante pretratamientos de la materia prima antes de la DA (Atelge et al., 2022; Janz et al., 2022; Yaser et al., 2022). Aunque se han aplicado diferentes tecnologías de pretratamiento para mejorar la producción de biogás a partir de biomasas manteniendo una producción neta de energía (mecánica, térmica, química), no hay estudios de DACI donde los RO se pretraten antes del paso de DA. Por lo tanto, este tipo de biorrefinería (pretratamiento seguido de DACI) debe investigarse para evaluar su sostenibilidad global (Figura 4). Al aplicar los análisis de heterogeneidad se considera la propiedad, la escala, la industria y los factores regionales (Qi et al., 2022).
No obstante, la DACI propuesta puede ser una estrategia válida para un sistema completo de economía circular en el tratamiento de RO, se requiere más investigación para superar las lagunas identificadas. Técnicamente, falta información sobre el uso de lodos de depuradora LD como materia prima en el sistema DACI, considerando el potencial de energía y nutrientes recuperables pueden compostarse como fertilizante, procesarse anaeróbicamente para biogás, usarse en materiales de construcción, recuperarse nutrientes esenciales como fósforo o transformarse en biochar y gas de síntesis mediante pirólisis o gasificación. Los estudios a escala piloto son útiles, pero insuficientes para evaluar la sostenibilidad, por lo que se necesita implementar estudios a gran escala que evalúen el impacto ambiental en condiciones reales, o sea, debe abordarse todo el proceso de desarrollo tecnológico. La sostenibilidad económica de la DACI ha sido poco evaluada, y se necesitan más estudios que consideren los costos, beneficios de la producción de energía y biofertilizantes, y el tiempo de retorno de la inversión.
Con el aumento de la población humana y animal, la demanda y la producción de alimentos seguirán aumentando lo que conducirá a un incremento de la generación de residuos y a desafíos ambientales negativos. La producción agrícola sostenible y el procesamiento agroindustrial, la salud ambiental, humana, animal y climática dependen sustancialmente de una gestión eficaz de los residuos. La producción agrícola circular y los modelos de gestión bioeconómica de los residuos agroindustriales son fundamentales para lograr la visión de reducir considerablemente la generación de residuos, reutilizarlos y reciclarlos. Los residuos agroindustriales, se pueden clasificar en tres grandes categorías: reciclables y compostables, no reciclables y no compostables, y peligrosos (Figura 5).
Los residuos compostables, como la poda, paja, hojas, bagazo y estiércol, son reciclables y reutilizables en granjas o plantas de reciclaje. Estos residuos primarios provienen de la producción agrícola y ganadera, mientras que los secundarios, como huesos, cáscaras y desechos de mataderos, resultan del procesamiento agroindustrial. Es clave diseñar todo el proceso de desarrollo tecnológico y en particular -señalan los autores de este ensayo- definir procesos eficientes y posibles de aplicar para la recogida de residuos valiosos. Lo anterior se sustentaría en una cadena de suministro funcional que optimice los procesos de producción y entrega a su destino final. Por otro lado, los residuos no reciclables, como plásticos, contenedores metálicos y maquinaria, son difíciles de manejar por su volumen. Finalmente, los residuos peligrosos, como productos fitosanitarios, envases químicos y aguas residuales contaminadas, requieren un manejo cuidadoso por los riesgos que representan. Vargas-Canales et al. (2023) señalan que en México ‘las investigaciones se enfocan a cuestiones socioeconómicas y en menor magnitud al desarrollo tecnológico’.
Una gestión eficaz de los residuos es fundamental para la agricultura sostenible, los procesos agroindustriales y la protección del medio ambiente, la salud humana, animal y climática. Los modelos de producción agrícola circular y bioeconómicos para la gestión de residuos agroindustriales son esenciales para reducir, reutilizar y reciclar residuos. La investigación y la innovación continuas ayudarán a lograr el objetivo de convertir los residuos en recursos y crear un sistema agrícola sin desperdicios.
Resultados como los de Yaashikaa et al. (2022) analizan la valorización de residuos agroindustriales en el contexto de la biorrefinería y la bioeconomía circular. La evaluación del impacto del ciclo de vida (ACV) consta de tres fases: categorización, caracterización y normalización, las cuales permiten evaluar los efectos ecológicos. La categorización organiza los datos, la caracterización mide la magnitud de los impactos, y la normalización compara los resultados para obtener una visión completa. Este enfoque es fundamental para gestionar residuos y maximizar la producción de energía y productos valiosos, como combustibles, productos químicos y electricidad. La utilización de residuos agroindustriales como materia prima en la biorrefinería no solo genera energía, sino que contribuye a la sostenibilidad ambiental al agregar valor a los residuos. El uso en cascada de la biomasa impulsa el desarrollo económico mediante la generación de productos renovables (Vargas-Canales et al., 2023). El ACV aplicado a sistemas agroindustriales evalúa el rendimiento, enfrentando desafíos como la diversidad de materiales, el consumo energético y la recolección de datos. Este análisis es clave para abordar la degradación ecológica, la seguridad alimentaria y las crisis energéticas, destacando las diferencias entre los sectores agrícola e industrial. La Figura 6 representa un marco que integra el análisis del ciclo de vida (ACV) que sirve como base para evaluar el impacto ambiental de un sistema agroindustrial. El ACV permite evaluar el flujo de materiales, energía y cargas ambientales a lo largo del ciclo de vida de los productos agrícolas, desde la producción agrícola hasta el producto final.
A) marco del ACV donde se presentan los pasos de B a E; B) introducción del ACV en el sistema agroindustrial: esto implica aplicar el ACV para estudiar diversos aspectos del sistema agroindustrial, que depende de tres factores principales: condiciones de la finca (por ejemplo: tamaño, ubicación y recursos), Tierra agrícola (como fertilidad, calidad y uso de la tierra); funciones ecológicas que proporciona la finca o la tierra (biodiversidad, ciclo de nutrientes, etc.). C) problemas en la aplicación del ACV: recopilación de datos: recogida de información, lo que puede resultar complicado debido a la variabilidad de los métodos de producción. Límites de fronteras: establecimiento de los límites del sistema para decidir qué procesos deben incluirse (desde la extracción de recursos hasta la gestión de residuos). Evaluación de sistemas: desarrollo de criterios (son tecnológicos) para evaluar los impactos ambientales, sociales y económicos del sistema. D) aspectos centrales del ACV aplicado a los sistemas agroindustriales. Análisis de patrones de circulación: evaluación de cómo se reciclan los recursos agua, nutrientes y energía dentro del sistema. Unidades multifuncionales: muchos sistemas agroindustriales proporcionan más que solo producción de alimentos, como captura de carbono o mejoramiento del suelo. El ACV debe tener en cuenta estas funciones multifuncionales. E) producto agroindustrial: al final del proceso, el sistema produce un producto agroindustrial, que está influenciado por: entrada y salida de materiales; es decir: flujo de materias primas y productos. Energía: la requerida para la producción y el procesamiento. Diversidad: la diversidad biológica o de producción presente dentro del sistema. En conclusión, el marco ilustra visualmente cómo se puede incorporar el ACV en un sistema agroindustrial abordando diversos desafíos como la recopilación de datos y los límites del sistema y centrándose en el análisis de la circulación de recursos y la multifuncionalidad para producir productos agrícolas sostenibles.
El marco del ACV para sistemas agroindustriales incluye cinco pasos clave: A) estructura general del ACV; B) su introducción en el sistema agroindustrial considerando finca, tierra y funciones ecológicas; C) desafíos en su aplicación como recopilación de datos, límites del sistema y evaluación de impactos; D) aspectos centrales como circulación de recursos y multifuncionalidad y E) el producto final, influenciado por flujos de materiales, energía y diversidad. En conjunto, este enfoque permite integrar el ACV para optimizar la sostenibilidad agroindustrial.
Los modelos circulares y bioeconómicos son esenciales para reducir, reutilizar y reciclar los residuos agroindustriales. La investigación y la innovación han contribuido a lograr el objetivo de convertir los residuos en recursos y crear un sistema agrícola sin desperdicios. Es necesario un enfoque de optimización de la recolección de residuos (de campo, de procesos e industriales) con el apoyo de recolectores agrícolas instalando depósitos cercanos a las fuentes de biomasa para cumplir con las especificaciones de calidad. La economía circular agrícola busca maximizar beneficios ecológicos y económicos mediante el uso eficiente de energía y materiales, minimizando la degradación ecológica, mejorando la seguridad alimentaria y reduciendo la crisis energética. Del mismo modo al integrar el análisis del ciclo de vida, realizado en este trabajo, sirve como base para evaluar el impacto ambiental de un sistema agroindustrial. El análisis del ciclo de vida permite evaluar el flujo de materiales, energía y cargas ambientales a lo largo del ciclo de vida de los productos agrícolas, desde la producción agrícola hasta el producto final. Es tema clave que contribuirá a mejorar el aprovechamiento de los residuos agroindustriales.
Espinoza-Arellano, J. J.; Carrillo, A.; Molina, V. M.; Torres, D. y Fabela, A. M. 2018. Características técnicas y socioeconómicas de establos del sistema de producción intensivo de leche de vaca de la Comarca Lagunera. Revista Agrofaz. 18(1):101-109. https://www.researchgate.net/publication/330240797.
Fermoso, F. G.; Serrano, A.; Alonso-Fariñas, B.; Fernández-Bolaños, J.; Borja, R. and Rodríguez-Gutiérrez, G. 2018. Valuable compound extraction, anaerobic digestion, and composting: a leading biorefinery approach for agricultural wastes. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 66(32):8451-8468. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ACS.JAFC.8B02667.
Lee, J. H.; Yoo, H. Y.; Lee, S. K.; Chun, Y.; Kim, H. R.; Bankeeree, W.; Lotrakul, P.; Punnapayak, H.; Prasongsuk, S. and Kim, S. W. 2021. Significant impact of casein hydrolysate to overcome the low consumption of glycerol by Klebsiella aerogenes ATCC 29007 and its application to bioethanol production. Energ. Convers. Manage. 221(1):113-181. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113181.