Aprovechamiento de los residuos del cafe

Aprovechamiento de los residuos

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Negocio
Cafeto (Coffea arabica)
Anatomía
despulpado-1s
Residuos
Biochar de Cáscara y pulpa de café
Biochar
Pellets 100% cascara y pulpa cafe
Pellets
TDM, une entreprise durable
TDM, une entreprise durable

El proyecto Tierras de Montaña es un proyecto social y ambiental que contempla la fabricación de entre 15.000 y 17.000 toneladas de Biochar para su comercialización, gestión y generación de certificados de remoción de CO2 puro-earth (CORC).

Un proyecto reproducible cuyo piloto será ejecutado en el área de Tolima, Planadas en colaboración con el Municipio de Planadas y Asopap, una asociación de 54 familias cafeteras.

El negocio de TDM es la producción de Biochar, teniendo en cuenta un área total de 3500 hectáreas entre ellas 1000 hectáreas de restauración forestal y 2500 hectáreas de agroforestería  dedicada al café.

El inicio del proyecto está segmentado y ofrece la posibilidad de comenzar con la producción de biochar utilizando los residuos de la cosecha de café de la región, a cambio del proceso de pulpado, fermentación, secado y/o compostaje o simplemente comprando directamente la biomasa.

Otra posibilidad sería iniciar la producción de café y la regeneración forestal, seguida de la recuperación de residuos por medio de la creación de una unidad de pirólisis.

¿Qué Es Un Grano De Café?

ANATOMÍA DE LA CEREZA DE CAFE

Cafeto (Coffea arabica)
Cereza o Drupa del Cafeto
Corte cereza, estructura compuesta de dos granos(endospermos) envueltos en pergamino (endocarpio) y pectina, dentro de la Cáscara compuesta de pulpa(mesocarpio) y piel exterior (epicarpio-exocarpio)
Cargando cerezas en la tolva de suministro
La recuperación de la pulpa y la piel se realiza durante el procesamiento de las cerezas.
El café se recupera en pergamino durante el procesamiento de las cerezas, luego las semillas se colocan en fermentación antes de secarse.
El secado de la biomassa

El cafeto es una planta y los granos de café crecen en las cerezas de color rojo intenso del cafeto.
Dentro de la cereza está el material que contribuye a la calidad de tu taza, los granos crecen con esta materia que forma más del 80 por ciento de la cereza, la llamamos residuos y está subutilizada y sin embargo en muchas circunstancias contamina las aguas.

Cada parte de la cereza de café tiene un impacto en el método de procesamiento y el perfil final de tu café.

Los granos que tostamos, molemos y usamos para preparar café son las semillas de un fruto.
El cafeto produce cerezas de café y los granos son las semillas, que se encuentran dentro de las cerezas.
Los cafetos pueden crecer de forma natural hasta superar los 9 m.

Pero los productores mantienen las plantas bajas mediante la poda y el zoqueo para conservar su energía y facilitar la cosecha.
Los árboles más pequeños tienen una mejor calidad y un mejor rendimiento de la cosecha en un espacio limitado. Cada árbol está cubierto por hojas cerosas de color verde que crecen en pares y las cerezas de café crecen a lo largo de las ramas.
Dependiendo de la variedad, un cafeto tarda entre tres y cuatro años en dar frutos.
Un cafeto normal produce 10 lb de cerezas de café por año, que equivalen a alrededor de 2 lb de granos verdes.
Pero existen distintas variedades de café y sus granos tienen muchas características diferentes.
El tamaño, el sabor y la resistencia a las enfermedades varían, entre otros factores. 

LAS CAPAS DE UNA CEREZA DE CAFÉ 

La piel o cáscara de la cereza de café se llama exocarpio o epicarpio y es verde hasta que madura y se vuelve de color rojo, amarillo, naranja o incluso rosa brillante, según la variedad. 

No se deben confundir las cerezas de café verdes con los granos de café verdes, que son las semillas sin tostar que provienen de la cereza de café madura.

Debajo de la piel de cada cereza hay una capa delgada que se denomina mesocarpio, también conocida como pulpa. El mucílago es la capa interna de la pulpa.

También hay una capa de pectina debajo del mucílago. Estas capas son ricas en azúcares, los cuales son importantes durante el proceso de fermentación.

Luego, llegamos a las semillas de café, cuya denominación técnica es endospermo, pero que nosotros conocemos como granos. Por lo general, hay dos granos en una cereza de café, cada uno de ellos está cubierto por una capa fina de epidermis conocida como película plateada es una cascarilla similar al papel, que llamamos pergamino (técnicamente el endocarpio). Generalmente, el pergamino se remueve durante el trillado, que es el primer paso en el proceso de beneficio seco.

Se utilizan máquinas o molinos de piedra para retirar de los granos cualquier fruto que haya quedado y el pergamino seco.

Pero a veces, (no por la exportación) se venden los granos verdes con esta capa intacta como café pergamino.

La película plateada es un grupo de células esclerénquimas que están muy adheridas a los granos. Estas células se forman para ayudar y proteger a la semilla, y se despegan durante el tueste. En esta fase se conocen como cascarilla.

 A veces, solo hay una semilla dentro de una cereza de café y es más redonda y grande de lo normal.

Esto sucede aproximadamente en el 5% de las cerezas y a los granos se les denomina caracolillos (o caracoles). Los caracolillos pueden ser una variación anatómica de la planta o se pueden formar cuando no hay suficiente polinización y un óvulo no está fecundado.
A veces, la semilla simplemente no crece, ya sea por causas genéticas o condiciones ambientales. Los caracolillos suelen aparecer en las partes del cafeto que están expuestas a pésimas condiciones climáticas. 

EL IMPACTO DE LA ANATOMÍA EN TU TAZA

En general, se desecha el fruto y la piel de la cereza de café, pero a veces se dejan secar para hacer cáscara para té y otros productos.

Es difícil remover la piel y el mucílago de los granos de café y se han desarrollado varios métodos de procesamiento para lograrlo. Cada método tiene un efecto en el sabor y el perfil del café final.
1/ Para el café lavado se elimina toda la pulpa antes del secado.
2/ En el caso del café natural, se remueve la pulpa luego del secado.
3/ El proceso honey y despulpado natural, se quita la piel y a veces parte del mucílago antes del secado, pero el mucílago que queda y las otras capas se eliminan luego.

El productor mueve los granos de café en canales de lavado Lavando los granos de café.

Dejar el mucílago produce un café más dulce con más cuerpo.

Los cafés lavados tienen sabores limpios y más consistentes que pueden destacarse por su acidez.

Los cafés naturales son mucho más afrutados y dulces y tienen más cuerpo.

Los azúcares del mucílago también fermentan durante el procesamiento seco y el lavado, y esto tiene un impacto en el sabor final.

Si no se monitorea con atención y el secado no es consistente, el impredecible proceso de fermentación puede producir características no deseables.

Los Residuos de Cultivo de Café

Pulpe de café
Pour produire du Biochar de café on utilise la peau et la pulpe.

Apartir de la comparación de los diferentes elementos nutricionales y las propiedades fisicoquímicas de los biocarbones estudiados (Zawada-Ospina Pereira 2020) se identificó que el biochar de pulpa de café logra llegar a tener similitudes con algunos de los datos descritos en los elementos de los macronutrientes, micronutrientes y características físico-químicas de los diferentes biochars, sirviendo esto de referencia para determinar aquellas variables que se pueden considerar más importantes para la caracterización de los usos que tiene o que puede potencializar el biochar de pulpa de café, esto fue de vital importancia ya que permitió dar la identificación de los posibles usos agrícolas del biocarbón de pulpa de café, en donde se lograron identificar que las biomasas de residuos de hojas, residuos de arbustos, residuos de árboles, paleta astilla, desechos alimentarios y cáscara de avellana presentan similitudes en cuanto a los usos del biochar de pulpa de café, siendo estos principalmente de fertilización de suelos, mitigación del cambio climático, aporte de nutrientes y retención de contaminantes. Considerando una producción diaria de biocarbón de 150 kg y mensual 3600 kg, se estimaron unos costos de producción que arrojaron valores de COP 73.024 y COP 1.649.611 respectivamente; lo que lleva a un costo de producción de COP 458.23 por kilogramo considerablemente bajo para este tipo de productos por sus pocos insumos y que son de bajo costo. Esto permite asegurarle al campesino un trabajo y una remuneración digna que se verá reflejada en la mejora de su calidad de vida y en su rendimiento laboral por la satisfacción y seguridad que ésta labor le genera.
Se determinaron condiciones de mejora de la calidad ambiental por la reducción en la contaminación y degradación ambiental producida por la inadecuada disposición de la pulpa de café post-beneficio.
La rentabilidad económica dependerá de los beneficios ya mencionados y podría verse reflejada en un mediano plazo, por lo tanto, los beneficios socioeconómicos y ambientales se convierten en dinámicas recíprocas en donde el “recibir” o “ganar” requiere de un esfuerzo e implica el “ceder”, formalizando así los principios de actuación de la economía circular.
Se pudo demostrar que el biocarbón de pulpa se postula como un producto sostenible y a su vez como una estrategia de producción más limpia que cumple con las especificaciones dadas desde el enfoque de la economía circular, un residuo orgánico que es tomado como materia prima para ser transformado y finalmente reincorporado a los diferentes procesos de la industria agrícola como un producto orgánico capaz de contribuir al mejoramiento y productividad sobre las características físicas, químicas y biológicas del suelo, minimizando los impactos negativos provenientes de la recurrente utilización de fertilizantes inorgánicos generando beneficios ambientales y a su vez socioeconómicos. Esto permitió establecer que las prácticas agrícolas pueden ser desarrolladas de forma eficiente sin la presencia de productos químicos que lo que finalmente logran es un efecto contrario sobre el ambiente y el bienestar de las personas. El estudio referente al biocarbón ha tomado relevancia en los últimos años en países como Estados Unidos y Brasil por ser un producto innovador, en Colombia aún es un campo de investigación relativamente nuevo al cual no solo se le debe seguir propiciando información sino también aplicabilidad.

Biochar de pulpe de café

100% Cáscara y pulpa
Pellets de pulpa y cascara

La producción de energía partir de los residuos de café es una alternativa con gran potencial para contribuir a la sostenibilidad energética del sector.

Adicionalmente, la producción de biocombustibles a partir de los residuos del café posicionaría a esta industria como cero residuos, y que coadyuva a la solución del problema del cambio climático.

A continuación, se comentan algunos de los estudios realizados en esta temática.

El agua drenada del extracto de la cereza del café es un fuente potencial para la producción de biogás; el extracto de cereza que se recolecta y calienta, y se convertirá en una masa hirviente de microorganismos de todo tipo que trabajarán en los jugos de la fruta pegajosa desprendidos. Una fermentación apropiada y otros procedimientos permitirán reducir el pH, y el proceso de neutralización posterior da lugar a una espuma de CO2; la evolución del CO2 en este punto permite la posterior producción de biogás (Rathanivelu y Graziosi, 2005).

El biogás producido puede quemarse para generar electricidad, y todo el calor residual puede utilizarse para secar el café. Se ha informado del rendimiento del biogás oscila entre 0.500 y 0.598 m3/kg de materia orgánica seca, con una concentración de metano de entre el 55 y el 61% (Neves y cols., 2005; Neves y cols., 2006; Vitez y cols., 2016; Luz y cols., 2017; Girotto y cols., 2018).

Otra alternativa energética son los pellets combustibles, los cuales son biocombustibles densificados de biomasa pulverizada procedente de limpiezas forestales, industrias madereras, residuos agroindustriales y biomasa lignocelulósica. Para elaborar los pellets, los residuos deben ser triturados, y, posteriormente, son secados para finalmente ser prensados en forma de pequeños cilindros. El pellet se utiliza como biocombustible para generar energía eléctrica y/o calorífica de una manera limpia. Actualmente se han realizado estudios para la producción de pellets combustibles a partir de zacate, rastrojo de maíz, heno, residuos de jardinería, así como pajas de diferentes granos como cebada, arroz y de trigo (Pradhan y cols., 2018). Respecto a los residuos de café, se han hecho mezclas de éstos con desechos de madera de eucalipto, lo que ha dado origen a pellets de mayor durabilidad, dureza y densidad de energía neta.

No obstante, no se ha estudiado la producción de pellets combustibles a partir de residuos de café, los cuales podrían usarse en el mismo proceso de producción de café, convirtiendo a esta industria en sostenible y de bajo impacto ambiental. Por ello que se requiere más investigación de cómo darle un uso a los desechos o subproductos generados de la industria del café.

Potencial de producción de pellets com- bustibles a partir de residuos de café

Como se mencionó anteriormente, de acuerdo con la Organización Internacional de Café, Colombia en el año 2018 tuvo una producción de 813,420 toneladas de café verde (ICO, 2019); esto equivale a 2,323,940 toneladas de café cereza que se producen en las tierras cafetera del país, en una superficie cosechada de 974,000 hectáreas (FNC 2019). Se genera en Colombia una gran cantidad de residuos, los cuales se pueden revalorizar para la fabricación de pellets combustibles; dichos pellets se emplean como un biocombustible limpio para generación de energía calorífica y/o eléctrica. Se estima que el potencial energético de la biomasa residual industrial (rubro donde consideran a los residuos del café) es de 0.003837 TJ/ton.

Por lo que el potencial energético de los residuos se estima en 3155 TJ. Por lo que, los pellets combustibles de residuos de café en Colombia permitirían generar 3,155.00 TJ (320.83 GWh); cabe mencionar que dicha cifra no considera pérdidas en el proceso de producción y que existe la infraestructura necesaria para el traslado de los residuos. De manera particular.

Considerado la distribución geográfica de los productores de café, es importante señalar que en muchos de los casos no existe la infraestructura necesaria para el traslado de los residuos a los centros de producción. Por ende, se requiere realizar un estudio de la cadena de suministro que considere estos aspectos. No obstante, una solución podría ser el establecimiento de centros de producción de pellets para 3 o 5 comunidades que estén relativamente cercanas; dichos pellets podrían ser usados por los mismos productores para satisfacer las necesidades de energía térmica en sus hogares o inclusive en el proceso de secado de café

El café es uno de los productos más importantes a nivel mundial, lo cual se ha reflejado en el crecimiento sostenido de su producción global. Derivado de su proceso de producción se generan una gran cantidad de residuos, los cuales pueden revalorizarse para la generación de productos de valor agregado, así como biocombustibles.

En particular, la conversión de estos residuos en biocombustibles permitiría que la industria del café migrara hacia una economía circular con bajo impacto ambiental.

Résidus de récolte de café
Le séchage de la biomasse

Los residuos del cultivo de café
En el cultivo de café se generan una gran cantidad de residuos durante el procesamiento de la fruta a la taza, aproximadamente 350 gramos de residuo seco por cada kilogramo de grano de café; dependiendo del método empleado para la obtención del grano de café, será el tipo de residuo liberado. Los dos métodos básicos para el procesamiento de café son el método húmedo y el método seco. El café procesado por el método húmedo, también se le llama café lavado o café pergamino. Este método consiste en eliminar la pulpa de la fruta que cubre los granos con una despulpadora antes de que se sequen. Por otro lado, el método seco se considera el más antiguo y simple; en este método, los frutos recién cosechados se secan y posteriormente se clasifican y ensacan. Si el procesado es realizado en seco, los principales residuos generados son la piel, la pulpa, el mucílago y cascarilla; todos estos residuos se agrupan en una misma fracción llamada cáscara o cascabillo de café. Mientras que el procesado en húmedo permite la recuperación de la piel y la pulpa en una sola fracción, el mucílago y azúcares solubles en una segunda fracción, y la cascarilla en una tercera fracción. De los varios residuos del procesado del café, la pulpa de café es el que se genera en mayor cantidad (43 % en procesado en húmedo) (Mussatto y cols., 2011). La cascarilla y la pulpa de café comprenden cerca del 45% de la cereza, y son los principales subproductos de la industria del café, Figura 3.

Fig. 3

En los países productores de café, los desechos y subproductos constituyen una fuente de contaminación, que ocasiona un grave problema ambiental. En la mayoría de las fincas cafeteras existen unidades de procesamiento de café, en las cuales se realiza una disposición no adecuada de la pulpa, la cascarilla y los efluentes del café; lo anterior origina que se contamine el agua y la tierra alrededor de las unidades de procesamiento. Estos residuos contienen taninos, a los que se le atribuye la baja biodegradabilidad y que incluso se les ha denominado agentes recalcitrantes; además de ser vistos como reductores de la calidad nutricional.

La pulpa de café es el principal residuo de los cultivos, representa el 29% del peso seco de la fruta entera, y su alto contenido de humedad hace que sea difícil su eliminación.

Por otro lado, las cascarillas de la cereza del café representan alrededor del 12% de la fruta entera, y se compone de agua (15.0%), celulosa (24.5%), hemicelulosa (29.7%), lignina (23.7%) y cenizas (6.2%) (Gouvea y cols., 2009; Bekalo y Reinhardt, 2010).

En 2018 se produjeron 10,256,220 toneladas de café verde a nivel mundial, de las cuales cerca del 10 % fue generado en Colombia.

Por otra parte, por cada kilogramo de café se producen 350 g de residuos. Por lo que, en Colombia se generaron 358,985.6 ton de residuos de esta industria en 2018.
Considerando que los procesos de biodegradación de los residuos de café requieren tiempos muy largos y una gran demanda de oxígeno es claro que su incorporación directa en el ambiente representa un alto riesgo para la flora y fauna de esos ecosistemas.

Al respecto, en Colombia muy pocas o ninguna industria controla los residuos generados de la producción del café, y por lo tanto sigue siendo un problema de contaminación (Wong y cols., 2013). Por ello, se requiere de estrategias que posibiliten su revalorización, tópico que se discute en la siguiente sección.

Revalorización de los residuos de cultivo de café

La revalorización se define como el proceso mediante el cual los residuos se transforman en nuevos productos que pueden insertarse en el mercado; dichos productos pueden incluir productos de alto valor agregado, productos químicos, productos biotecnológicos, cosmetológicos, así como biocombustibles. Derivado de la revalorización es posible eliminar el residuo que genera el problema de contaminación, y al mismo tiempo mejorar la rentabilidad del proceso por la comercialización de los productos, o en el caso de los energéticos su uso dentro del proceso.

En los residuos del café, la pulpa de café y la cáscara sólo habían sido utilizados como fertilizante, alimento para el ganado, composta, así como adsorbente para la remoción de compuestos tóxicos para la manufactura de ácido giberélico; no obstante, en estas aplicaciones se emplea sólo una pequeña fracción de la cantidad disponible de residuos, ya que no son técnicamente muy eficientes.

Por ello es necesario encontrar otros usos para este residuo sólido.

A continuación, se presentan algunas alternativas de uso de los residuos y subproductos del café que se han reportado en la literatura.

Una de las alternativas considera la fermentación sólida de la pulpa de café utilizando el hongo Aspergillus niger; como resultado de este proceso se disminuyen significativamente los niveles de polifenoles, fibra y cafeína de la pulpa, y se aumenta en 10% su contenido de proteína. Otra opción es la del ensilaje de la pulpa de café para ser utilizado como alimento de algunos animales de ganado lechero o de granja.

Por otra parte, la pulpa puede ser empleada como abono orgánico, debido a su contenido de potasio, fósforo, calcio y otros micro minerales que ayudan al desarrollo de la fertilidad de los suelos. En la actualidad, el abono de la pulpa de café se utiliza en diversas plantaciones, preferentemente en las nuevas plantaciones de café. Recientemente se han realizado estudios sobre el uso de los subproductos del café para la producción de papel.

Residuos del café como la piel y el residuo después de la preparación de la infusión son materiales ricos en celulosa y hemicelulosa; estos residuos podrían ser empleados para la producción de diversos tipos de papel (Wong y cols., 2013).

Otra opción es el uso de los residuos del café usado/gastado como adsorbente de bajo costo, y alta disponibilidad, para la eliminación de colorantes catiónicos en los tratamientos de aguas residuales. En 2009, Nakamura y cols. estudiaron la producción de carbones activados a partir del endocarpio del café; esta propuesta contribuye a reducir los residuos en la industria cafetera portuguesa creando un excedente económico.

Las aplicaciones mencionadas hasta el momento son de gran interés.
A continuación se presentan los dos más recomendables.

Biochar o biocarbono enmienda a suelos de alto valor agregado.

Los pellets para la energía en los hogares.

Energías y Pellets de residuos de cafe