Recycling of waste and by-products derived from the wine industry

El desarrollo de una legislación cada vez más restrictiva en materias medioambientales, auspiciada a su vez por una creciente concienciación ciudadana, está favoreciendo la implantación de nuevas prácticas más sostenibles en la industria agroalimentaria. Concretamente, es frecuente en el sector vitivinícola que la mayoría de las bodegas lleven a cabo procesos de producción tradicionales, cuya praxis ambiental puede resultar cuestionable. El almacenamiento de residuos al aire libre, el ineficaz aislamiento en los tanques de fermentación, la pérdida de recursos naturales en la zona de cultivo (nutrientes en el suelo), que son transportados a gran distancia para su gestión parcial y la disposición en vertedero, suponen un impacto ambiental grave que podría reducirse mediante la implantación de técnicas alternativas en la valorización y gestión de los residuos del sector agrícola. La Denominación de Origen Protegida Montilla-Moriles, situada en Córdoba (España), es un claro ejemplo de ello, donde las prácticas vitivinícolas tradicionales han ido sucediéndose de generación en generación, con plantación de cepas en vaso, aunque en los últimos años se han ido sustituyendo por plantación en espaldera. El cultivo predominante corresponde a la variedad Pedro Ximenez (95% de la producción total), además de Airén, Baladí, Verdejo, Moscatel, entre otros. La reducción de su impacto medioambiental es prioritaria, lo que a su vez puede repercutir positivamente en la economía de la zona, mediante la aplicación de prácticas alternativas en la gestión y tratamiento de los residuos principales generados durante la vinificación (orujo y lías, fundamentalmente) que permitan recuperar recursos. Ante esta necesidad, se proponen dos técnicas o tratamientos biológicos para la gestión de dichos residuos: co-compostaje y digestión anaerobia. De forma más concreta, los objetivos específicos de la presente Tesis Doctoral es el aprovechamiento de los residuos y subproductos generados en la industria vitivinícola, encuadrados en los siguientes apartados: - Test de biodegradabilidad de orujo de uva, utilizando ensayos respirométricos aerobios como herramienta de predicción y cuantificación de la influencia de las variables físico-químicas del proceso sobre la actividad aerobia de los microorganismos. (Hungría, J., Siles, J.A., Martín, M.A.. Aerobic biodegradability test of organic grape marc waste: A promising tool to evaluate polluting winery waste biovalorisation. Under review) - Evaluación de las ventajas e inconvenientes del proceso de co-compostaje de orujo y la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos, realizando el seguimiento del índice respirométrico dinámico (consumo de oxígeno en la degradación de la materia orgánica y tiempo en hacerlo) en el proceso, así como de la temperatura, oxígeno consumido y otras variables operacionales que permitan controlar su evolución para obtener un compost de calidad. Así mismo, se ha llevado incluido el estudio de la emisiones odoríferas a lo largo del proceso, incluyendo de forma comparativa los resultados de las emisiones del compostaje de otros residuos. (Hungría, J., Gutiérrez, M.C., Siles, J.A., Martín, M.A. 2017. Advantages and drawbacks of OFMSW and winery waste cocomposting at pilot scale. Journal of Cleaner Production. 164, 1050-1057). - Estudio de viabilidad de la digestión anaerobia de orujo de la variedad Pedro Ximenez en condiciones mesófilas, y su posible implantación en una bodega como técnica alternativa de tratamiento sostenible. (Hungría J., Siles J.A., Gil A., Gutiérrez, M.C., Martín M.A. Revalorization of grape marc waste from liqueur wine: Biomethanization. Journal of Chemical Technology & Biotechnology 94, 1499-1508). - Evaluación de la digestión anaerobia de lías procedentes de cultivo ecológico de dos variedades distintas, procedentes de la decantación del mosto y fermentación alcohólica, respectivamente (Evaluation of Anaerobic Digestion of Verdejo Lees from an Ecological Crop. Javier Hungría J., Siles J.A., Gutiérrez M.C., Chica A.F., Martín M.A. Renewable Energy (Under review) y Technical evaluation and potential energy recovery from anaerobic digestion of grape lees: inoculum importance. (Hungría J., Siles J.A., Gutiérrez M.C., Chica A.F., Martín M.A. Bioresource Technology (Under review)). - Evaluación tecnológica de la digestión anaerobia de lías Pedro Ximenez, estudiando la posible influencia del empleo de inóculos de diversa procedencia en la recuperación energética del metano contenido en el biogás. Estudio preliminar de implantación de un digestor anaerobio en la DOP Montilla-Moriles, Córdoba (España), considerando la potencia energética generada por dichos residuos y su repercusión en el medio ambiente en forma de ahorro en emisiones de CO2. (Hungría J., Siles J.A., Gutiérrez M.C., Chica A.F., Martín M.A. Technical evaluation and potential energy recovery from anaerobic digestion of grape lees: inoculum importance. Bioresource Technology (Under review)). - Estudio de viabilidad del tratamiento integral de residuos de orujo de uva y lías derivadas de cultivos orgánicos, mediante la digestión anaeróbica para producir energía en forma de metano, valorizando el digestato estabilizado como una enmienda orgánica. Se ha estudiado el tratamiento secuencial de las lías de PX, las lías de Verdejo y los residuos de orujo de uva en el mismo reactor para completar el ciclo anual y promover la economía circular en la DOP Montilla-Moriles. (Hungría J., Siles J.A., Chica A.F., Martín M.A. Anaerobic co-digestion of winery waste: Comparative assessment of grape marc waste and lees derived from organic crops. Journal of Environmental Management (Under review)). En cuanto al co-compostaje, el elevado contenido en humedad de las lías condiciona que su mezcla con otro residuo dé como resultado una mezcla residual con contenido de humedad adecuado. Por ello, se ha restringido el estudio de compostaje a los orujos. Tras la evaluación de su biodegradabilidad en condiciones aerobias, se ha estudiado la viabilidad tecnológica de su co-compostaje, a escala de planta piloto, con la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (FORSU) a 50:50%, en peso. La FORSU es un residuo generado en todos los municipios y para cuyo correcto compostaje solo requiere una previa clasificación de los residuos sólidos urbanos para seleccionar la fracción más rica en materia orgánica. En muchos municipios ya se dispone de recogida selectiva de residuos urbanos, e incluso suelen someterse a compostaje de forma directa. Adicionalmente, la digestión anaerobia es ampliamente conocida como tecnología de valorización y/o tratamiento de residuos orgánicos biodegradables. Por ello, con el objetivo de evaluar la viabilidad de la aplicación de la digestión anaerobia a distintos residuos del sector vitivinícola (orujo y lías de dos variedades distintas de uva) se han realizado tres estudios (uno por residuo) a escala de laboratorio y en condiciones mesófilas. En el caso de las lías PX se obtuvieron los mayores rendimientos en metano 539 ± 46 NmL CH4/g SV, seguido de las lías Verdejo (332 ± 37 NmL CH4/g SV) y orujo Pedro Ximenez (252 ± 31 NmL CH4/g SV). Dado que la generación de residuos se produce de forma escalonada a lo largo del tiempo, se ha llevado a cabo otro estudio para evaluar la viabilidad del tratamiento secuencial en un mismo reactor de todos los residuos, y de esta forma completar el ciclo anual de producción y promover la economía circular en la D.O.P. Montilla-Moriles.The development of an increasingly restrictive legislation on environmental matters, sponsored in turn by a growing public awareness, is favoring the implementation of new more sustainable practices in the agri-food industry. Specifically, it is common in the wine sector that most wineries carry out traditional production processes, whose environmental praxis can be questionable. The storage of waste in the open air, the inefficient isolation in the fermentation tanks, the loss of natural resources in the cultivation area (nutrients in the soil), which are transported at a great distance for partial management and disposal in landfill, they suppose a serious environmental impact that could be reduced by means of the implantation of alternative techniques in the valuation and management of the residues of the agricultural sector. The Montilla-Moriles Protected Designation of Origin, located in Córdoba (Spain), is a clear example of this, where traditional winemaking practices have been happening from generation to generation, with plantation of strains in a glass, although in recent years they have It has been replaced by trellis plantation. The predominant crop corresponds to the Pedro Ximenez variety (95% of total production), in addition to Airén, Baladí, Verdejo, Moscatel, among others. The reduction of its environmental impact is a priority, which in turn can have a positive impact on the economy of the area, through the application of alternative practices in the management and treatment of the main waste generated during winemaking (pomace and lees, mainly) that allow to recover resources. Given this need, two techniques or biological treatments are proposed for the management of such waste: co-composting and anaerobic digestion. More specifically, the specific objectives of this Doctoral Thesis is the use of waste and by-products generated in the wine industry, framed in the following sections: - Biodegradability test of grape marc, using aerobic respirometric tests as a tool for prediction and quantification of the influence of the physical-chemical variables of the process on the aerobic activity of microorganisms. (Hungría, J., Siles, J.A., Martín, M.A. Aerobic biodegradability test of organic grape marc waste: A promising tool to evaluate polluting winery waste biovalorisation.. Under review) - Evaluation of the advantages and disadvantages of the process of co-composting pomace and the organic fraction of urban solid waste, monitoring the dynamic respirometric index (oxygen consumption in the degradation of organic matter and time in doing so) in the process, as well as the temperature, oxygen consumed and other operational variables that allow controlling its evolution to obtain a quality compost. Likewise, the study of odoriferous emissions throughout the process has been included, including comparatively the results of composting emissions from other wastes. (Hungría, J., Gutiérrez, M.C., Siles, J.A., Martín, M.A. 2017. Advantages and drawbacks of OFMSW and winery waste co-composting at pilot scale. Journal of Cleaner Production. 164, 1050-1057). - Feasibility study of the anaerobic digestion of pomace of the Pedro Ximenez variety under mesophilic conditions, and its possible implantation in a winery as an alternative sustainable treatment technique. (Hungría, J., Siles J.A., Gil A., Gutiérrez, M.C., Martín M.A. Revaluation of grape marc waste from liqueur wine: Biomethanization. Journal of Chemical Technology & Biotechnology 94, 1499-1508). - Evaluation of anaerobic digestion of lees from organic farming of two different varieties, from the decantation of must and alcoholic fermentation, respectively (Evaluation of Anaerobic Digestion of Verdejo Lees from an Ecological Crop. Hungría, J., Siles JA, Gutiérrez MC, Chica AF, Martín MA Renewable Energy (Under review) and Technical evaluation and potential energy recovery from anaerobic digestion of grape lees: inoculum importance. (Hungría J., Siles JA, Gutiérrez MC, Chica AF, Martín MA Bioresource Technology (Under review)). - Technological evaluation of the anaerobic digestion of lees Pedro Ximenez, studying the possible influence of the use of inocula of diverse origin in the energy recovery of methane contained in biogas. Preliminary study of implantation of an anaerobic digester in the PDO Montilla-Moriles, Córdoba (Spain), considering the energy generated by said waste and its impact on the environment in the form of savings in CO2 emissions. (Hungría J., Siles J.A., Gutiérrez M.C., Chica A.F., Martín M.A. Technical evaluation and potential energy recovery from anaerobic digestion of grape lees: inoculum importance. Bioresource Technology (Under review)). - Feasibility study of the integral treatment of grape pomace residues and lees derived from organic crops, through anaerobic digestion to produce energy in the form of methane, valuing the stabilized digestate as an organic amendment. The sequential treatment of PX lees, Verdejo lees and grape pomace residues in the same reactor has been studied to complete the annual cycle and promote circular economy in the Montilla- Moriles PDO. (Hungría J., Siles J.A., Chica A.F., Martín M.A. Anaerobic co-digestion of winery waste: Comparative assessment of grape marc waste and lees derived from organic crops. Journal of Environmental Management (Under review)). As for co-composting, the high moisture content of the lees determines that their mixing with another residue results in a residual mixture with adequate moisture content. Therefore, the study of composting has been restricted to pomace. After the evaluation of its biodegradability in aerobic conditions, the technological viability of its co-composting has been studied, at the pilot plant scale, with the organic fraction of urban solid waste (OFUSW) at 50:50%, by weight. OFUSW is a waste generated in all municipalities and for whose correct composting it only requires a previous classification of urban solid waste to select the richest fraction in organic matter. In many municipalities, selective collection of urban waste is already available, and they even tend to be directly composted. Additionally, anaerobic digestion is widely known as biodegradable organic waste recovery and / or treatment technology. Therefore, in order to evaluate the viability of the application of anaerobic digestion to different residues in the wine sector (pomace and lees of two different grape varieties), three studies (one per residue) have been carried out on a laboratory scale and in mesophilic conditions. In the case of the Pedro Ximenez lees, the highest yields in methane 539 ± 46 NmL CH4/g VS were obtained, followed by the Verdejo lees (332 ± 37 NmL CH4/g VS) and grape marc waste of Pedro Ximenez (252 ± 31 NmL CH4/g VS). Since the generation of waste occurs in a phased manner over time, another study has been carried out to assess the feasibility of sequential treatment in the same reactor of all waste, and thus complete the annual production cycle and promote the circular economy in the PDO Montilla-Moriles