Reutilización de las aguas en el sector agroalimentario : riesgos químicos de la desinfección

Abstract

El agua representa un recurso esencial para la industria agroalimentaria, desde su consumo para el riego agrícola hasta los grandes volúmenes que se emplean durante el procesado de alimentos. Su elevado consumo y la generación de aguas residuales, constituyen dos de los principales problemas del sector agroalimentario. Por este motivo, se hace necesaria la optimización de los recursos hídricos, intentando siempre minimizar cualquier riesgo microbiológico o químico vinculado a la reutilización de estas aguas, principalmente los asociados a los subproductos de desinfección (DBPs). El objetivo principal de esta Tesis Doctoral ha consistido en el estudio de prácticas relacionadas, directa o indirectamente, con la reutilización de las aguas en distintos sectores de la industria agroalimentaria. En el sector hortofrutícola, se estudió la optimización del proceso de desinfección en la etapa de lavado para su reutilización, minimizando la contaminación cruzada y reduciendo el riesgo químico de formación y acumulación de DBPs en el agua de lavado y su absorción por el producto. Simulando condiciones industriales, se compararon sensores y métodos analíticos para establecer aquellos más adecuados para el control de la dosificación de los desinfectantes ácido peracético (PAA) y cloro (hipoclorito de sodio, NaOCl), empleados en el lavado. Igualmente, para el control de la desinfección con NaOCl, se determinó la influencia de cuatro reguladores de pH (ácido cítrico, fosfórico, sulfúrico y carbónico) en la generación de los principales DBPs (trihalometanos (THMs), ácidos haloacéticos (HAAs) y clorato). Se ha estudiado el impacto de estos reguladores en las características físico-químicas y microbiológicas del agua en la gestión del cloro, su influencia en la generación de cloro gas, y el rango de pH para maximizar su capacidad antimicrobiana. Previamente, para la determinación de HAAs en agua de lavado y producto vegetal, se validó una metodología mediante UHPLC-MRM, atendiendo a los criterios de la Guía SANTE/2019/12682. También se monitorizaron los DBPs en aguas regeneradas provenientes de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDARs) y destinadas al riego agrícola. Se muestrearon 15 EDARs durante 6 meses para seleccionar aquellas tecnologías de desinfección capaces de prevenir la formación y acumulación de DBPs, para la reutilización estas aguas bajo condiciones seguras. Asimismo, considerando el gran consumo y generación de aguas residuales durante el proceso industrial de aislamiento de proteínas vegetales, se caracterizó y determinó la presencia de subproductos de valor añadido (proteínas, azúcares y polifenoles) en las aguas residuales tras la obtención de proteínas de harina de haba y guisante. Los principales resultados del control de la desinfección del agua de lavado mostraron que el sensor cronoamperométrico fue el más selectivo para la determinación de PAA y cloro en el agua y sin interferencias con materia orgánica o agentes oxidantes. Asimismo, de entre todos los reguladores de pH, el ácido fosfórico resultó el más adecuado por su amplio rango de pH para alcanzar la máxima capacidad antimicrobiana, su naturaleza inorgánica, reduciendo la formación de THMs, y su carácter débil, resultando menos corrosivo. Por primera vez, se estableció la relación del ácido cítrico con la formación de cloro gas en la industria de procesado. En cuanto al estudio de las aguas regeneradas provenientes de EDARs, se demostraron los beneficios del PAA, UV o PAA/UV como alternativa al cloro y cloro/UV, reduciendo el riesgo químico en el producto vegetal regado. Por último, todas las aguas residuales de la extracción proteica mostraron alto contenido en materia orgánica, revelando impacto medioambiental en caso de vertido y siendo necesario su tratamiento, proponiendo tecnologías de membrana para la retención de compuestos solubles. Estas aguas fueron óptimas para su potencial revalorización, mostrando las primeras fracciones derivadas de la extracción proteica de haba el mayor contenido de polifenoles

Water represents an essential resource for the agri-food industry, from its consumption for agricultural irrigation to the large volumes of water used during food processing. The high water consumption and the consequent wastewater generation are two of the main problems in the agri-food industry. For this reason, it is necessary to optimize water resources while minimizing problems associated with its reuse, such as microbiological and chemical risks, particularly chemical residues such as the disinfection by-products (DBPs). The main objective of this Thesis has been the study of practices related to both directly and indirectly water management and reuse practices in different sectors of the agri-food industry. In fresh produce, the optimization of the disinfection treatments used to maintain the microbiological quality of the process water during washing for water reuse was studied, reducing cross-contamination and chemical risk of formation and accumulation of DBPs in the water as well as their absorption by the product. By mimicking industrial conditions, sensors and analytical methodologies were compared to select the most suitable ones for controlling the residual concentration of the disinfectant peracetic acid (PAA) and chlorine (sodium hypochlorite, NaOCl) in the process water. Likewise, for controlling the disinfection with chlorine, the influence of four pH regulators (citric acid, phosphoric acid, sulfuric acid and carbonic acid) on the generation of the main DBPs (trihalomethanes (THMs), haloacetic acids (HAAs) and chlorate) was evaluated. The impact in the physicochemical and microbiological characteristics of process water in the chlorine management, their influence in the generation of chlorine gas, and the pH range to maximize the antimicrobial capacity were studied. Previously, a methodology for the determination of HAAs in process water and the produce was validated using UHPLC-MRM, according to the criteria of SANTE/2019/12682 guideline. On the other hand, DBPs were monitored in reclaimed water from Wastewater Treatment Plants (WWTPs) intended for agricultural irrigation. Fifteen WWTPs were sampled for 6 months to select those disinfection technologies that prevented the formation of DBP and its accumulation for the reuse of reclaimed water for irrigation under safe conditions. Moreover, considering the high consumption and generation of wastewater during the industrial process of plant protein isolation, wastewaters after protein extraction from bean and pea flour were characterized and the presence of value-added by-products (proteins, sugars and polyphenols) was determined. The main results from the control of process water disinfection showed that chronoamperometric sensor was the recommended method for the determination of residual PAA and chlorine concentration in the process water as no interferences with organic matter or oxidizing agents were observed. Likewise, among all the pH regulators, phosphoric acid was the most suitable because of its wide pH range to achieve the maximum antimicrobial capacity of chlorine, its inorganic nature that limits the formation of THMs and its weak character resulting in less corrosive. For the first time, the relationship between citric acid and the formation of chlorine gas in the processing industry was established. Regarding the disinfection technologies for reclaimed water of WWTPs, the benefits of PAA, UV or PAA/UV, as an alternative to chlorine and chlorine/UV, to reduce the chemical risk of DBPs’ presence in recycled water for irrigation, were established. Finally, wastewater generated from protein isolation showed high organic matter content, revealing an environmental impact in case of discharge and the need for treatment. Membrane technologies for the retention of soluble compounds are good strategies before wastewater discharge. These wastewaters were optimal for their potential valorization, showing the first water fractions derived from protein extraction of faba the highest content of polyphenols.