Archivo de la etiqueta: Fermentación

Obtención de enzimas a partir subproductos de patata

La patata es uno de los vegetales más consumidos del mundo. Segun la FAO, la producción mundial de patata ronda las 341 millones de toneladas anuales, con Asia y Europa a la cabeza, con un 80% de la producción mundial de este tubérculo.

Una parte de la patata se consume en fresco, y otra se procesa para la obtención de diversos productos (chips, purés deshidratados, patatas congeladas, conservas, almidón, etc.).

Se estima que el nivel de desperdicios se situa entre el 5 y el 20%, por lo que el aprovechamiento de estos como subproductos es de gran interés, por su gran cantidad y su bajo coste.

En la publicación que se toma como referencia evalúan el empleo del subproducto de la industria patatera como una fuente de carbono para de enzima glucoamilasa gracias a un proceso de fermentación en estado sólido, empleando como microorganismo de cultivo un moho, el Aspergillus niger.

Para poder obtener cantidades suficientes de glucosa y de la enzima como para poder llevar a cabo este proceso a nivel industrial hay que seguir una serie de pasos:

  • Elección de la mejor depa de A. niger: el “puré” o subproducto obtenido de la industria de la patata se esteriliza y filtra y es inoculado por diferentes cepas de este moho. De ahí se elige la cepa que mejores resultados de generación de glucosa y actividad enzimática ha dado, que en este caso ha sido la cepa A. niger van Thiegem.
  • Estudio del mejor medio para el cultivo: se realizan diferentes medios con ingredientes distintos para poder medir cuáles son los más productivos y de mejor rendimiento económico. Se obtiene que, para A. niger, los ingredientes que más rendimiento aportan son el extracto de malta, el FeSO4.7H2O y el CaCl2.2H2O en diferentes proporciones.
  • Optimización del medio: tras una serie de tratamientos estadísticos mediante el método del compuesto central de análisis de superficie-respuesta se obtienen las cantidades óptimas de cada ingrediente para el mejor funcionamiento del moho en el medio. Los resultados finales son que el medio idóneo estaría compuesto por 50 g/L de puré de patata (base seca), por 51,82 g /L de extracto de malta, 9,27 g/L de CaCl2.

Referencia:

Izmirlioglu G y Demirci A. (2016). Strain selection and medium optimization for glucoamilase production from industrial potato waste by Aspergillus niger. Journal of Sciencie of Food and Agriculture, 96, 2788-2795.

TRASA – Producción de ensilados vegetales para alimentación animal

Hace unos días, en el marco de la asignatura “Valorización de subproductos de la industria alimentaria” del Master Universitario Tecnología y Sostenibilidad en la Industria Agroalimentaria, de la Universidad Pública de Navarra, tuvimos la oportunidad de visitar las instalaciones de la planta de procesado de subproductos vegetales de la empresa TRASA (Tratamiento Subproductos Alimentarios S.L.), situada en Milagro, en la Ribera navarra.

La planta es el resultado de varios años de investigación y desarrollo en la que TRASA realizó una completa caracterización de los subproductos generados por las industrias de conservas y transformados vegetales del valle del Ebro. Esta caracterización incluyó su cuantificación (estimada entre 80.000 y 120.000 toneladas de subproductos vegetales al año), y el conocimiento de su origen, tipos, formatos, variaciones estacionales, de sus características fisicoquímicas, funcionales e higiénico-sanitarias, y de su utilización actual.

En líneas generales se trata de residuos caracterizados por un contenido en agua muy elevado (85-90 % de humedad), altamente perecederos, ricos en fibra muchos de ellos, cuya generación es variable a lo largo del tiempo, que se presentan en formatos muy diversos (frutas enteras, pieles, purés, restos vegetales sólidos de diferentes tamaños, residuos individuales o mezclas de varios vegetales distintos, etc.). A continuación se ven tres ejemplos del tipo de materiales que se reciben en TRASA:

El pase de diapositivas requiere JavaScript.

Con respecto al uso habitual de estos residuos, tradicionalmente la mayor parte de los subproductos generados en las industrias de procesado de vegetales de la zona son gestionados de forma directa por ganaderos, que tienen acuerdos con las empresas para recogerlos y transportarlos hasta sus explotaciones. Esta forma de uso directo genera muchos problemas de diferente índole. Por un lado los ganaderos básicamente están recogiendo y transportando “agua” dada la gran humedad de los subproductos. Su variabilidad y escasa vida útil hacen que su aprovechamiento en muchas ocasiones no sea completo, por lo que generan un impacto medioambiental importante en las propias explotaciones.

TRASA investigó la viabililidad técnica y económica  del proceso de abastecimiento y procesamiento de estos subproductos, mezclados entre sí, y con otros materiales, para la obtención de productos para alimentación animal. Estos otros materiales son residuos vegetales de baja humedad “absorbentes” (maíz forrajero, pulpa de remolacha, cascarilla de cereales, harinas de girasol, etc.) que permiten reducir la humedad de las mezclas y equilibrar nutricionalmente los productos finales. Estos productos finales tienen así una mayor vida útil y unas características nutrionales y fisicoquímicas más estables.

IMG_20170307_165130b

Ejemplos de materiales “absorbentes”

TRASA cuenta con una base de conocimiento amplia que le permite diseñar un amplio abanico de formulaciones en función de la tipología de subproductos disponibles en un momento determinado y de las necesidades de los clientes. La mayor parte de los clientes son explotaciones de ganado rumiante (ganado bravo, bovino de carne o de leche, ovino, equino, etc.).

La empresa ofrece dos tipos de productos: mezclas formuladas en fresco destinadas a un consumo rápido, y mezclas sometidas a ensilado en “balas”. El proceso de ensilado dura entre 1 y 2 meses, tiempo durante el que procesos anaeróbicos de fermentación láctica dan lugar a productos finales de larga vida útil. La planta comenzó su actividad en el verano de 2016 y tiene las dimensiones y tecnología necesaria para producir hasta 40.000 t al año de productos finales.

El pase de diapositivas requiere JavaScript.

Ejemplos de valorización de subproductos

Las industrias alimentarias durante la transformación de las materias primas en productos procesados generan una serie de residuos/subproductos (por ejemplo, orujos de vinificación, lactosuero en queserías, restos vegetales en la producción de zumos de frutas y conservas vegetales, pieles y espinas de pescado, etc.). El destino de estos restos es diverso dependiendo de la naturaleza del residuo y de las posibilidades de aprovechamiento que existan en la zona en que se generan. La alimentación animal es el principal destino de muchos residuos vegetales por ejemplo.

La mayor parte de estos restos cuentan en su composición con compuestos interesantes desde el punto de vista nutricional o desde otro punto de vista, en alimentación humana, animal, o en otros terrenos como el cosmético y médico, o tienen propiedades fisicoquímicas que los hacen potencialmente interesantes para determinadas aplicaciones, o constituyen una buena materia prima para la obtención de nuevos compuestos o materiales.

Para la obtención de estos productos de mayor valor añadido a partir de residuos/subproductos alimentarios se pueden aplicar diversas tecnologías de transformación y conservación, que incluyen procesos físicos como la extrusión y el secado, procesos de extracción sólido-líquido, o procesos biológicos de fermentación, entre otros.

En el día de hoy hemos publicado en el blog 11 entradas en las que se describen algunos ejemplos de procesos y alternativas de valorización de residuos/subproductos de diferente naturaleza. Se trata de esumenes divulgativos realizados a partir de una selección de los cientos de articulos científicos existentes sobre estas temáticas. Las entradas han sido realizados por estudiantes de la asignatura “Valorización de subproductos de las industrias alimentarias”, del Master en Tecnología y Calidad de las Industrias Alimentarias, de la Universidad Pública de Navarra.

Se puede acceder a dichas entradas a  través de los siguientes enlaces:

Biorefinería para la valorización de orujos de uva

Esta entrada es un resumen de la siguiente publicación, en la que un grupo de investigadores italianos traslada el concepto de biorefinería a la valorización de residuos vitivinícolas.

Martinez, G.A.; Rebecchi, S.; Decorti, D.; Domingos, J.M.B.; Natolino, A.; Del Rio, D.; Bertin, L.; Da Porto, C.; Fava, F.  Towards multi-purpose biorefinery platforms for the valorization of agro-industrial wastes: production of polyphenols, volatile fatty acids, polyhydroxyalkanoates and biogas from red grape pomace. Green Chemistry (2016), Vol. 18, 261–270

Los orujos de uva (aproximadamente 50 % pieles u hollejos, 25 % pepitas, 25 % raspones), son los principales residuos obtenidos en la elaboración de vino. Representan el 18% en volumen del vino producido, de modo que, teniendo en cuenta que en 2014 se produjeron 279 millones de hL de vino (OIV), la cantidad generada de este subproducto a nivel mundial fue de 5 millones de toneladas.

Hasta hace unos años la legislación europea obligaba a someter los orujos a destilación. No obstante el reglamento CE 479/2008 revocó esta obligatoriedad y promovío la eliminación gradual de los subsidios a la destilación.

En este contexto los autores señalan que muy probablemente esto favorezca la búsqueda de alternativas para la gestión y valorización de los residuos vitivinícolas. Su trabajo es una propuesta de aplicación del concepto de biorrefinería multi-propósito en etapas, persiguiendo una explotación completa de los orujos. En su opinión, las ventajas que presentan los procesos de biorrefinería multi-propósito en etapas, frente a opciones menos integradas serían:

  • Optimizar los costes de inversión
  • Diversificar los beneficios
  • Minimizar los residuos generados
  • Auto-suficiencia energética

La biorrefinería propuesta incluiría cuatro procesos secuenciales, en los que se obtienen diferentes productos:

Frago_biorefineria_residuos vino

1º- Extracción de polifenoles

Se compara la extracción con CO2 supercrítico con un 10 % de disolución acuosa de etanol al 57 % (v/v) (Figura 1), que se lleva a cabo en una planta piloto comercial, con la extracción convencional (con metanol).

Extracción de polifenoles

Figura 1: Esquema experimental de la extracción de polifenoles con CO2 supercrítico

Con CO2 supercrítico se extraen más compuestos polifenólicos y, selectivamente, más proantocianidinas. Asimismo, la actividad antioxidante es mucho mayor que la obtenida a través de la extracción convencional.

2º- Producción de ácidos grasos volátiles

Los orujos de uva resultantes tras la extracción de polifenoles, se someten a una digestión acidogénica anaerobia húmeda con microrganismos acidogénicos (Figura 2).

Producción de VFAs

Figura 2: Esquema experimental de la producción de ácidos grasos volátiles

Los orujos de los que se parte en esta fase contienen 81 % de sólidos volátiles y  85 % de materia orgánica susceptible de transformarse en ácidos grasos volátiles. La extracción de polifenoles previa no afecta a este proceso, y tras 16 días de digestión, la fracción líquida es relativamente rica en ácidos grasos volátiles totales (VFAs), especialmente ácido acético y ácido butírico.

Esta fracción líquida se destina a la producción de polihidroxialcanoatos (PHA) mediante fermentación con Cupriavidus necator, mientras que el residuo sólido se somete a digestión anaerobia para obtención de biogás.

3º- Producción de polihidroxialcanoatos

Se realiza un proceso en dos etapas (Figura 3):

Producción de PHAs

Figura 3: Esquema experimental de la producción de polihidroxialcanoatos

Se comparan los resultados alimentando el proceso con 20 % y 40 % del efluente rico en VFAs, obteniéndose mayor concentración de PHAs con el 40 %. Se comprueba que sólo los VFAs son los responsables de la producción de PHAs empleando también muestras control y comparando la reducción de la DQO empleando los efluentes ricos en VFAs vs. las muestras control. Asimismo, no hay ninguna sustancia en el medio que inhiba el proceso.

El polímero obtenido es prácticamente sólo PHA, y éste tiene pocas aplicaciones por su elevada cristalinidad y la cercanía entre sus temperaturas de fusión y degradación. No obstante, la adición de ácido propiónico o ácido valérico, ambos ácidos grasos volátiles, dan lugar a un co-polímero más fuerte y flexible.

4º- Producción de biogás

Con los sólidos resultantes de la digestión anaerobia, inoculando bacterias metanogénicas, se lleva a cabo una digestión anaerobia (Figura 4), obtiéndose biogás con una composición final de 67,4 % CH4 y 32,6 % CO2.

producción de biogás

Figura 4: Esquema experimental de la producción de biogás

Los autores señalan que el rendimiento obtenido es menor que partiendo de los orujos sin tratar; por lo que es necesario optimizar este proceso.

Información adicional:

Los siguientes enlaces corresponden a estudios sobre la valorización de orujos de uva, relacionados con las vías contempladas en este trabajo:

AINIA. Biorrefinerías, valor para desechos como hollejos, pepitas de uva y lías de fermentaciones vinícolas.

Energías Renovables. El valor de los hollejos y las pepitas de las uvas para el biogás.

Martín J. El futuro de los biocombustibles: Biorrefinerías integradas. Universidad de Valladolid, 2009