ALTERNATIVA PARA REVALORIZAR DESECHOS ALIMENTARIOS

OBTENCION DE BIOETANOL DE SEGUNDA GENERACION A PARTIR DE
RESIDUOS AGROINDUSTRIALES
1
Nora Aimaretti , Carolina Ybalo1, Mercedes Escorcia1, Agustín Codevilla1,
María Luisa Rojas2, Francisco Plou3, Juan Carlos Yori4
1
Laboratorio de investigaciones aplicadas. Universidad del Centro Educativo
Latinoamericano. Argentina.
2
Departamento Química Inorgánica y Química Técnica. Universidad Nacional de
Educación a Distancia. España.
3
Consejo Superior de Investigaciones Científicas. España.
4
Instituto de Investigaciones en Catálisis y Petroquímica. CONICET. Facultad de
Química. UNL.
[email protected]
Av. Pellegrini 1332 - 2000 Rosario – Santa Fe. Tel: (0341) 426-1241
1- INTRODUCCIÓN
La creciente utilización del etanol como combustible, sumada a la disminución
de reservas de petróleo, provoca la búsqueda acelerada de tecnologías de producción
sostenibles, tanto en lo que refiere al costo y efectividad, como al cuidado
medioambiental. En este sentido, la revalorización de los residuos agroindustriales es
un tópico relevante en la actualidad, dado que el uso de materias primas renovables,
desde el punto de vista energético, es necesario atendiendo a su mejor
biodegradabilidad y menor toxicidad (Sánchez y Cardona, 2008).
El bioetanol producido actualmente a nivel industrial a partir de las materias
primas sacaroideas y amiláceas forma parte de los denominados combustibles de
primera generación. El principal problema derivado de la producción de bioetanol a
partir de este tipo de biomasa es el elevado costo de la materia prima, ya que dichas
biomasas están ligadas al mercado alimentario, lo que repercute en el precio final del
producto. Por su parte el bioetanol obtenido de descartes agroalimentarios puede ser
considerado bioetanol de segunda generación y se presenta como alternativa de futuro
a los biocombustibles de primera generación (Sánchez y Cardona, 2008).
La selección de la materia prima más apropiada para la producción de etanol,
depende fuertemente de las condiciones locales. América del Norte y los países de
Europa, basan la industria del etanol en materiales amiláceos debido a que sus
condiciones agroindustriales no son adecuadas para el cultivo de caña de azúcar (Patle
y Lal, 2008). Puntualmente la selección de sustratos alternativos para la fermentación
etílica debe circunscribirse al área de producción y es por ello que se deben profundizar
los estudios particulares, en lo que respecta a la reutilización de materiales
descartados, de modo de fomentar la producción de biocombustibles de segunda
generación. De este modo no se interfiere sobre los materiales disponibles para la
alimentación humana ni animal, al tiempo que se colabora con un desarrollo sustentable
(Aimaretti, 2011).
Fundamentalmente, los factores más importantes a considerar en la
fermentación alcohólica sostenible son: los costos de producción, la posibilidad de
conseguir a bajo costo una fuente de carbono y una fuente de los demás nutrientes
requeridos para el crecimiento del microorganismo utilizado (Colin y Bjorn, 2002). En lo
que se refiere a la fuente de carbono, generalmente involucra el 60-77 % del costo total
del proceso (Stanbury y Whitaker, 2003), pero es sabido que el mejor sustrato no
siempre es el más económico. Por lo tanto, a la hora de seleccionar los sustratos
fermentativos más adecuados para este proceso, se deben tener en cuenta algunas
premisas que aseguren su factibilidad. Al respecto, el sustrato debe ser: fermentable;
disponible: en cantidad, calidad, oportunidad y precio; almacenable durante el período
requerido; esterilizable; de composición poco variable; carente de residuos que no
puedan ser tratados o eliminados; y además, tener energía potencial elevada (Gaden,
2000).
En nuestro país, como ocurre en otros lugares del mundo, las agroindustrias
producen gran cantidad de residuos sólidos que en muchos casos son susceptibles de
un aprovechamiento económicamente rentable. Por regla general se puede decir que
todos estos residuos pueden emplearse como abonos orgánicos, combustibles o como
alimentos en algunos casos. No obstante, la gestión inadecuada de ellos también
puede derivar en un impacto de diversa magnitud sobre el ecosistema (Yoon y cols.,
2005; De Lora y Miro, 1978).
Así, un análisis global realizado sobre el sector industrial de la provincia de Santa
Fe (Argentina) evidenció que así como se aúnan esfuerzos por reutilizar los descartes
generados en la mayoría de las industrias, no se aplica ningún tratamiento que permita
revalorizar los descartes agroindustriales. Si bien estos descartes son aptos para la
alimentación animal, poseen casi idénticas características fisicoquímicas y nutricionales
que los productos comercializados (Aimaretti, 2006). La frutihorticultura es la actividad
de la cual deriva la mayor cantidad de desechos orgánicos (Ministerio de Economía de
la Nación, 2008). Tal es el caso de la producción de zanahoria (Daucus carota), con un
volumen de producción variable provocan un descarte de 20-80 Tn por día que no son
industrializadas sino utilizadas para alimentación de animales (MAGIC, 2006). Este
descarte se trata generalmente de materiales que no poseen tamaño y/o forma
adecuados para su comercialización, o cuyo valor económico no es suficiente como
para justificar el gasto de la cosecha y del transporte (MAGIC, 2006). Así, en el material
descartado se incluyen unidades con un óptimo grado de madurez y frescura, aptos
para ser sometidos a tratamientos que permitan obtener productos económicamente
rentables (Sánchez y Cardona, 2008). Esta hortaliza posee varios minerales y es rica
en carbohidratos, siendo los principales azúcares solubles: sacarosa, glucosa y fructosa
(Suojala, 2000), lo que permitiría la preparación de un mosto apto para el crecimiento y
desarrollo de microorganismos (Stanbury y cols., 2003).
Por su parte, del mismo análisis surge también la existencia de un descarte de 1
Tn diaria de células de levadura Saccharomyces cerevisiae proveniente de la
fabricación de cerveza por una industria de la misma zona geográfica, que ocasiona un
gran conflicto para su eliminación, por su elevada carga orgánica (MAGIC, 2006).
Asimismo, para que el proceso de producción de etanol a partir de zanahoria
descartada sea sustentable, es fundamental un aprovechamiento eficiente de los
azúcares, lo cual se favorece mediante la hidrólisis enzimática de las fibras y una
eficiente fermentación a etanol de los azúcares producidos. Además, el proceso debe
realizarse con una baja demanda energética.
Para lograr estos objetivos son necesarias altas concentraciones de sólidos
iniciales en el medio de fermentación que permitan obtener altas concentraciones
finales de etanol, junto con una eficiente integración de las etapas de proceso, que
-2-
permita alcanzar los más altos rendimientos con la mínima inversión en equipos y
energía.
Dado que se considera que estos materiales pueden ser revalorizados como una
fuente alternativa de energía renovable, sustituible, eficiente, efectiva, conveniente y
segura (Sánchez y Cardona, 2008), el objetivo de este trabajo consistió en revalorizar
ambos desechos agroindustriales, cuantitativamente importantes en la región, para
obtener bioetanol de segunda generación, mediante un proceso fermentativo cuyo
rendimiento podría ser aumentado a través de la hidrólisis de sus tejidos. Brindando de
este modo un destino responsable a dichos residuos, que confiere una solución
sostenible e integradora que aporta beneficios tanto ecológicos como económicos.
2 – MATERIALES Y MÉTDOOS
2.1-Preparación de los mostos
El descarte de zanahoria se obtuvo de un galpón de empaque ubicado en la localidad
de Santa Rosa de Calchines (Santa Fe, Argentina). Para la preparación del mosto,
éstas se procesaron crudas, previa selección y descarte de las zonas visiblemente
atacadas por microorganismos. Así fueron sometidas a la extracción de su jugo
mediante un proceso continuo de molienda, prensado y filtrado, en un extractor de jugo
marca Tonomac (Argentina). El rendimiento de este procedimiento fue: 0,54 l de jugo
de zanahoria, llamado mosto de zanahoria (MZ) por cada 1,0 kg de zanahoria
descartada con una concentración promedio de azúcares reductores fue 49,8 ± 13,4 g/l,
sobre un total de azúcares de 94,0 ± 11,7 g/l. Como subproducto de esta operación
surgen 0,46 kg de bagazo de zanahoria, el cual fue utilizado para preparar mosto de
bagazo (MB), suspendiendo 35 g del mismo en 65 ml de agua destilada y agitando
manualmente durante 1 minuto. Así, el rendimiento promedio fue de 1,3 l de MB por kg
de zanahoria cuya concentración promedio de azúcares reductores fue 5,8 ± 0,4 g/l,
siendo la concentración de azúcares totales: 29,6 ± 4,7 g/l.
2.2- Condiciones de fermentación:
Para las fermentaciones alcohólicas se utilizó en todos los casos mosto recién
preparado. El inóculo fue de 108 céls/ml (Aimaretti, 2011). La temperatura de
incubación fue 28 ± 1 ºC. y el gas se recogió en probeta gasométrica. Las
fermentaciones se desarrollaron en procesos batch en biorreactor de tanque agitado de
fabricación propia (UNL, Argentina) de 5 l de capacidad, dotado de un sistema de
calefacción a través de intercambiadores situados en el interior del vaso y de dos
impulsores de paletas planas (uno inferior de flujo axial y otro superior de flujo radial)
que permitieron estandarizar la velocidad de agitación en 100 rpm. Tal como indican
Laopaiboon y cols. (2009) el volumen total de trabajo fue del 75% del volumen nominal
del dispositivo (3,75 l) y el progreso de la fermentación alcohólica se realizó siguiendo
la producción de CO 2 , que se colectó en probeta gasométrica (Stanbury y cols., 2003).
En el momento en que fuera requerido, se tomaron muestras de los cultivos, que se
sometieron a centrifugación durante 10 min a 5000 rpm. El sobrenadante se trasvasó a
tubos eppendorf de 1,5 ml de capacidad para su almacenamiento y conservación a –
20°C.
2.3- Biocatalizador:
Células libres de la levadura Saccharomyces cerevisiae CCUB fueron utilizadas
en todos los experimentos. Estas células de levadura se obtuvieron de la industria
-3-
cervecera cada vez que fuera necesario.Eventualmente fueron conservadas en envase
estéril, sin agregado de nutrientes, a 4 ºC y saturación de humedad. Por experiencias
anteriores de Aimaretti (2011) se sabe que la levadura filtrada, puede ser almacenada
hasta 9 días a 4 °C sin que su actividad catalítica disminuya más del 10%, por lo que en
todos los casos se utilizaron levaduras frescas o con menos de 8 días de
almacenamiento. Para la preparación del inóculo, se deslieron las células en agua y
mediante un recuento directo diferencial con azul de metileno (Tortota y cols., 1989), en
cámara de Neubauer fue posible obtener el inóculo deseado de células viables libres en
suspensión y luego fue verificado por el método de recuento en placa propuesto por la
FDA (1992).
2.4- Parámetros de cultivo
2.4.1- Rendimiento de etanol por cantidad de sustrato (Yp/s): viene dado por la
concentración de etanol (g/l) que se produce a partir de la concentración de sustrato
presente en el mosto (bs), en un período determinado, es decir, que responde a la
siguiente relación: Yp/s = Concentración de Etanol (g/l) / Cantidad de sustrato (g/l) =
[g/g]. (Colin et al., 2002).
2.4.2-. Rendimiento de etanol por cantidad de zanahoria (Yp/z): considerando al
rendimiento etílico respecto de la cantidad de zanahoria como la cantidad de etanol (g/l)
que se produce por cada gramo de zanahoria (base seca), expresando el resultado
como [g/g].
2.4.3- Productividad (P): en este trabajo, con el fin de obtener datos más
comparables, se determinó la productividad calculando el tiempo de fermentación
necesario para lograr una determinada concentración de etanol. Los resultados
correspondientes se expresaron en unidades de concentración respecto del tiempo
[g/l.h].
2.5- Determinaciones analíticas
2.5.1- Detección de azúcares
La determinación de los sólidos solubles (SS) se utilizó como método rápido para
conocer la cantidad aproximada de azúcares, empleando la variación del índice de
refracción, determinado en forma directa con un refractómetro manual (Cosmo, mod.
K32, Japón). El método del ácido 3,5-dinitrosalicílico (DNS) fue utilizado para la
determinación de los azúcares totales de los mostos (Simon y Freeman, 1985). Por su
parte, para la determinación de los azúcares reductores se emplearon las
modificaciones propuestas por Bertolini y cols. (1991), que permiten invertir la sacarosa.
Se realizaron controles de calidad internos de soluciones de fructosa con cada
determinación. La caracterización de los azúcares presentes en los mostos, se realizó
mediante Cromatografía líquida de alta resolución de intercambio aniónico con
detección amperométrica de pulsos (HPAEC-PAD), según el método propuesto por
Pronto (1998).
2.5.2- Concentración de etanol
El etanol se determinó por GLC (PERKIN-ELMER, Sigma 3B, Dual FID Chromatograph,
EE.UU.) en el cual se utilizó un detector de ionización de llama y una columna (2.0m
longitud) empacada con Chromosorb 102 (fabricada por UNL, Argentina). El horno de la
columna se operó en condiciones isotérmicas a 150 °C y los puertos del detector e
inyector se mantuvieron a 220 y 195ºC ºC respectivamente. Como gas de arrastre se
-4-
utilizó N 2 , a una velocidad de flujo de 30 cm3/min y como gas de combustión, una
mezcla de H 2 y aire (Ratnam y cols., 2003).
2.6- La caracterización de los efluentes y residuos sólidos obtenidos en el
proceso fermentativo se realizó siguiendo la metodología descripta en los Métodos
Normalizados para el análisis de aguas potables y residuales (APHA, 2005).
2.7- Análisis Estadístico
Todos los experimentos fueron replicados al menos dos veces y todas las
determinaciones se realizaron por duplicado. Los datos obtenidos fueron analizados
usando el procedimiento de ANOVA de una vía del software SPSS. Las diferencias
entre las medias se detectaron aplicando el Test de Rangos Múltiples de Duncan. Los
datos se consideraron significativamente diferentes cuando P<0,05.
3- RESULTADOS Y DISCUCIÓN
3.1- Rendimiento etílico de MZ y MB en distintas condiciones
Si bien es posible afirmar que el proceso fermentativo es común sea cual fuere la
materia prima, la fermentabilidad de cada sustrato depende de sus propiedades
intrínsecas. El primer paso en el proceso de producción de etanol es la preparación del
mosto. Para ello, tras el acondicionamiento de las zanahorias, se intenta extraer la
mayor cantidad de azúcares solubles fermentables, obteniendo MZ y MB, tal como se
explica en el punto 2.1.
Haciendo referencia a condiciones óptimas de la fermentación alcohólica catalizada por
cultivos de células libres de levaduras, halladas en la bibliografía, se evaluó la
posibilidad de optimizar el rendimiento etílico de MZ y de MB, siguiendo las
recomendaciones de varios autores (Laopaiboon y cols., 2000; Yu y cols., 2009; Patle y
Lal, 2008; Stanbury y cols., 2003; Sanches y Laluce, 1998). Para ello se compararon los
rendimientos etílicos de los mostos en condiciones naturales, con respecto a los
obtenidos a pH 4,5 y/o enriquecimiento con sales, concretamente: 1 % p/v de fosfato
ácido de potasio + 1 % p/v de fosfato ácido de amonio + 0,25 % p/v de sulfato de
magnesio. Los resultados del rendimiento etílico de cada mosto se muestran en la
Tabla 1 junto al detalle de las variables estudiadas.
Tabla 1: Diferentes condiciones de fermentación
Etanol (g/l)
Tratamiento
pH
Sales
MZ
MB
natural
natural
natural
30,3 ± 0,2
7,0 ± 0,2
pH
4,5
natural
35,3 ± 0,2
8,1 ± 0,4
Sales
natural
suplementado
23,7 ± 0,5
5,2 ± 0,5
ambos
4,5
suplementado
22,8 ± 0,4
6,5 ± 0,3
Al evaluar la concentración de azúcares del mosto (por DNS), en función del rendimiento etílico,
surgió que en todos los casos, la producción de etanol es directamente proporcional a la
concentración de sustratos, manteniendo un rendimiento de producto (Yp/z) constante e igual a
0,109 g/g. No obstante, queda visible en la Tabla 1 que el rendimiento etílico del MZ puede
aumentarse mediante el control del pH inicial del mosto. Por su parte, el rendimiento etílico de
MB en las distintas condiciones también indica que al controlar el pH inicial se puede elevar
mínimamente el rendimiento.
-5-
Al mismo tiempo se observó en ambos mostos que el agregado de sales, disminuye
netamente el rendimiento etílico, lo que puede atribuirse a la posible sensibilidad que
pueda tener el biocatalizador a la fuerza iónica del medio (Demain y Davies, 1999).
En función de los resultados obtenidos en esta experiencia, se consideraron como
condiciones óptimas para la fermentación alcohólica del mosto de zanahoria y de
bagazo, la corrección de su pH a un valor estandarizado de 4,5.
3.2- Hidrólisis enzimática de MB
Dado que mediante la hidrólisis del tejido de zanahoria suspendido en MB, quedarían
disponibles los monoméros de glucosa para ser utilizados por parte del biocatalizador,
se propuso adicionar una etapa de hidrólisis de dicho mosto como paso previo a la
fermentación. De las hidrólisis conocidas se optó por la hidrólisis enzimática efectuada
por el complejo enzimático comercializado como OptimaseCX255L, el cual se compone
de un pool de celulasas y xilanas termoestables obtenidas de Trichoderma reesei
(Genencor. Danisco). La reacción de hidrólisis se llevó a cabo a pH=5,5 y 70 °C durante
un período de 2,5 hs, empleando 400UE/ml de enzima. La evolución de la reacción de
hidrólisis sobre MB se siguió a través de la determinación de la concentración de
azúcares reductores, detectados mediante la técnica del 3,5-DNS. A su vez, todos los
productos de la hidrólisis, se caracterizaron por HPAEC_PAD, destacándose sólo la
presencia de glucosa, fructosa y sacarosa en cantidades variables, sin que se advierta
la presencia de pentosas o moléculas tóxicas para el biocatalizador, como algunos
derivados de la hidrólisis de la hemicelulosa. Como resultado de esta experiencia se
logró incrementar el 78,5% el contenido de azúcares de MB, lo que redundó en un
incremento del rendimiento etílico a Yp/s=0,290.
3.3- Hidrólisis enzimática de zanahoria
El interés sobre el estudio de la aplicación de enzimas en la industria de la extracción
de productos vegetales se ha incrementado de modo importante en las últimas dos
décadas, debido a que ha mostrado ser una herramienta versátil en la liberación de los
componentes de las células del tejido además de liberar compuestos intracelulares
(Ovando y Waliszewski, 2005). Particularmente, La aplicación de esta alternativa se
basa en uno de los procedimientos que pueden realizarse sobre esta hortaliza para la
preparación del mosto, la cual consiste en disgregar la zanahoria, combinarla con una
cantidad de agua equivalente al 50 % p/v que asegure la actividad catalítica de
400UE/ml de la OptimaseCX255L, ajustar el pH a 5,5 y la temperatura a 70 °C de modo
de que se produzca la hidrólisis durante 2,5 h. Transcurrido este tiempo el material es
procesado para así obtener la fracción líquida de MZ, cuyo contenido de azúcares
totales alcanza los 95,6 g/l, quedando como subproducto la fracción sólida de bagazo
que es considerada como el residuo sólido del proceso. Luego de esta etapa de
hidrólisis, se ajusta el pH del mosto a 4,5 y se lo fermenta a 30 °C logrando cuadruplicar
el rendimiento, que llegó a Yp/z=0,403. Este aumento del rendimiento se vio favorecido
debido a que la caracterización de los productos de la hidrólisis reveló, al igual que en
el punto anterior, la presencia de glucosa, fructosa y sacarosa como principales
monómeros obtenidos de la hidrólisis, que son todos azúcares directamente
fermentables.
3.4- Reciclo de biomasa
Con el objetivo de evaluar la posibilidad de aumentar la vida útil del biocatalizador sin
comprometer el suministro de nutrientes en exceso, se estudió su actividad biocatalítica
-6-
en una serie de fermentaciones con reciclos consecutivos de biomasa. De este modo
se aseguró el suministro casi continuo de una adecuada composición nutricional del
mosto, por renovación del medio cada vez que la fermentación se detuvo. Este
procedimiento permitió asemejar el modelo en estudio a un sistema continuo con
reciclado de biomasa, evaluando el comportamiento y la productividad de la levadura
durante un mayor período de tiempo.
El ensayo se realizó por triplicado y se repitió cinco veces de forma consecutiva, con
renovación del mosto ya fermentado y reutilización de la biomasa celular en cada caso.
Las concentraciones promedio de etanol conjuntamente con sus desviaciones estándar
mostraron que el rendimiento etílico se mantiene constante durante al menos los 5
reciclos de biomasa celular, pero se manifestó un aumento en la productividad, dado
que se logra disminuir el tiempo de la fase lag.
3.5- Caracterización de los residuos del proceso fermentativo
El principal RESIDUO SÓLIDO obtenido como desecho de este proceso consiste
principalmente en tejido de zanahoria disgregado (bagazo), con un contenido de
humedad aproximado del 67 %. Al respecto Castillo y Gallardo (1989) clasificaron a la
zanahoria como un alimento no tradicional voluminoso con alto contenido de agua que
por su composición química: materia seca, 7-30 %; fibra bruta, 5-11 % y proteína 4-16
%, se considera un alimento adecuado para cumplir con este fin. En general el bagazo,
por su origen, es un alimento pobre en calcio y fósforo, y su digestibilidad podría
aumentarse si se dispone de alta concentración de carbohidratos solubles en la dieta
(50-75%), porque ello provocaría altas tasas de fermentación ruminal. Además, por su
aporte nutritivo, podría utilizarse como suplemento de pasturas base alfalfa en otoñoinvierno incluyendo también un forraje seco (heno) para balancear el porcentaje de
materia seca de la dieta. Cabe aclarar que las dificultades ocasionadas por su alta
velocidad de deterioro, pueden contrarrestarse al conservarlo ensilado, en combinación
con un 15-25 % de cama de crianza de pollo (Castillo y Gallardo, 1989). No obstante, el
bagazo de zanahoria también podría ser utilizado como abono para la tierra, o para la
elaboración de compost.
En lo que respecta al principal RESIDUO o EFLUENTE LÍQUIDO, el mismo consiste en la
vinaza obtenida luego de destilar el etanol, cuya caracterización se muestra en la Tabla
2. Tomando en consideración los valores de DQO y DBO5 mostrado en la tabla, queda
visible que la carga orgánica del efluente es muy alta, pero también lo es su Índice de
Biodegradabilidad (>0,5). En este efluente los carbohidratos son los principales
responsables de la carga orgánica y por lo tanto deberían extremarse las medidas para
evitar esta pérdida. Por su parte el análisis de los compuestos inorgánicos presentes,
pueden estimarse a partir de la medida de la conductancia específica. Específicamente
los cationes calcio y magnesio, en diversas formas de salinificación, revisten
importancia por ser los responsables de la dureza de las aguas y junto al catión sodio
determinan el Índice RAS, el cual da una idea de la cantidad de sodio presente en el
agua de riego en relación a otros cationes. No obstante, se considera poco probable la
presencia de metales pesados como: cobre, plomo, cromo, plata, arsénico y boro, en
cantidades comprometidas, dado que el efluente proviene de una biotransformación de
la zanahoria. Por otro lado, es ventajosa la presencia de bioelementos tales como:
nitrógeno, azufre y fosforo, los cuales generalmente son agregados como fertilizantes a
los cultivos de hortalizas como la zanahoria (Simon y cols., 2008; García, 2004).
-7-
Tabla 2: Caracterización del efluente líquido.
PARÁMETRO
Demanda Química de oxígeno
Demanda Bioquímica de oxígeno (DBO5)
Sólidos totales
Sólidos en sedimentables en 2 h
Grasas
pH
Color
Olor
Temperatura
Conductividad específica
Dureza total (Ca2+ + Mg2+)
Sodio
RAS
Potasio
Nitrógeno
Fósforo
Sulfatos
VALOR
UNIDADES
44000
22750
22600
< 0,1
1,3
4,4
ámbar
leve
80
9.68
700
358.6
18,9
2270
1481
150
810
mg O 2 /l
mg O 2 /l
mg/l
ml/l
mg/l
°C
dS/m
mg CO 3 Ca/l
mg/l
RAS
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
En consecuencia, contemplando la composición química del efluente, sumada a
parámetros de olor, color y contenido de grasas adecuados, se propone su utilización
como agua de bebida del ganado o como agua de riego. Esta primera iniciativa se
fundamenta en que, al utilizar este efluente como agua de bebida para los animales que
fueron alimentados con el residuo sólido, es posible aumentar la digestibilidad del
bagazo y se incrementa el contenido de fósforo de la dieta, tal como lo indican Castillo y
Gallardo (1989). Además, es importante destacar que se requiere de una dilución previa
aproximada 1:5 para que el contenido de sodio y potasio no afecte la salud del ganado
(Faust y Aly, 1998) y de este modo también se corrige la temperatura y el volumen total
disponible sería de 5000 l. Por otro lado, el uso de este efluente como agua para riego
de cultivos de zanahoria redunda en que un cultivo regado de forma progresiva, en
función del estado de desarrollo de las raíces, produce raíces más lisas con las
lenticelas menos marcadas, lo que se traduce además en una mayor tasa de
acumulación de azúcares (Simon y cols., 2008). En este sentido, dado que de los
sólidos totales, aproximadamente 16 g/l corresponden a azúcares, no es conveniente
utilizar el efluente directamente para riego, debido a que puede estimularse la
proliferación de algunos microorganismos y provocar un desajuste en la flora
microbiana del suelo. Por este motivo, como paso previo se sugiere realizar una
dilución 1:10, lo que también permitiría disminuir su temperatura, aumentar el pH y
suprimir las restricciones de uso que podría tener por su salinidad, según Ayers y
Westcot (1985).
3.6- Diseño de un proceso integrado sostenible
La idea del desarrollo sostenible se comenzó a utilizar en 1980, dada la evidencia de
que si bien la agricultura moderna había sido exitosa en incrementar la producción de
alimentos, el desarrollo había generado una gran cantidad de impactos ambientales
negativos y que se necesitaba otro modelo de desarrollo que superara esos efectos
-8-
indeseables (SAyDS, 2010). Así, para que el proceso en estudio sea sostenible, es
fundamental un aprovechamiento eficiente de los azúcares, logrado mediante la
hidrólisis enzimática de las fibras (punto 3.2 y 3.3) y la reutilización de los residuos
generados (punto 3.5); con una demanda energética baja. Para lograr estos objetivos
es necesaria una eficiente integración de las etapas de proceso que permita alcanzar
los más altos rendimientos con la mínima inversión en equipos y energía, por lo que se
propone el proceso integrado que se describe en la Figura 1.
ZANAHORIA
DESCARTADA (1 Tn)
PREPARACIÓN DEL MOSTO
triturado
H2O (500 l)
hidrólisis
enzimática
procesado
MZ (1040 l )
AT = 95,5 g/l
bagazo
450 kg
FERMENTACIÓN
inóculo
CO2
39,8 kg
fermentación
Yp/z= 0,403
filtración
biocatalizador
OBTENCIÓN
vinaza
destilación
efluente líquido
(970 l)
ETANOL
53 l
Figura 1: Diagrama de flujo de un proceso fermentativo integrado propuesto
para la producción sostenible de etanol.
De este modo, con el fin de mejorar la extracción de los azúcares fermentables,
minimizar el volumen de agua empleado, disminuir los efluentes y reducir los costos de
proceso, el proceso busca incrementar el contenido de azúcares en una etapa de
hidrólisis de la zanahoria, como paso previo a la preparación del mosto, obteniendo el
bagazo como subproducto. Seguida a esta etapa se propone un proceso de
fermentación en sucesivos ciclos batch con reutilización de la biomasa celular. Si bien
los resultados mostrados en el punto 3.4 revelaron que la biomasa puede ser reutilizada
sin modificar el rendimiento etílico, se cree conveniente profundizar el estudio con el
objetivo de evaluar si es necesario o no un recambio total de células, o si es factible el
-9-
recambio parcial, o si con la duplicación celular ocurrida en el interior del reactor
durante la primer etapa de la fermentación es suficiente como para asegurar un inóculo
adecuado, quedando las células lisadas, como fuente proteica del mosto. En la etapa
final, la vinaza obtenida a la salida del reactor de fermentación es destilada para
separar el etanol producido. De este modo se logra cuadruplicar el rendimiento etílico
obtenido, el cual asciende a un valor Yp/z = 0,403 g/g. Así, el rendimiento obtenido
puede traducirse en la obtención aproximada de 53 l (41,9 Kg) de etanol, 39,8 kg CO 2 ,
970 l de efluente líquido y 450 kg de bagazo, por cada tonelada de zanahoria
procesada.
A su vez, de los residuos generados, el bagazo sería un alimento apto para la
alimentación del ganado que se encuentra en los campos circundantes a los cultivos de
zanahoria. Considerando que los animales consumen diariamente el 3 % de su peso en
alimentos (materia seca), entonces podríamos concluir que con el descarte del
procesamiento de 1 Tn de zanahoria, podrían alimentarse 33 vacas lecheras ó 55
animales de invernada. Por su parte, al realizar la dilución 1:5 sobre el efluente líquido,
se podría abastecer el consumo de bebida de 85 vacas lecheras ó 170 animales de
invernada, en días de verano (Bruni, 2005), quedando el remanente disponible para ser
diluido nuevamente 1:2 y así ser utilizado como agua para el riego de 0,025 ha de su
cultivo, que es la superficie necesaria para cosechar esa cantidad (rendimiento: 40
Ton/ha). Además de ello, el CO 2 emanado durante el proceso fermentativo podría ser
consumido por las células vegetales, durante la fotosíntesis. De este modo es posible
devolver a la tierra y al ecosistema la mayoría de los elementos extraídos por la zanahoria
durante su crecimiento, lo que lo convierte en un prometedor e integrado proceso sustentable.
Esta propuesta se muestra ventajosa respecto al método tradicional diagramado en la
Figura 2, en el cual se emplea el bagazo obtenido al extraer MZ, para preparar MB que
luego puede ser hidrolizado (ver punto 3.2). Esto se debe a que además de requerir un
mayor número de etapas, se requiere de un mayor número de equipos, de volumen
mayor, como consecuencia de las menores concentraciones de azúcares de los
mostos. Esto conduce a que mediante el proceso propuesto se logre incrementar 20 %
el rendimiento etílico.
Figura 2: Proceso integrado sostenible de producción de etanol.
- 10 -
ACTUALIDAD
Otra de las alternativas que se espera poder aplicar en un futuro próximo es el proceso
de sacarificación y fermentación simultáneas (SFS), en el cual la hidrólisis y la
fermentación tienen lugar simultáneamente en un mismo reactor. Es decir, los azúcares
fermentables liberados por acción de las enzimas son directamente metabolizados a
etanol por las levaduras, minimizando la inhibición de las enzimas por producto final
(Olsson y cols., 2006) lo que se reflejaría en rendimientos de hidrólisis más altos,
necesidad de menores dosis de enzima, reducción del tiempo total de proceso y
productividades de etanol más altas (Aimaretti, 2011). Sin embargo hoy en día no se
presenta como una alternativa viable debido a que las condiciones óptimas de pH y
temperatura de las enzimas utilizadas en la etapa de hidrólisis, son netamente
diferentes a las condiciones de fermentación.
3.7- DISCUSION
El contenido promedio de azúcares totales de MZ preparado con hidrólisis enzimática
de zanahoria (95,5 g/l) y su rendimiento etílico Y p/Z (0,403 g/g), pueden considerarse
adecuados en comparación con otros sustratos similares. Tal es el caso del rendimiento
obtenido utilizando cebollas como sustratos, que poseen 67,3 g/l de azúcares totales en
el jugo y rinden 0,45 g/g de etanol (Horiuchi y cols., 2000), o al de piña cuyo contenido
de sacarosa es de 125 g/l y produce 59,0 g/l de etanol (Y p/s = 0,47 g/g) (Tanaka y cols.,
1999). Por tanto, mediante la aplicación del proceso integrado descripto en el punto
anterior, se colabora con el aprovechamiento y revalorización de un desecho, al mismo
tiempo que se propone la disposición responsable de los subproductos generados, tal
como se representa en la Figura 3.
Alimento para ganado
1Tn
variedad de usos: combustible,
farmacéutico, solvente, alimento,
bebidas, etc.
PROPUESTA
Etanol
1Tn
En complemento con otra pastura
alimenta a 56 animales de
invernada
Alimento para ganado
En complemento con otra pastura
alimenta a 55 animales de invernada
Bebida para animales
Se asegura agua para bebida de los
animales alimentados
Agua para riego
Se puede regar el cultivo de
zanahoria
Figura 3: Utilización de los descartes de zanahoria, en la actualidad y en la propuesta.
Por su parte, tomando en consideración que la zona de trabajo se caracteriza por su
elevado rendimiento de zanahoria por ha, podemos concluir que el rendimiento de
- 11 -
etanol por ha de cultivo es de 2120 l, lo que lo hace comparable con los cultivos
energéticos comúnmente utilizados para la producción de bioetanol que se muestran en
la Tabla 3.
Tabla 3: Rendimiento de cultivo en la producción de etanol. (*Fuente:
adaptado de Sánchez y Cardona, 2008).
Rendimiento etílico
Rendimiento
cultivo
agrícola (Ton/ha)
Litros etanol/Ton
Litros etanol/ha
Caña*
100
70
7.000
Bagazo de caña*
27
140
3.780
Maíz*
8
370
5.003
Bagazo de maíz*
9
227
2.043
Yuca*
20
180
3.600
Sorgo dulce*
35
86
3.010
Remolacha*
60
100
6.000
zanahoria
40
53
2.120
Actualmente el desafío restante es cómo incorporar a los costos de producción de los
sistemas agropecuarios y forestales, el deterioro de los recursos naturales renovables,
y el impacto en el medio ambiente, ya que hasta ahora estos no se consideran como un
costo de la actividad agropecuaria y por lo tanto, los efectos negativos permanecen
como un componente neutral (Rótolo y Francis, 2008), descartando muchas veces
cultivos completos por el simple hecho de su baja rentabilidad.
4- CONCLUSIONES
Se concluye que es posible obtener bioetanol de segunda generación a partir de
desechos provenientes de la comercialización de zanahoria, utilizando como
biocatalizador Saccharomyces cereviciae descartada de la elaboración de cerveza,
permitiendo aumentar el rendimiento por medio de la incorporación de la hidrólisis
enzimática durante la preparación del mosto. Por su parte, la reutilización de los
residuos generados, en el mismo ecosistema en donde se cultiva la zanahoria, permite
revalorizar el descarte comercial de esta hortaliza, manteniendo una clara conciencia de
economía ecológica.
Además, cabe aclarar que el mosto fermentado, que también puede llamarse vinaza, es
rico en aminoácidos, minerales y otros ácidos orgánicos, por lo que el alcohol producido
de zanahoria podría ser usado para el consumo humano, en bebidas, o también ser
aplicable como fuente de producción de vinagre o condimentos a base de zanahoria.
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