Bioprocesos Productos a Partir de Subproductos y Residuos Agricolas

8/16/2019 Bioprocesos Productos a Partir de Subproductos y Residuos Agricolas

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1. Universidad de Antioquia. Facultad de Ciencias Farmacéuticas y Alimentarias. Programa de Ingeniería de

Alimentos. Medellín. Colombia.*. Autor a quien debe dirigirse la correspondencia: [email protected]

BIOPROCESOS: OBTENCION DE PRODUCTOS APARTIR DE SUBPRODUCTOS Y RESIDUOS

AGRICOLAS – UNA REVISIÓN ESTRUCTURADA

Sebastian COLLANTE1*, Saúl Hernando ECHEVERRI1, Vivian Vanesa ESCOBAR 1.

RESUMEN

Antecedentes: Alrededor del año 1800 se comienza a estudiar el mecanismo de la fermentaciónde una manera científica. Estos estudios comenzaron cuando el científico alemán Erxlebendescubrió que las levaduras inducen la fermentación. En el presente siglo, el desarrollo en el campo biotecnológico ha permitido la utilización de materiales no convencionales para llevar a cabofermentaciones con el fin de obtener productos comerciales de alto interés comercial y ambiental.Objetivos: Conocer los recientes avances en el área de los bioprocesos que hacen uso de sustratosno convencionales (subproductos y residuos agrícolas) con el fin de obtener cuatro productosconcretos de gran interés comercial: Ácido láctico, ácido cítrico, ácido glutámico y combustiblesno-fósiles alternativos. Métodos: La búsqueda bibliográfica comprendió el uso de diferentestérminos, solos o combinados mediante el empleo de operadores lógicos; estos fueron: bioprocesos, fermentación, alimento, acido, acético, láctico, glutámico, etanol, producción,alcohólica. Los campos de búsqueda fueron seleccionados en las siguientes bases de datos: Acces Engineering, Scopus, Springer Link, Science Direct. La bibliografía seleccionada se encuentra enun periodo de publicación de entre 2008 y 2016 y solo en el idioma inglés. Resultados: El

bioprocesamiento, es un conjunto de técnicas utilizadas ampliamente a escala industrial para producir compuestos de interés que sirven como materia prima para posteriores transformacionesen muchos tipos de industrias. La actual era tecnológica, ha permitido una serie de avancescruciales en esta área de las ciencias aplicadas en una carrera por la optimización de los recursos,el aumento de la eficiencia de producción y la búsqueda de tecnologías más limpias que permitanmenguar el presente daño causado al ambiente. Conclusiones: El desarrollo de nuevas tecnologíasintegradas al bioprocesamiento, ofrecen dos grandes beneficios: La reducción de los costos de procesamiento y la potencial reducción de la contaminación ambiental debida a la actividadhumana.

Palabras clave: Bioproceso, fermentación, subproducto y residuo agrícola, productos.


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BIOPROCESOS: OBTENCIÒN DE PRODUCTOS A PARTIR DE SUBPRODUCTOS Y RESIDUOSAGRICOLAS – UNA REVISION ESTRUCTURADA

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INTRODUCCIÓN

Generalidades

El bioprocesamiento es una parte esencialen muchas industrias alimentarias, químicasy farmacéuticas. Los bioprocesos hacen usode componentes microbianos, animales yvegetales de las células tales como lasenzimas para manufacturar nuevos productosy destruir desperdicios peligrosos. El uso demicroorganismos para transformar materiales

biológicos en alimentos fermentados seremonta a la antigüedad. Desde entonces, los bioprocesos se han desarrollado para unenorme rango de productos comerciales,desde materiales relativamente económicoscomo el alcohol industrial y los solventesorgánicos, hasta químicos especialmentecostosos como los antibióticos, las vacunas ylas proteínas terapéuticas. Las enzimas de usoindustrial y las células vivas (biomasa) talescomo las levaduras del pan y la cerveza sontambién productos comerciales del bioprocesamiento (1).

La fermentación puede definirse entoncescomo la alteración u obtención de productoscon la ayuda de microorganismos, esta puededarse de manera espontánea o inducida por laadición de uno o varios microrganismoscomo en el caso de la fabricación de pan ocerveza (2).

Bajo condiciones controladas, lafermentación involucra distintastransformaciones químicas; algunas de lasmás importantes se mencionan en la tabla 1 junto con algunos ejemplos comunes en el bioprocesamiento.

Tabla 1. Reacciones y ejemplos comunes en

los bioprocesos (3)Reacción Ejemplo

OxidaciónEtanol a Ácido

acético

ReducciónAcetaldehído a

Etanol

HidrolisisAlmidón aGlucosa

EsterificaciónHexosa y Ácido

fosfórico a HexosaFosfato

La mayoría de los procesos fermentativossiguen el mismo principio; la unidad centrales el fermentador en el cual losmicrorganismos crecen y producen loscompuestos de interés. El sustrato es elalimento de los microrganismos, este tambiéncontiene otras sustancias requeridas en el proceso. La fermentación comienza cuandose añade el cultivo iniciador (inoculo) alfermentador con el sustrato y demáscomponentes. Al final de la fermentación seobtiene un caldo complejo que contiene la biomasa, los productos principales, elsustrato no utilizado, los productos alternos,agua, entre otros constituyentes. Tras lafermentación, es necesario un proceso deseparación y purificación para que los productos puedan ser comercializados.

Compuestos de interés (productos)Los compuestos de interés resultantes de un

bioproceso no siempre son los metabolitosque pueden estar asociados o no alcrecimiento celular (metabolitos primarios ysecundarios); muchas fermentaciones sellevan a cabo con la intención de obtener


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biomasa, enzimas, nucleótidos, pigmentos, proteínas, entre otros.

En la tabla 2, se dan ejemplos de productosobtenidos por bioprocesos y losmicrorganismos generalmente usados encada uno de ellos.

Tabla 2. Productos y microrganismoscomúnmente utilizados (1).

Producto MicrorganismoAcetona /Butanol

Clostridium

acetobutylicum

Cultivosiniciadores

Levadura

Ácido cítrico Aspergillusnigger

Ácido glutámicoCorynebacterium

glutamicum

PenicilinaPenicillium

chrysogenum

Goma xantana Xanthomonas

campestris

Proteasa Bacillus

Riboflavina Eremothecium

ashbyii

Vacuna contra eltétano

Clostridiumtetani

Insulina Escherichia coli recombinante

Antecedentes

En la tabla 3, se ilustran los eventos yavances más destacados en la historia de lafermentación:

Tabla 3. Historia de la fermentación (2).Tiempo Evento

>5000años

Fermentación espontanea(pan, vinagre, salsa soya)

Hace2500 años

Fermentación de azúcares(vino, cerveza)

Hace1500

Uso comercial de lafermentación en Asia

Hace 500años

Uso comercial de lafermentación en Europa

1818 Descubrimiento de lalevadura como origen de lafermentación

1857Explicación científica dela formación del ácido

láctico

1881Primera producción deácido láctico puro por

fermentación industrialAlrededordel año

1900

Plantas públicas detratamiento de aguas

residuales

1910Producción industrial de butanol y acetona porfermentación aséptica

1925Producción industrial de

ácidos orgánicos1928 -1929

Descubrimiento de la penicilina

1941Producción comercial de

penicilina

1960Producción industrial de

aminoácidos1970

Producción industrial deenzimas

1980

Introducción de losorganismos genéticamentemodificados y producción

de insulina

Modelado de Bioprocesos

El modelado es una representación

matemática de un sistema, fenómeno o proceso. El modelo de un proceso predice elcomportamiento del mismo a través de unconjunto de ecuaciones sujetas a unos parámetros, buscando por lo general, unaestimación del costo o beneficio (4).


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Los objetivos principales del modelado enla ingeniería práctica son: Optimizar los parámetros operacionales del proceso,obtener un conocimiento más amplio de este

y analizar los aspectos de sostenibilidad ysustentabilidad. Por lo tanto es vital que setenga un buen entendimiento de lasasunciones y limitaciones de los modelos para interpretar y usar los resultados demanera correcta en concordancia con losobjetivos del proceso a modelar. Además esimportante comprender, que cualquiermodelo producido es solo una aproximacióna la realidad que necesita ser corroborada (5).

En el área de los Bioprocesos, el modelado brinda un conocimiento profundo de losfactores que afectan dichos procesos(comportamiento de los microrganismos,consumo de sustrato, producción demetabolitos, el efecto de parámetros como el pH y la temperatura) haciéndolos mássustentables y eficientes (6). Los avances encomputación y el desarrollo de herramientasde detección cada vez más complejas han

permitido la incorporación de nuevastecnologías en el área del modelado talescomo el ultrasonido (7).

Aprovechamiento de residuos industrialesy subproductos agrícolas

Desde hace algunos años, tantouniversidades como industrias han buscado lamanera de aprovechar los residuos ysubproductos – por lo general agrícolas-

resultantes de sus procesos de transformaciónde materias primas con el fin de disminuircostos, desarrollar nuevos productoscomerciales (compost, alimentos paraanimales, biocombustibles, entre otros (8)) a partir de estos residuos o menguarrelativamente el impacto ambiental que estos pudieran causar.

MÉTODOS

La información bibliográfica fuerecolectada realizando una búsqueda de lasinvestigaciones en las que se usaron bioprocesos (fermentaciones) para obtenercompuestos de interés comercial o ambiental,dicha búsqueda tuvo lugar en las bases dedatos bibliográficas enfocadas a los avancesingenieriles y otras temáticas científicassimilares. Las herramientas de búsquedautilizadas ( Acces Engineering, Science Direct, Springer Link, Scopus) estándisponibles en el portal web de laUniversidad de Antioquia para estudiantes,

docentes y otros estamentos de la institución.La investigación se realizó solo en el idiomainglés, utilizando términos particulares ycombinaciones de estos, tales como:Bioprocess, fermentation, food, lactic acid,acetic acid, production, ethanol, alcoholic. Enla búsqueda se aplicaron los filtros pertinentes para asegurar que la informaciónobtenida no es antigua (2008 – 2016) y quesolo está orientada a la ingeniería y otras

ciencias aplicadas. El material bibliográficose pre-seleccionó en base al título o alresumen (abstract) disponible de la publicación. El criterio de inclusión al presente artículo del material bibliográfico pre-seleccionado, estuvo basado en lacontribución de las investigaciones a latemática de este artículo estructurado derevisión.

RESULTADOS

Fueron identificadas más de 3500referencias bibliográficas relacionadas conlos criterios de búsqueda; sin embargo, seseleccionaron y referenciaron solo 30 en esta


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revisión. En la figura 1, se ilustra el procesoy los resultados de la investigación realizada.

Figura 1. Diagrama de flujo de la búsqueda.

Producción de ácido láctico

El ácido láctico es un producto comercialversátil, con múltiples aplicacionesalimentarias, farmacéuticas, entre otras; sinembargo, su alto costo de producción lolimita como una posible fuente de fabricación

de otros compuestos. Con el fin de reducirestos costos Yong Wang et al. (2015) (9)ilustran un proceso de hidrolisis yfermentación ácido láctica simultáneos delsalvado de arroz encontrando que, frente aotros métodos convencionales reportados, sumétodo, que no incluye previa esterilizacióndel medio de cultivo y en el que no se realiza

una hidrolisis del sustrato previamente, esefectivo con un rendimiento deaproximadamente 98% frente al rendimientomáximo teórico. Birgitte K. Ahring et al.

(2016) (10) describen en su artículo deinvestigación como realizar una fermentaciónácido láctica en continuo utilizando rastrojode maíz hidrolizado, obteniendo resultadossimilares e incluso mayores en algunos casos,en comparación con los sustratosgeneralmente utilizados para obtener ácidoláctico comercial que podrá ser usado luegocomo materia prima en otros procesos.

Otros autores por su parte, estudian cómo

aprovechar no solo subproductos inherentes alos procesos agrícolas y demás, sino losresiduos que se generan diariamente en lasciudades causando un impacto ambientalsobre los recursos naturales. Este es el casode Shaobo Liang et al. (2016) (11) quereportan en su artículo la utilización dedesechos orgánicos (piel y cascara de frutas) para producir ácido láctico, etanol y ácidoacético. Los avances en la optimización de

los bioprocesos no solo se basan en la búsqueda de nuevos sustratos (como el zumode sorgo y glicerol por ejemplo) sino tambiénen la investigación de cambios potencialesque pueden realizarse en el proceso defermentación como los mencionados por NaoMurakami et al (2016) y Yong Wang et al(2016) que incluyen recirculación de biomasa, filtración por membranas yacoplamiento con otros ciclos metabólicos

como los del ácido acético (12), (13).Producción de ácido cítrico

El ácido cítrico es uno de los ácidosorgánicos más versátiles en cuanto a susaplicaciones y es usado en diferentesindustrias como alimentaria, farmacéutica,cosmética, entre otras. A parte de su consumo

Los terminos bioprocess, fermentation, food,

lactic acid, acetic acid, production, ethanol, alcoholic fueron empleados en la busqueda deinformación.

El acumulado de la busqueda en las bases de datosdesde 2008 hasta 2016 fue de aproximadamente

3500 fuentes bibliograficas.

Aspectos considerados:

1. Informacion general sobre los bioprocesos

2. Utilizacion de subproductos y residuosagricolas

3. Producción de compuestos de alto interesindustrial y ambiental

30 referencias bibliograficas incluidas en el

articulo de revisión.


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como aditivo alimentario, es considerado uncomponente indispensable en muchosfármacos, detergentes sintéticos, cosméticosy otros productos (14). A pesar de su extenso

uso, la producción de ácido cítrico involucravarias limitaciones; una de ellas es el costoasociado a los sustratos fermentables que porlo general son almidón y sacarosa, autorescomo Alagarsamy Karthikeyan et al. (2010)(15) y Imandi Sarat et al. (2008) (16) hanreportado la utilización de sustratosalternativos y de muy bajo costo comocascaras de banano y desechos de piña conrendimientos de producción de ácido cítrico

satisfactorios. Otra de las limitacionesasociadas a la producción de ácido cítrico, esla generación de aguas residuales que solo enchina en el año 2013 superan las 60 toneladas,y que por lo general son tratadas con unacombinación de digestiones anaerobias yaerobias las cuales requieren una inversióneconómica muy alta y por tanto suelen norealizarse; para solucionar esto Jian Xu el al.(2016) (17) han desarrollado un método queaprovecha y recircula estas aguas residualesobteniendo gas metano, amoniaco y sales delos metales.

Producción de ácido glutámico

El Glutamato mono sódico es un importanteagente saborizante, que si bien no tiene sabor,acentua de manera notable los sabores de losalimentos en los que es usado. El ácidoglutámico existe en tres formas pero solo lasal mono sódica del L-acido glutámico tiene

la capacidad de acentuar los sabores. Se puede obtener directamente por lafermentación de carbohidratos conMicrococcus glutarnicus, Brevihacteriumdivaricatum, entre otros (18), (19). Lasaplicaciones del ácido glutámico no selimitan solo al sector alimentario, este puede

ser usado en un diverso conjunto deindustrias como la farmacéutica, nutricionaly recientemente se ha demostrado que puedeser usado para producir polímeros

biodegradables (20). Buscando intensificar el proceso de producción del ácido glutámico,Parimal Pal et al. (2015) (21) integraronequipos y técnicas novedosas para conseguiraumentar la velocidad y eficiencia del proceso y además obtener una producciónambientalmente más amigable; filtración pormembranas, un biorreactor híbrido y unafuente de carbón renovable, son los cambiosque sugiere este equipo de autores. En otro

estudio, Parimal Pal (2015) (22) establece lascondiciones necesarias de la producción encontinuo de ácido glutámico a través de unsistema de simulación y modelado del proceso, logrando integrar los parámetros delas etapas de fermentación y purificación conel fin de obtener un conocimiento amplio delos factores que pueden llegar a afectar el proceso y predecir el comportamiento de esteen la vida real.

Combustibles no-fósiles alternativosPara aliviar la creciente polución en el aire

y el calentamiento global debido a lacombustión fósil, el desarrollo de energíaslimpias alternativas se ha convertido en untema crucial en nuestra sociedad. La bioenergía es considerada una estrategia que promete obtener energías renovables debidoa su alta sustentabilidad (23).

El etanol es un compuesto orgánico de altointerés para muchos tipos de industrias; en elsiglo XXI ha cobrado relevancia suutilización como una fuente de energíaalternativa poco contaminante por ser unasustancia con alto contenido de oxigeno quecuando es mezclado con gasolina brinda unacombustión más limpia, generando menos


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smog en las ciudades y por tanto menos polución en el ambiente (24), (25). En 2014el consumo mundial de petróleo fue de 12928millones de toneladas, de las cuales el 86%

estuvo destinado a los combustibles fósiles(26). Aunque actualmente la producción deetanol está asociada a un alto costo, diversasentidades investigan como obtenerlo a travésde bioprocesos que involucran biomasalignocelulósica por su bajo costo de producción y alta disponibilidad (27), ademásde una amplia variedad de sustratos como loson el almidón y el rastrojo de maízobteniendo rendimientos de entre el 80 al

90%; estos estudios buscan también lamanera de generar cambios en lasfermentaciones tradicionales con la intenciónde mejorar el rendimiento producto/sustratocomo lo son: Pre-hidrolizar los sustratos (28),utilizar células provenientes de macro ymicro algas (26), la adición de mineralescomo las zeolitas (29), entre otros.

Por su parte el hidrogeno biológico esreconocido como una fuente de energía ideal

debido a su alto contenido de energíaespecífica (122 kj/g), además cuando sequema, solo genera agua y puede ser producido biológicamente por víafermentativa a partir de materiales renovablescomo los carbohidratos presentes en losdesperdicios orgánicos. La principallimitación en la producción a partir de estossustratos, es el rendimiento de hidrogenoutilizable; muchas investigaciones buscan

superar esta limitación; tal es el caso de losautores Hai Hsuan et al (2016) (23) y WeiHan et al (2015) (30) que proponen un proceso fermentativo de dos etapas y unacombinación de dos fermentaciones (sólida yen oscuridad) respectivamente.

CONCLUSIONES

El bioprocesamiento es la principal fuentede obtención de muchos productos, tanto de bajo como de alto costo. Algunos de ellos, juegan roles fundamentales en un grannúmero de industrias; tal es el caso de losácidos orgánicos y su vital importancia en laindustria alimentaria o de los combustiblesalternativos en la industria bioenergética. Esclaro entonces, que a razón de minimizar elimpacto ambiental, consecuencia de laactividad humana es necesario llevar a unnivel cada vez mal alto la tasa de reutilizacióny aprovechamiento de los residuos y

subproductos resultantes del inmensodesarrollo agroindustrial que ha tenido lugaren las últimas décadas. El progreso humanoofrece entonces, herramientas de alto niveltecnológico integrables a los bioprocesos,convirtiéndolos en una solución sustentable ysostenible a los crecientes problemas medioambientales de la actualidad.

El creciente desarrollo de los bioprocesos,ofrece un beneficio adicional de vitalimportancia y es la reducción de los costosasociados al procesamiento y obtención delos compuestos mencionados a lo largo deeste artículo de revisión. Estos desarrollosincluyen una alta gama de técnicas analíticas,herramientas computacionales y equipos queen conjunto brindan una indiscutible alza enel rendimiento y eficiencia de los procesos biotecnológicos impactando por tanto y demanera provechosa la relación de costo-

beneficio.


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