Bioetanol y productos de fermentación a partir de algarrobo
La parte carnosa del fruto de la algarroba contiene hasta la mitad de su peso seco en azúcar. Este alto y fácil contenido en azúcar convierte la algarroba en una materia prima interesante no solo para alimentos, sino también para la fermentación industrial. En las últimas tres décadas se han realizado numerosos estudios para obtener diferentes productos de fermentación a partir de algarrobo, especialmente bioetanol, ácido cítrico, ácido láctico y manitol.
En este artículo, analizamos el perfil de azúcar del algarrobo, los métodos utilizados en la producción de bioetanol y los resultados obtenidos, la evaluación de residuos de algarroba para bioetanol de segunda generación, otros productos de fermentación y las limitaciones económicas y técnicas en este campo.
El perfil de azúcar del algarrobo: la base de la fermentación
La mayoría de los productos producidos por fermentación dependen de microorganismos que convierten azúcares. Por lo tanto, el valor de una materia prima en la fermentación depende en gran medida de su contenido en azúcares y de lo accesibles que son estos azúcares.
En el estudio de 2007 de Biner et al., que examinó la algarroba cultivada en las cuencas mediterránea y egea de Turquía, se informó que el azúcar más abundante en vainas sin semillas era la sacarosa, mientras que la glucosa y la fructosa se encontraron en cantidades menores. El azúcar total se midió en 531 ± 93 g/kg en peso seco y 437 ± 77 g/kg en variedades silvestres cultivadas.
Una imagen similar se observa en los subproductos industriales. Lima-Costa et al. afirmaron que pequeños fragmentos de la industria de procesamiento de algarroba contienen entre un 45 y un 50 por ciento de azúcar soluble; Rodrigues et al. afirman que aproximadamente el 50 por ciento del peso seco de los residuos de algarroba consiste en sacarosa, glucosa y fructosa.
Una característica importante que distingue al algarrobo de muchas materias primas lignocelulósicas es que sus azúcares son en gran parte libres. Mientras que materias primas como la madera y la paja requieren pretratamiento e hidrólisis enzimática para liberar azúcares, los azúcares pueden extraerse con agua en algarrobo.
Pasos clave en la producción de bioetanol
La producción de bioetanol a partir de algarrobo generalmente consta de los siguientes pasos:
| Preparación | Romper el algarrobo, separar las semillas |
| Extracción de azúcar | Eliminar los azúcares a la fase líquida con agua caliente |
| Fermentación | Conversión del azúcar en etanol por levaduras o bacterias |
| Destilación y purificación | Separación del etanol del medio de fermentación |
El diseño de proceso de Sánchez-Segado et al. para una hipotética planta de bioetanol sigue esta lógica: extracción acuosa de azúcar en vainas, seguida de fermentación y destilación.
Uno de los estudios importantes sobre las condiciones de extracción pertenece a Turhan et al. Los investigadores determinaron las condiciones óptimas de extracción para el fruto del algarrobo mediante el método de la superficie de respuesta; Obtuvieron un extracto que contenía 115,3 g/L de azúcar a una temperatura de 80 °C, 2 horas y una proporción fruta:agua de 1:4.
Fermentación con levadura: hallazgos de investigación
El microorganismo más estudiado en la producción de etanol a partir del extracto de algarrobo es Saccharomyces cerevisiae, también conocido como levadura de pan y levadura de cervecería. La siguiente tabla resume algunos de los resultados reportados en diferentes estudios:
| Funcionamiento | Método | Resultado principal reportado |
|---|---|---|
| Turhan et al. (2010) | S. cerevisiae libre, pH-controlado (5,5) | 42,6 g/L de etanol; 3,37 g/L/hr de producción |
| Yatmaz, Turhan y Karhan (2013) | El ca-alginato inmovilizó S. cerevisiae, y revolvió el biorreactor en tanque | 40,10 g/L etanol; 3,19 g/L/h; consumo de azúcar 90,66%; duración: 24 horas |
| Roukas (1994) | S. cerevisiae inmovilizadas, cultura agitada | Mayor consumo de etanol de 65 g/L; rendimiento de 0,44 g/g |
| Lima-Costa et al. (2012) | Medio con alto contenido en azúcar, lote y lote para alimento | 90–95% del azúcar consumido; rendimiento 0,47–0,50 g/g; 100–110 g/L de etanol |
| Rodrigues et al. (2015) | Residuos de algarrobo, diferentes concentraciones iniciales de azúcar | Rendimiento de 0,42 g/g con 250 g/L de azúcar inicial |
Los valores de la tabla no deben compararse directamente entre sí, ya que se obtuvieron bajo diferentes condiciones, a distintas escalas y con distintos métodos de medición. No obstante, la imagen general muestra que los azúcares de algarrobo son altamente consumidos por levaduras y que es posible la conversión de etanol cerca del rendimiento teórico.
Algunas lecciones técnicas de estos estudios son las siguientes:
| Control del pH | Turhan et al. lograron una mayor concentración y tasa de producción de etanol que el pH descontrolado manteniendo el pH en 5,5. |
| Fuente de nitrógeno | En el mismo estudio, se investigaron fuentes económicas de nitrógeno; Raposo et al. también analizaron diferentes fuentes de nitrógeno orgánico e inorgánico en la producción de etanol a partir de residuos de algarrobo. |
| Inmovilización | En el estudio de Yatmaz et al., se demostró que las células inmovilizadas pueden reutilizarse durante cinco ciclos. |
| Concentración de azúcar | Rodrigues et al. informaron que la concentración inicial de azúcar cambia significativamente el metabolismo de la levadura; a concentraciones altas, el azúcar se dirige casi completamente al etanol. |
Fermentación bacteriana y enfoques del estado sólido
Además de levaduras, la bacteria Zymomonas mobilis también ha sido probada en la producción de etanol a partir de algarrobo. Vaheed et al. optimizaron la producción de etanol a partir del extracto de algarrobo con Z. mobilis mediante un diseño experimental estadístico. Saharkhiz et al., por su parte, señalaron que la extracción de azúcar es un paso costoso y examinaron la fermentación "sumergida sólidamente" que no requiere extracción y obtuvieron 0,42 g de etanol por gramo de azúcar inicial con Z. mobilis bajo condiciones de 30 °C y pH 5,3.
La idea de reducir el paso de extracción también cobra protagonismo en la evaluación de residuos de algarrobo. Bahry et al. describieron un proceso para la producción de etanol de segunda generación a partir de residuos sólidos sobrantes de la preparación del jarabe de algarroba en la industria alimentaria libanesa; compararon la fermentación sumergida con la fermentación en estado sólido. En el estudio, se informó que el funcionamiento de la fermentación en estado sólido es más sencillo y rentable, con un rendimiento de 0,458 g de etanol por gramo de azúcar consumido.
Desechos de algarroba y bioetanol de segunda generación
El bioetanol de "primera generación" se produce directamente a partir de materias primas azucaradas o almidonadas, que también pueden usarse como alimento, mientras que el bioetanol de "segunda generación" se produce a partir de residuos agrícolas e industriales. La algarroba ocupa una posición interesante en esta distinción.
El principal valor económico de la algarroba proviene en gran medida de la goma obtenida del grano; la pulpa se procesa en productos como harina, melaza y pienso. Pequeñas troceados producidas durante el procesamiento y la pulpa a partir de la melaza o la producción de jarabe pueden contener aún cantidades significativas de azúcar. Lima-Costa et al. identifican los materiales de desecho de la industria de procesamiento de algarroba como una fuente potencial para el bioetanol de segunda generación.
Este enfoque también tiene sentido para la economía circular en la industria del algarrobo: la conversión de los subproductos azucarados que quedan tras la producción de productos alimentarios en energía o materias primas químicas permite extraer más valor de la misma materia prima.
Productos de fermentación distintos al bioetanol
Los azúcares de algarroba se han probado como medio nutritivo no solo para etanol, sino también para diferentes productos biotecnológicos.
Ácido cítrico: En el estudio de Roukas de 1998, se investigó la producción de ácido cítrico por fermentación superficial a partir de extracto de algarrobo con moho de Aspergillus niger; se obtuvieron 200 g/L de azúcar inicial y concentración de ácido cítrico de hasta 85,5 g/L bajo condiciones de pH 6,5 y 30 °C.
Ácido láctico: Azaizeh et al. examinaron la producción de ácido láctico a partir de biomasas de algarrobo, plátano y caña de azúcar; informaron que la adición de extracto de levadura en la algarroba aumentaba la productividad. Bahry et al. también optimizaron la producción de ácido láctico a partir de residuos de algarroba de la industria alimentaria libanesa con Lactobacillus rhamnosus atrapado en perlas de alginato.
Mannitol: En el estudio de Carvalheiro et al., se produjeron ocho bacterias lácticas que producen manitol en jarabe de algarrobo fortificado; se informó que todas las cepas producían manitol con rendimientos superiores a 0,70 g por gramo de fructosa.
| Producto | Microorganismo (ejemplo) | Posible caso de uso |
|---|---|---|
| Etanol | Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis | Industria de combustibles, disolventes y productos químicos |
| Ácido cítrico | Aspergillus niger | Acidificante alimentario, productos farmacéuticos y productos de limpieza |
| Ácido láctico | Bacillus coagulans, Lactobacillus rhamnosus | Aditivos alimentarios, materia prima bioplástica (PLA) |
| Mannitol | Bacterias del ácido láctico (leuconostoc, etc.) | Edulcorante bajo en calorías, industria farmacéutica |
Limitaciones económicas y técnicas
Los resultados prometedores obtenidos a escala de laboratorio y piloto no significan que la algarroba pueda utilizarse como materia prima de bioetanol a escala industrial. Hay varias razones para ello:
| Coste de la materia prima | El análisis económico de Sánchez-Segado et al. para la planta hipotética mostró que la rentabilidad de la planta depende en gran medida del precio de la vaina de langosta, y que la planta solo puede ser rentable por debajo de un determinado precio de materia prima. También se ha informado que el aumento de la capacidad afecta los costes. |
| Usos competidores | La pulpa de algarroba se utiliza en los sectores alimentario (harina, melaza, jarabe) y piensos; estos usos generalmente ofrecen un mayor valor añadido que la producción de energía. |
| Estacionalidad y suministro | La algarroba se cosecha una vez al año; para una planta en funcionamiento constante, es necesario almacenar la materia prima. |
| Coste de extracción | Como subrayan Saharkhiz et al., la extracción de azúcar es un paso costoso; por ello, se están explorando alternativas como la fermentación en estado sólido y la fermentación sumergida en estado sólido. |
Por estas razones, la producción de bioetanol a partir de algarrobo adquiere importancia dentro de un enfoque de biorrefinería en el que se evalúan subproductos azucarados que emergen tras el procesamiento de alimentos, no como producto primario.
Preguntas frecuentes
¿Por qué se considera una materia prima adecuada para el bioetanol? La pulpa de algarroba contiene hasta aproximadamente la mitad de su peso seco de azúcares, que se pueden extraer fácilmente con agua porque son en gran parte libres.
¿Se produce bioetanol a partir de algarrobo a escala comercial? Las fuentes examinadas en este artículo son principalmente estudios de laboratorio, a escala piloto e hipotéticos de plantas. Los análisis económicos muestran que la rentabilidad depende en gran medida del precio de las materias primas.
¿Qué significa el bioetanol de segunda generación? Es bioetanol producido a partir de residuos agrícolas e industriales en lugar de materias primas utilizadas directamente como alimento. Los residuos de procesamiento de algarrobos y las polpas de producción de jarabe se evalúan en este contexto.
¿Qué se puede producir de la algarroba aparte del etanol? En la investigación, productos como el ácido cítrico, el ácido láctico y el manitol se obtuvieron de azúcares de algarrobo mediante fermentación.
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En aplicaciones basadas en fermentación, como en aplicaciones alimentarias, la limpieza, humedad y consistencia del contenido de azúcar en la materia prima afectan directamente al resultado. El uso de materias primas estándar en proyectos de investigación y desarrollo también es importante para la reproducibilidad de los resultados.
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Fuentes extranjeras
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