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Del afrecho de la cebada obtienen edulcorante natural apetecido por la industria

Según cifras de Euromonitor, la cerveza es la bebida alcohólica en la que los colombianos gastan más dinero al año –unos 340.000 pesos– y la que más ingieren –49 litros por persona–. El consumo que mueve esta importante industria también representa un gran potencial para desarrollar bioproductos a partir de los residuos de su elaboración.

Una oportunidad así ha despertado el interés de investigadores que adelantan estudios para que la industria cervecera nacional aproveche la biomasa y la transforme en bioproductos. Es el caso de Lilia Carolina Rojas Pérez, doctora en Ingeniería - Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Colombia (UN).

La investigadora explica que los bioproductos son el resultado de aplicar la biotecnología al ámbito industrial, en el que, mediante procesos biológicos, bioquímicos, físicos y térmicos, con la incorporación de enzimas, microorganismos o bacterias, se transforma la biomasa en productos biológicos como plásticos, pinturas, lubricantes, materiales, energía o combustibles.

Por ejemplo en las biorrefinerías fase III, a partir del afrecho de la cebada que queda del proceso cervecero se obtuvo xilitol, un edulcorante natural. El propósito de estas biorrefinerías es obtener productos de mayor valor agregado que los biocombustibles, a partir de diferentes tipos de biomasas, principalmente agroindustriales.

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El profesor Paulo César Narváez Rincón, del Departamento de Ingeniería Química de la UN, destaca que “dicho residuo se utiliza especialmente para formulaciones de alimentos para animales, pero por su composición también se puede utilizar como materia prima para obtener productos más valiosos que harán que el proceso cervecero sea más rentable”.

El xilitol posee un alto potencial de aplicación en la industria tanto alimenticia como farmacéutica, ya que tiene 40 % menos calorías que la sacarosa, no participa en las reacciones de Maillard (reacciones químicas producidas entre las proteínas y los azúcares de los alimentos a altas temperaturas y que generan color, sabor y olor a tostado), no produce caries y es mejor tolerado por los diabéticos. Se usa para endulzar chicles, caramelos, helados, jarabes para la garganta, cremas y enjuagues bucales. En la actualidad los mayores productores de este edulcorante son China y Estados Unidos.

Buscando el proceso idóneo

La cascarilla de cebada con la que trabajó la doctora Rojas es un material “lignocelulósico” por su composición de lignina, celulosa y hemicelulosa, polímeros que forman parte de la estructura de las paredes de las celulas vegetales. A ellas se deben la forma y la dureza –entre otras propiedades físicas y químicas– de este tipo de biomasa. Se trata de componentes que resultan interesantes en el ámbito tecnológico para extraer materias primas en el concepto de una biorrefinería.

Al respecto, la investigadora asegura que “estos componentes están en una matriz altamente compleja, formando las paredes celulares de los vegetales en donde estos materiales crean cadenas entrelazadas”. Precisamente uno de los retos más importantes de su trabajo fue separar las cuatro fracciones que conforman esa fuerte estructura, sin alterarlas.

Para obtener hemicelulosa –de la que se extraen azúcares simples como la xilosa y arabinosa que se transformarían después en xilitol– evaluó dos procesos de pretratamiento en un medio líquido: uno alcalino, usando hidróxido de sodio presente en las aguas residuales de la industria cervecera, y uno conocido como steamexplosion o explosión con vapor.

La cascarilla de cebada se utiliza especialmente para formulaciones de alimentos para animales, pero por su composición también se puede utilizar como materia prima para obtener productos más valiosos que van a ayudar a que el proceso cervecero sea más rentable.

“Primero usamos el pretratamiento alcalino: variamos la temperatura, la concentración de la soda, la velocidad de agitación y la relación de alimentación a lo largo del tiempo para determinar la cinética de reacción”, indica la doctora Rojas, quien comenta que esa cinética es una evaluación de cómo varía la extracción de los azúcares ante diferentes modificaciones del proceso a lo largo del tiempo.

Con esto se encontró que el mayor grado de extracción fue a las 12 horas de reacción, con un rendimiento del 64,81 %. Esta información será útil para determinar el tiempo exacto del proceso y así obtener el máximo rendimiento de los residuos, algo importante al momento de llevarlo a una prueba piloto y posteriormente a un nivel industrial, donde un menor tiempo de reacción se traducirá en menores costos.

Para la segunda opción de proceso, el steamexplosion, la investigadora trabajó con investigadores de la Unidad de Biocarburantes del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat) en España, para aplicar esta técnica por primera vez a la cascarilla de cebada, pues la proteína que la compone representaba una barrera que impedía extraer los azúcares en el líquido.

Por eso decidió no someter la materia tal cual sale después del proceso de elaboración de la cerveza, sino que primero extrajo la proteína y el almidón residual mediante el uso de enzimas, para luego realizar el pretratamiento de explosión con vapor. Con esto se podría valorizar también la proteína presente en la cascarilla, para otros procesos.

En el steam explosion, el vapor generado a alta temperatura se pone en contacto con las fibras de la matriz compleja de la cascarilla, rompiendo su estructura y liberando los azúcares simples y otros compuestos. “En el tratamiento alcalino yo extraía esos azúcares en muy buena forma, pero todavía estaban unidos, mientras que en el steam explosion los extraje separados”. Con este método obtuvo un rendimiento máximo del 47 %, realizando la operación a 173,5 oC durante 15,5 minutos.

Lea la tesis Valorización de la cascarilla de cebada del proceso cervecero para la producción de xilitol

Obtener xilitol

Después de extraer la hemicelulosa con cualquiera de los dos pretratamientos evaluados, esta se debe someter a un proceso de hidrólisis para romper la estructura compleja y conseguir finalmente los azúcares simples que conforman ese polímero. Para esto se implementaron enzimas como catalizadores biológicos, los cuales tienen mejor desempeño en comparación con el ácido sulfúrico que se emplea en procedimientos tradicionales.

El procedimiento se realizó de dos maneras: evaluando el trabajo conjunto de hasta siete enzimas puras y con un complejo enzimático comercial. El máximo rendimiento que se obtuvo para la liberación de xilosa fue de 63,63 % para el primer pretratamiento y de 78,86 % para el segundo. Se destaca que por primera vez se realizó una hidrólisis de este tipo en un líquido pretratado con la tecnología de explosión con vapor.

El último paso para obtener el edulcorante consiste en utilizar una levadura, un microorganismo que en este caso fue Candida guilliermondii, que se alimentó de los azúcares simples y los transformó finalmente en el xilitol, con rendimientos que, según la doctora Rojas, se pueden aplicar en la industria a nivel piloto con las dos opciones de proceso evaluadas.

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