Producción eco-sostenible de biocarburantes y bioproductos a partir de suero lácteo = Eco-sustainable production of biofuels from cheese whey

Abstract

El suero lácteo, principal subproducto del procesado de leche y queso, supone un gran desafío para el sector lácteo, tanto por los elevados volúmenes generados, como por su elevada carga orgánica. A este desafío en su gestión debe sumarse una legislación medioambiental cada vez más restrictiva para su disposición final.

El lactosuero es una importante fuente de nutrientes, fundamentalmente lactosa y proteínas. Una parte de estos nutrientes, como son las proteínas lácteas, son recuperadas y reincorporadas nuevamente a la cadena alimentaria. Sin embargo, alrededor de la mitad del suero generado no es valorizado y es gestionado por las industrias lácteas como un residuo. Asimismo, durante el proceso de recuperación de las proteínas lácteas se generan como subproducto elevados volúmenes de permeado de suero, corriente residual que conserva la mayoría de los sólidos, fundamentalmente lactosa, generando su vertido un problema similar al del lactosuero, tanto por la magnitud del volumen como por su carga contaminante. El ineficiente aprovechamiento de estos recursos tiene graves implicaciones medioambientales, económicas y de sostenibilidad.

La obtención de bioalcoholes oxigenados, como el etanol y el butanol, mediante procesos fermentativos de bioconversión de la lactosa presente en el lactosuero y en el permeado de suero, puede ser una interesante alternativa para la valorización de este subproducto. Sin embargo, para garantizar la viabilidad comercial de estos procesos es imprescindible mejorar el rendimiento y la productividad de las fermentaciones. Es esencial aumentar la concentración final de solventes en el caldo de fermentación para reducir los elevados costes de recuperación. Para ello, se debe mejorar la osmotolerancia de los microorganismos tanto a sustratos como a productos, así como plantear estrategias de recuperación in situ de los solventes generados. También es necesario trabajar en la reducción de los tiempos de fermentación para aumentar la productividad y la viabilidad económica global del proceso.

Esta tesis doctoral se ha centrado en la mejora de las tecnologías de fermentación para la obtención de bioalcoholes, concretamente etanol y butanol, para su uso como biocarburantes, a partir de lactosuero y de permeado de suero. A través de la optimización de las condiciones de fermentación, se trató de aumentar el rendimiento y la productividad del proceso. Para ello, se emplearon tecnologías eficientes de fermentación como son las fermentaciones a alta densidad (conocidas por sus siglas en inglés, VHG, Very High Gravity) combinadas con inmovilización celular mediante atrapamiento en esferas de alginato y adsorción sobre soportes inertes. Además, se han planteado estrategias de recuperación in situ de solventes como el arrastre de vapor o gas stripping, en una o dos etapas, para mejorar el consumo energético del proceso de recuperación y purificación, incidiendo positivamente en la viabilidad global.

Inicialmente, se evaluó el efecto de la temperatura y el pH en el desarrollo de la fermentación alcohólica utilizando levaduras de la especie Kluyveromyces marxianus, tanto libres como inmovilizadas por atrapamiento en esferas de alginato. Además, se determinó que la concentración límite de lactosa en el permeado de suero que permite evitar problemas de inhibición por sustrato está en torno a 170 – 190 g/L, alcanzando rendimientos de fermentación del 95,5% y productividades de 1,8 g/L·h. Finalmente, se optimizaron los parámetros más influyentes en la formación de los geles de alginato (concentración de alginato, carga celular y tamaño de la esfera) mediante diseño experimental por Metodología de Superficie de Respuesta (MSR), validándose la estabilidad de las esferas y los rendimientos de producción de etanol durante 6 ciclos, con producciones medias de etanol de 8,3% (v/v), una productividad de 1,6 g/L·h y una eficiencia de fermentación del 83%.

Posteriormente, se comparó la capacidad fermentativa de cuatro cepas de levadura de la especie K. marxianus y cuatro cepas de la especie Saccharomyces cerevisiae para producir etanol. Se optimizaron las condiciones de operación (temperatura, pH y tiempo) con un diseño experimental por MSR para una cepa seleccionada de cada una de las dos especies. Con la cepa K. marxianus DSM 5422 en condiciones optimizadas, se obtuvo una concentración de etanol del 6% (v/v) en sólo 44 horas de fermentación, utilizando como sustrato permeado de suero con una elevada concentración inicial de lactosa (Li = 130 g/L) en procesos descontinuos. En una siguiente etapa, la cepa fue inmovilizada por adsorción en cuatro soportes inertes de bajo coste (anillos Raschig de vidrio, plástico y silicona Tygon®, y esferas de alúmina) para evaluar su comportamiento a lo largo del tiempo. La inmovilización de la levadura en anillos Raschig de vidrio y perlas de alúmina ofreció el comportamiento más estable a lo largo del tiempo, con rendimientos medios de etanol del 6% (v/v) en un régimen continuo durante más de 40 días (1.000 horas).

De un modo similar a como se hizo con la fermentación alcohólica, mediante diseño experimental de Plackett-Burman y MSR, se determinaron los nutrientes esenciales para la obtención de butanol con la cepa Clostridium beijerinckii CECT 508, optimizando sus concentraciones. En este trabajo se alcanzaron rendimientos de fermentación cercanos al teórico, trabajando con suero lácteo de oveja con una concentración inicial de lactosa de 40 g/L, llegando a concentraciones de butanol en el caldo de 8,9 g/L.

Finalmente, se evaluó un proceso de fermentación ABE con recuperación in situ de butanol mediante arrastre de vapor o gas-stripping en una y dos etapas consecutivas. Se realizó una optimización de las condiciones de operación mediante MSR. Utilizando una recuperación por arrastre a vapor en dos etapas, se consiguió una corriente de condensado muy enriquecida en butanol (30 – 36% v/v), lo que permite disminuir el consumo energético de la etapa de deshidratación durante la purificación. Aunque en las condiciones de recuperación óptimas (T alimentación de 60 °C) las bacterias tuvieron un fuerte estrés térmico, fueron capaces de recuperarse y producir nuevamente butanol. Sin embargo, el rendimiento de fermentaciones consecutivas se demostró comprometido.

En futuras actuaciones de investigación sería muy interesante analizar la capacidad de producir butanol de otras cepas comerciales de Clostridium, así como optimizar la inmovilización de las bacterias en soportes inertes en procesos discontinuos en una primera etapa; y en procesos continuos en reactores de biopelícula integrados con recuperación in situ de solventes mediante gas-stripping en dos fases, en una posterior etapa de escalado. Asimismo, se deberían evaluar la eficiencia y los costes del proceso global de fermentación ABE a escala demostrativa para determinar la viabilidad comercial del proceso propuesto.