Nuevas tecnologías para impulsar la valorización de residuos y/o subproductos agroalimentarios

La gestión y tratamiento de biorresiduos y subproductos es uno de los retos más relevantes a los que se enfrentan las industrias agroalimentarias, especialmente teniendo en cuenta los objetivos europeos de residuo cero y el interés de los consumidores y la sociedad por los procesos y productos más sostenibles. En este sentido, los subproductos agroalimentarios, dada su composición y características, presentan un inmenso potencial para su valorización en nuevas materias primas.

Según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, a nivel mundial, el desperdicio de alimentos y cultivos causa pérdidas económicas de alrededor de 936.000 millones de dólares y es responsable del 8% de todas las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. Sólo en Europa, cada año se desperdician alrededor de 90 millones de toneladas de alimentos y 700 millones de toneladas de cultivos. Dada la cifra tan elevada de residuos generados, el modelo económico lineal de producción y gestión de recursos supone un riesgo para el medio ambiente y surge la necesidad de desarrollar medidas de valorización de los residuos, reemplazando el concepto de economía lineal (extraer, producir, desperdiciar) por el de economía circular (reducir-reutilizar-reciclar). Actualmente, gran parte de estos residuos son eliminados por incineración o destinados a vertedero, y en algunos casos, son transformados en productos de bajo valor añadido, como es el compost y o productos para alimentación animal. La economía circular promueve la reducción de residuos generados al tiempo que busca mejorar la utilización y la valorización de los residuos de manera económicamente viable y con la finalidad de obtener productos de alto valor añadido.

La Comisión Europea ha establecido objetivos para el año 2030 enfocados a reducir al 10% el destino a vertedero. Además, la Directiva (UE) 2018/852 tiene como objetivo hacer más eficiente la gestión de residuos en toda la Unión Europea, tratando los residuos como un recurso y haciendo uso del reciclaje, donde los Estados miembros desarrollen sistemas autónomos de para la eliminación de residuos. Estas iniciativas delinean una visión para una Europa más sostenible, promoviendo la adopción de nuevos modelos industriales basados en la economía circular.

Además de los beneficios medioambientales vinculados a la adecuada gestión de residuos generados, también se originan ventajas económicas y sociales adicionales de forma que se prevé un ahorro en materias primas por parte de la industria de 600.000 millones de euros, tal y como se detalla en la Estrategia Española de Economía Circular.

Por todo ello, hay un mayor número de empresas que buscan dar una nueva oportunidad a sus subproductos agroalimentarios, y en la misma línea, la biotecnología, empleando procesos eficientes, sostenibles y de bajo impacto ambiental, se está postulando en los últimos años como una alternativa para su transformación y la introducción de nuevos productos de alto valor añadido en el mercado.

Entre los diferentes productos de alto valor añadido obtenidos, recientemente está tomando gran interés el potencial que presentan diversos tipos de ácidos orgánicos, dada la versatilidad de su aplicación en distintos sectores industriales. Las aplicaciones que destacan son: la obtención de biomateriales compostables y biodegradables, y de productos cosméticos con mejores propiedades y procedentes de fuentes renovables.

En línea con los objetivos mencionados, en el proyecto ESENCIAL se han desarrollado procesos de valorización de subproductos agroalimentarios para la generación de ácidos orgánicos, tales como el ácido láctico y el ácido succínico, con aplicación en el sector de envases y embalajes y también en la industria cosmética. El ácido láctico y el ácido succínico se utilizan como precursores para la obtención de ácido poliláctico (PLA) y poli (butilen-succinato (PBS), respectivamente, productos de gran interés para la industria del envase al tratarse de materiales biodegradables y compostables. Además, ambos ácidos presentan una alta demanda como ingredientes de origen sostenible para la industria de los “cosméticos verdes”, dadas sus propiedades exfoliantes, antioxidantes, antimicrobianas o hidratantes.

La valorización de subproductos agroalimentarios llevada a cabo por ITENE se basa en el desarrollo, optimización y escalado de procesos biotecnológicos con el fin de: (i) obtener azúcares y otros nutrientes de segunda generación (2G) mediante procesos de hidrólisis enzimática o sacarificación; (ii) transformar estos azúcares 2G en ácidos orgánicos (ácido láctico y ácido succínico) mediante procesos de fermentación microbiana;(iii) definir y optimizar métodos de purificación específicos que permitan obtener productos con parámetros de calidad requeridos en las diferentes aplicaciones industriales; y, (iv) analizar el potencial técnico-económico de los procesos mediante el escalado de las tecnologías a un entorno cercano al industrial.

Imagen 1. Diagrama de proceso de la valorización de las pieles de piña hacia ácido láctico.

En concreto, se seleccionó la piel de piña, la cascarilla de arroz y pieles de naranja por su elevado contenido en nutrientes para el cultivo de bacterias fermentativas, promoviendo así el desarrollo de procesos biotecnológicos dentro del marco de la economía circular

A) Acondicionamiento y estabilización de los subproductos agroalimentarios: Los subproductos seleccionados se sometieron a procesos de secado y molienda para facilitar su almacenamiento y posteriores procesos de valorización. En la imagen 2 se muestra el estado final de cada subproducto, con un tamaño de partícula de 2 mm.

Imagen 2. Residuos acondicionados y estabilizados utilizados en el proyecto ESENCIAL. Piel de piña (A), cascarilla de arroz (B), piel de naranja (C).

B) Evaluación del potencial de valorización de los subproductos: se realizó una caracterización fisicoquímica de cada subproducto acondicionado y estabilizado para identificar el potencial de valorización, basándose principalmente en el contenido en nutrientes y metabolitos de interés para el crecimiento de microorganismos fermentativos.

C) Diseño de cócteles específicos de enzimas hidrolíticas y sacarificación de los subproductos: se diseñaron cócteles enzimáticos óptimos para la sacarificación de cada tipo de subproductos. Este proceso de hidrólisis enzimática permite romper los enlaces de la celulosa y hemicelulosa para liberar los azúcares 2G. De esta forma, se obtuvieron medios ricos en azúcares fermentables por microorganismos productores de ácido láctico y ácido succínico a partir de subproductos agroalimentarios, sustituyendo medios comerciales.

Imagen 3. Hidrolizados de cada residuo utilizado en el proyecto ESENCIAL. Hidrolizado de piel de piña (A), cascarilla de arroz (B) y piel de naranja (C).

A) Obtención de ácidos orgánicos mediante procesos fermentativos. Se establecieron las condiciones óptimas de fermentación específicas para cada microorganismo en base a parámetros de crecimiento, consumo de azúcares y de rendimientos de producción de ácido láctico y succínico a partir de medios compuestos por los subproductos agroalimentarios hidrolizados.

B) Optimización de los procesos de fermentación a escala piloto: Los ensayos de escalado se llevaron a cabo en la planta piloto de ITENE, empleando para ello reactores de hidrólisis y biorreactores de fermentación con volúmenes de trabajo de 100 L, permitiendo identificar y optimizar las variables que repercuten directamente en los rendimientos del proceso, lo que es esencial para establecer la viabilidad técnico-económica para la implementación de estos procesos de valorización de subproductos en la industria.

Imagen 6. Biorreactor de fermentación en la planta piloto de ITENE.

En la Tabla 1, se presentan los rendimientos de ácido láctico y ácido succínico obtenidos en el proceso de fermentación de cada subproducto, calculado en porcentaje como la relación entre la concentración de producto obtenido y la de azúcares iniciales.

La producción de biomateriales y cosméticos de calidad requiere que los ácidos orgánicos obtenidos mediante procesos fermentativos alcancen determinados parámetros de calidad, como el grado de pureza. Pare ello, se realizó una primera fase de purificación en la que se retiró la biomasa bacteriana crecida en el proceso de fermentación de cada ácido orgánico por filtración tangencial, proceso conocido como clarificación. Seguidamente, el caldo clarificado se sometió a un proceso de decoloración.

Imagen 8. Extracción de ácido láctico con solventes.

Imagen 9. Cristales de ácido succínico.

La implementación de estos procesos en la industria implicaría las siguientes ventajas:

• Reducción de los costes asociados a la gestión y eliminación de biorresiduos.

• Reducción de los costes de producción de los biopolímeros por la sustitución de medios comerciales por hidrolizados de subproductos agroindustriales.

• Desarrollo de procesos escalables y sostenibles a nivel industrial de compuestos y biopolímeros de interés.

• Creación de nuevas cadenas de valor, permitiendo interconexiones con diversos sectores industriales.

• Impulso la transición hacía la economía circular.

• Alternativas a materiales derivados del petróleo.

• Reducción del impacto medioambiental.

• Contribución al cumplimiento de los objetivos planteados por la estrategia europea de economía circular creando las bases para la fabricación de biopolímeros a partir de residuos.