Producción de bioetanol mediante fermentación de subproductos cítricos pretratados con steam explosion

Resumen

La producción mundial de zumo de naranja durante la campaña de 2007/2008 en los países productores más importantes fue de unos 2,3 millones de toneladas (65 ºBrix), por lo que los residuos industriales de pieles de cítricos en todo el mundo podían estimarse en más de 15.106 t. Parte de los subproductos cítricos se han utilizado tradicionalmente en alimentación del ganado, ya sea en estado fresco o como ensilado, o como producto deshidratado, pero normalmente una considerable cantidad de estos subproductos cítricos frescos se pierden como consecuencia de la dificultad de consumir o tratar rápidamente una gran cantidad de estos residuos en un período relativamente corto de tiempo, durante la campaña. De esta manera, una gran cantidad de estos subproductos todavía son vertidos incontroladamente a la naturaleza, causando verdaderos problemas medioambientales. Es así como la eliminación de estos residuos cítricos representa un serio problema para la industria de cítricos de todo el mundo. De hecho, y debido a la concentración territorial de la producción de estos subproductos, es especialmente importante en EEUU (que generó unos 3,2 millones de toneladas de residuos del procesado de cítricos, en la campaña 2005-2006, y principalmente en el Estado de Florida), Brasil (principalmente en la región de Sao Paulo, que genera más del doble de la cantidad de Florida), y los países mediterráneos (con una producción de más de 1,5 millones de toneladas entre España, Italia, Grecia, Egipto, Turquía y Marruecos). En España, la producción media de subproductos cítricos por año es de cerca de 600.000 t, y se tiene una gran concentración en la Región de Murcia, siendo aproximadamente el 30% debido a la producción de zumos de mandarina. El zumo de mandarina se produce principalmente en España y China (con una estimación de producción de zumo de mandarina a nivel mundial de 1,5 millones de toneladas). El limón (Citrus limon L.) es la tercera especie cítrica cultivada más importante después de los cítricos naranja y mandarina, con una producción mundial de 4.200.000 toneladas. Los países con la producción de limón más importante dedicada al procesado son Argentina (1.000.000 t), Italia (304.000 t), España (300.000 t), EEUU (230.000 t) y Méjico (296.000 t). El total es de más de 2.130.000 t de limón procesado en todo el mundo (en 2007), de los cuales el 57% (aproximadamente 1.200.000 toneladas) fueron subproductos. La producción de pomelo en todo el mundo supera los 3,8 millones de t, con una producción en EEUU de más de 2,3 millones de t (con un 55% para industrialización). Los siguientes países más importantes son Argentina, Cuba, Chipre, Israel, Méjico, Mozambique y Sudáfrica. En España, la producción de pomelo es de 50.000 t, de las que el 30% se dedica a la industria para la producción de zumo. Los subproductos cítricos (CPW, del inglés Citrus Pulp Waste) son ricos en pectina y pueden ser utilizados para la fabricación de ácido galacturónico. Pero también son una materia prima potencial para la producción de bioetanol, debido a su alto contenido en carbohidratos, que es similar al de otras materias primas estudiadas para ese fin. Sin embargo, y a pesar de la importancia del volumen de producción de los CPW, no se han llevado a cabo suficientes trabajos de investigación (y que hayan sido publicados) que estudien la posibilidad de su uso en producción de etanol y ácido galacturónico. Sin embargo, hay estudios sobre otros usos: como sustrato de fermentación para la producción de preparados multienzimáticos; para la extracción de pectina, o como fuente de muchos compuestos naturales tales como proteínas celulares, ácido cítrico, vitaminas, flavonoides, carotenoides, minerales, fibra dietética, y aceites esenciales cítricos (CEOs, Citrus Essential Oils). Por todo lo anterior, en esta tesis se ha estudiado la hidrólisis enzimática de los CPW pretratados con steam explosion para la producción de bioetanol, dedicando especial atención a la recuperación de los CEOs, y a la influencia de este tratamiento previo sobre los cambios de composición en los CPW, y sobre el rendimiento en etanol en la fermentación posterior de los hidrolizados. Se han estudiado los subproductos cítricos de mandarina (Citrus reticulata L.) (MCPW), limón (Citrus limon L.) (LCPW), pomelo (Citrus paradisi L.) (GCPW) y naranja (Citrus sinensis L.) (OCPW) para la producción de bioetanol, obteniendo también como co-productos: D-limoneno, ácido galacturónico, y pellets de pulpa de cítricos (CPP). El pretratamiento de steam explosion se analizó a nivel de planta piloto para tratar de disminuir las necesidades de enzimas hidrolíticas y para separar y recuperar los aceites esenciales de cítricos (CEOs), principalmente D-limoneno. Se ha estudiado el efecto del pretratamiento de steam explosion sobre los subproductos cítricos MCPW, LCPW, GCPW, y OCPW, en su composición lignocelulósica que se analizó mediante análisis termogravimétrico. Se ha estudiado la influencia de los contenidos residuales de CEOs sobre la producción de etanol, al mismo tiempo que se ha determinado la concentración de azúcares (glucosa, fructosa, galactosa, arabinosa, sacarosa, ramnosa y xilosa) y de ácido galacturónico (GA) por cromatografía iónica para medir la eficiencia de la sacarificación y la fermentación (en los procesos de sacarificación y fermentación simultáneas, o proceso SSF, y proceso de sacarificación y fermentación secuencial, o proceso SF), que se obtiene mediante el pretratamiento de steam explosion. Se pueden obtener rendimientos de etanol superiores a 60 L/1000 kg de CPW fresco, sin procesar, mientras que el rendimiento en CPP puede ser regulado por medio del control de la dosis de enzimas y el pretratamiento de steam explosion, que puede reducir significativamente las necesidades de enzimas. Se ha estudiado también la actividad antimicrobiana de los CEOs sobre S. cerevisiae y su influencia en la producción de etanol durante la fermentación. Se ha observado una actividad antimicrobiana significativa de los CEOs sobre las levaduras S. cerevisiae cuando se presentan concentraciones superiores a 0,025%. El pretratamiento de steam explosion ha demostrado tener un efecto interesante sobre el procesado de los subproductos cítricos para la obtención de etanol y ácido galacturónico. Este pretratamiento reduce el contenido residual de los CEOs por debajo de 0,025% y disminuye significativamente las necesidades de enzimas hidrolíticas. También, se ha podido poner de manifiesto que en las cortezas de cítricos sometidas a steam explosion se pueden encontrar flavonoides, como la hesperidina y la naringina, y que estos flavonoides tienen un gran poder inhibidor de Saccharomyces cerevisiae en concentraciones inferiores al 5% (w:v).