Por Danay Carillo Nieves y Sara Cristina Saldarriaga Hernández
Al degustar una cerveza, pocas veces nos detenemos a pensar en el desperdicio que se genera en su producción y en el destino final de los ingredientes utilizados. Sin embargo, ese destino fue el punto de partida de una innovadora iniciativa que fomenta la Bioeconomía Circular en el estado de Jalisco.
En nuestras investigaciones hemos logrado transformar el bagazo cervecero en otros nuevos productos de valor, entre ellos, un suplemento alimenticio que se puede utilizar en la preparación de pan y pizza para enriquecer su contenido nutrimental.
El bagazo cervecero es un residuo fibroso que se obtiene después de la molienda y maceración de los granos de cebada (y otros cereales) durante la producción de cerveza. Esta etapa ocurre específicamente después de extraer los azúcares fermentables de los granos molidos, proceso que da origen a un líquido rico en azúcares conocido como “mosto” que es hervido, fermentado y finalmente convertido en cerveza.
El bagazo es removido y, a menudo, descartado. Este subproducto constituye el 85% de los residuos en la producción de cerveza, presentando así un desafío considerable en términos de logística y gestión de desechos para la industria.
No obstante, su valiosa composición de proteínas, carbohidratos y fibra captó nuestra atención , por lo que iniciamos una colaboración con Grupo Cielito Lindo, una cervecería artesanal independiente de la región, para convertir este subproducto en un recurso aprovechable.
Subproductos de la producción cervecera
El equipo de Carrillo Biorefinery Lab ha facilitado una cooperación interinstitucional que une al Tecnológico de Monterrey, con otros aliados como el Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco (CIATEJ) y el Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) del Departamento de Energía de los EE.UU.
Juntos, implementan tecnologías avanzadas y respetuosas con el medio ambiente para transformar el bagazo cervecero en etanol (alcohol) como producto principal, orientado para su aplicación como bioenergético, así como otros productos que se derivan del proceso tales como promotores de crecimiento vegetal y moléculas con potencial valor nutricional (Saldarriaga-Hernández et al. 2020).
Este proyecto conjunto tiene como meta no solo disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero provenientes de los combustibles fósiles y minimizar el impacto ambiental de los fertilizantes petroquímicos, sino también, en colaboración con el DIF, brindar alternativas nutricionales que mejoren la calidad de los alimentos en comedores comunitarios de Jalisco.
La meta es desarrollar un modelo de economía circular adaptable por diversas cervecerías, permitiéndoles no solo valorizar sus residuos mediante procesos de transformación directa o gestión in situ, sino además fomentar el desarrollo de nuevos emprendimientos que aprovechen el bagazo cervecero como un recurso de valor, una materia prima prometedora.
Pizza de bagazo
La transformación del bagazo cervecero en productos valiosos es un claro ejemplo de cómo la innovación y la economía circular se integran con la industria. Este proyecto no solo apunta a minimizar los residuos y su impacto ambiental sino facilitar el acceso a alimentos funcionales, promoviendo el bienestar comunitario.
Con la combinación de pretratamiento con Disolventes Eutécticos Profundos (DES) y enzimas comerciales se logró la mejor conversión de azúcares fermentables a etanol, alcanzando rendimientos de hasta 20g/L de alcohol por gramo de bagazo cervecero.
Dada la prometedora composición del bagazo revelada en nuestras caracterizaciones previas, anticipamos un potencial aumento en el rendimiento del etanol. En la siguiente etapa, se utilizarán solventes ambientalmente sostenibles, similares a los DES, para perfeccionar el proceso de fermentación.
Con la fracción sólida remanente, previamente caracterizada, se formularon panecillos tipo snack y bases para pizzas en prototipos de prueba. Estos productos fueron sometidos a evaluaciones sensoriales, demostrando una notable aceptación cuando la proporción de bagazo en la mezcla con harina de trigo alcanza el 20%.
Con esta adición de bagazo a la harina de trigo se ha observado un incremento en el contenido de fibra, lo que abre nuevas vías de investigación sobre las ventajas prebióticas de estos alimentos y su potencial beneficio para la salud.
Transformación de residuos
El proceso se divide en cuatro fases clave:
Fase 1: Caracterización de bagazo. Es necesario conocer el potencial de fermentación que tiene el bagazo cervecero, es decir, cuánta azúcar lo compone y qué tanto se debe degradar el bagazo para lograr obtenerla.
El bagazo tiene una naturaleza lignocelulósica, es decir, está compuesta por tres capas principales entrelazadas, la lignina actúa como una barrera protectora y es la capa externa (Kumar and Chandra 2020).
La hemicelulosa (componente que ayuda a las plantas a mantener su estructura y proporciona fibra en la dieta) también contiene azúcares simples. Se ubica en la capa intermedia, forma enredaderas alrededor de la celulosa y al ser rica en glucosa constituye nuestro objetivo principal de recuperación (Toor et al. 2020). La meta es acceder a la celulosa y hemicelulosa para liberar los azúcares necesarios para la fermentación, proceso en el cual se produce el etanol.
Fase 2: Pretratamiento y liberación del azúcar. En esta etapa, se emplean Disolventes Eutécticos Profundos (DES), una tecnología innovadora y amigable con el medio ambiente, para descomponer el bagazo en los componentes principales, separar la lignina (una especie de pegamento de celulas vegetales) y mejorar el acceso a los azúcares fermentables.
Junto con el Lawrence Berkeley National Laboratory, se optimizan las formulaciones de los Disolventes Eutécticos Profundos para facilitar la separación de la lignina de la hemicelulosa y la celulosa. Además, para liberar los azúcares necesarios para la siguiente fase (fermentación), se aplican tratamientos biológicos, utilizando tanto hongos nativos mexicanos como enzimas comerciales. Estos son capaces de descomponer la hemicelulosa y la celulosa.
Fase 3: Fermentación. Con los azúcares liberados, se procede a la fermentación utilizando levaduras aisladas y adaptadas. Estas levaduras convierten la glucosa en alcohol bajo condiciones controladas en las instalaciones del CIATEJ, que dispone de una infraestructura especializada para fermentación alcohólica a escala piloto.
El alcohol producido se destila, separándolo de otros compuestos con potencial uso como promotores de crecimiento vegetal. La fracción sólida de bagazo remanente y la biomasa generada durante el crecimiento de la levadura se filtra para su aplicación en prototipos alimenticios y explorando su uso en el enriquecimiento nutricional de harinas de panificación. De esta manera estos procesos fermentativos de transformación del bagazo cervecero no generan desperdicios, todas las corrientes son empleadas para diversos fines.
Fase 4: Análisis Técnico-Económico. Finalmente, para determinar la viabilidad del proyecto, se realiza un análisis técnico y financiero, considerando además aspectos ambientales. Este paso asegura que el proceso de transformación esté fundamentado y maximice las posibilidades de éxito en la transferencia tecnológica del proyecto.
Referencias
- Carrillo-Nieves, Danay, Magdalena J. Rostro Alanís, Reynaldo de la Cruz Quiroz, Héctor A. Ruiz, Hafiz M.N. Iqbal, and Roberto Parra-Saldívar. 2019. “Current Status and Future Trends of Bioethanol Production from Agro-Industrial Wastes in Mexico.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 102 (November 2018): 63–74.
- Carrillo-Nieves, Danay, Héctor A Ruiz, Cristóbal N Aguilar, Anna Ilyina, Roberto Parra-Saldivar, J Antonio Torres, and José L Martínez. 2017. “Process Alternatives for Bioethanol Production from Mango Stem Bark Residues.” Bioresource Technology 239: 430–36.
- Carrillo-Nieves, Danay, Sara Saldarriaga-Hernandez, Guadalupe Gutiérrez-Soto, Magdalena Rostro-Alanis, Carlos Hernández-Luna, Hafiz M.N. Iqbal, and Roberto Parra-Saldivar. 2020. “Biotransformation of Agro-Industrial Waste to Produce Lignocellulolytic Enzymes and Bioethanol with a Zero Waste.” Biomass Conversion and Biorefinery.
- Kumar, Adarsh, and Ram Chandra. 2020. “Ligninolytic Enzymes and Its Mechanisms for Degradation of Lignocellulosic Waste in Environment.” Heliyon 6 (2): e03170.
- Saldarriaga-Hernández, Sara, Carolina Velasco-Ayala, Paulina Leal-Isla Flores, Magdalena de Jesús Rostro-Alanis, Roberto Parra-Saldivar, Hafiz M.N. Iqbal, and Danay Carrillo-Nieves. 2020. “Biotransformation of Lignocellulosic Biomass into Industrially Relevant Products with the Aid of Fungi-Derived Lignocellulolytic Enzymes.” International Journal of Biological Macromolecules 161: 1099–1116.
- Toor, Manju, Smita S. Kumar, Sandeep K. Malyan, Narsi R. Bishnoi, Thangavel Mathimani, Karthik Rajendran, and Arivalagan Pugazhendhi. 2020. “An Overview on Bioethanol Production from Lignocellulosic Feedstocks.” Chemosphere 242: 125080
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NOTA: En 2022, esta propuesta de investigación participó en diversas convocatorias tanto nacionales como internacionales, obteniendo así financiamiento a través del Research Funding Program Based on Challenges 2022 del Tecnológico de Monterrey (número de subvención E091 – EIC-GI01 – C-T11 – D; 2022). Posteriormente, se presentó otra propuesta con un enfoque de economía circular para las cervecerías en el Fondo para el Desarrollo Científico de Jalisco (FODECIJAL) destinado a afrontar retos sociales (FODECIJAL 2022, número de subvención 10261; 2022) del Consejo Estatal de Ciencia y Tecnología de Jalisco (COECYTJAL), México. Estos apoyos económicos han sido fundamentales para la ejecución del proyecto. Después de implementar este proyecto de manera exitosa con el Grupo Cielito Lindo, el objetivo es expandir este modelo a nivel nacional en la industria cervecera para asegurar la sostenibilidad y la viabilidad económica del modelo. El valor de una colaboración intersectorial entre la academia, la industria y el gobierno promueve un entorno que favorece la retroalimentación y el desarrollo de una legislación adecuada. En este proyecto, la sinergia entre la academia (Tecnológico de Monterrey, CIATEJ, UC Berkeley), la industria (Grupo Cielito Lindo) y el gobierno (COECYTJAL y DIF) es un ejemplo claro de cómo trabajar juntos para lograr una aplicación exitosa.
Autoras
Danay Carrillo Nieves. Profesora investigadora del Tecnológico de Monterrey, asociada al núcleo de investigación Climate & Sustainability y líder del Carrillo Biorefinery Lab.
Sara Cristina Saldarriaga Hernández. Estudiante de Doctorado en Biotecnología, a cargo del desarrollo del proyecto. Se prepara para una estancia en Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) con el objetivo de avanzar en la recuperación de azúcares del bagazo.
