Obtención de bioproductos a partir de residuos del beneficio húmedo del café (pulpa) / Obtaining Bioproducts from Residues of the Wet Benefit of Coffee (Pulp)

RESUMEN Este trabajo presenta los resultados obtenidos a escala de laboratorio para el aprovechamiento de la pulpa de café (residuos) en el proceso de beneficio húmedo aplicando el concepto de biorrefinería. Los resultados mostraron que es posible tratar este residuo mediante procesos fermentativos y obtener bioetanol separado por medio de la destilación simple con un contenido de alcohol entre 3,85 % al 6,90 % por cada 250 ml de biomasa tratada en condiciones ambientales. Se observó en todos los ensayos que una variable importante es el tiempo de fermentación y la estructura inicial del residuo ya que esto influye sobre el rendimiento obtenido en términos del bioalcohol producido. Este trabajo forma parte de un estudio preliminar para la implementación del concepto de biorrefinería a los residuos generados en el beneficio húmedo del café. La búsqueda de alternativas que permitan el aprovechamiento de los residuos del café constituye una problemática actual. Estos residuos al no ser tratados, por lo general son vertidos a las fuentes hídricas y en ocasiones utilizados como enmiendas agrícolas en los cultivos, lo cual puede causar graves problemas de contaminación. Por este motivo es necesario realizar investigaciones en este campo que permitan su tratamiento o aprovechamiento integral.

ABSTRACT This work presents the results obtained at a laboratory scale for the use of coffee pulp (residues) in the wet milling process applying the concept of biorefinery. The results showed that it is possible to treat this residue through fermentative processes and obtain bioethanol through simple distillation with an alcohol content between 3.85% to 6.90% for each 250ml of biomass with a solid-liquid ratio of 4 to 1 to environmental conditions. It was observed in all the tests that the fermentation time and the initial structure of the residue are important variables since they influence the yield obtained in terms of produced alcohol. This work is part of a preliminary study for the implementation of the biorefinery concept to the residues generated in the wet coffee mill. The search of alternatives that allow the use of coffee residues is a current problem. These residues, when not treated, are generally dumped into water sources and sometimes used as agricultural amendments in crops, which can cause serious contamination problems. For this reason, it is necessary to carry out research in this field for its treatment or comprehensive use.

Efecto de antibióticos y un antimicrobiano sobre el control de bacterias acido lácticas en la fermentación alcohólica / Effect of antibiotics and an antimicrobial on the control of lactic acid bacteria in alcoholic fermentation

RESUMEN El propósito de esta investigación fue evaluar el efecto de antibióticos y un antimicrobiano para el control de bacterias ácido lácticas (BAL) en etapa fermentativa de tres ingenios (A, B y C) productores de alcohol en el Valle del Cauca (Colombia). Se establecieron dos ensayos de fermentación a escala de laboratorio por separado, tratados con cuatro antibióticos (8, 15 y 30 ppm), dos cocteles (4, 8 y 15 ppm) y un antimicrobiano (15 y 30 ppm); en el primero se cuantificó la producción de ácido láctico (AL), la población y viabilidad de la levadura, y en el segundo se determinó el crecimiento de BAL. En el primer ensayo, los tratamientos que controlaron los niveles de AL en los ingenios fueron virginiamicina (VIR) 15 ppm, maduramicina (MAD) 15 ppm, penicilina (PEN) 30 ppm y lúpulo (LUP) (30 ppm). Adicionalmente, los tratamientos PEN a 30 ppm, VIR, el coctel estreptomicina-penicilina-virginiamicina-monensina (EPVM) y LUP a 15 ppm no afectaron a la levadura en las condiciones evaluadas. En el ensayo dos, todos los tratamientos lograron controlar BAL, presentando un mayor control a las 24 horas pos-tratamiento en el ingenio A. En el ingenio B, MAD, monensina (MON), los cocteles estreptomicina-penicilina-virginiamicina (EPV) y EPVM, controlaron el crecimiento de BAL durante las primeras 6 horas, mientras que LUP controló la población de BAL a las 24 horas. En el ingenio C, LUP, MON y EPV lograron controlar las BAL en todas las concentraciones, principalmente a las 24 horas. Por tanto, se infiere que VIR en el ingenio A, EPVM en los ingenios B y C y el antimicrobiano LUP en los tres ingenios son eficientes en el control de BAL.

ABSTRACT The objective of this research was to evaluate the effect of antibiotics and an antimicrobial for the control of lactic acid bacteria (LAB) in the fermentative stage of three sugar mills producer (A, B and C), in "Valle del Cauca" (Colombia). Two fermentation assays on laboratory scale separately, treated with four antibiotics (8, 15 and 30 ppm), two cocktails (4, 8 and 15 ppm) and an antimicrobial (15 and 30 ppm) were established. In the first one, lactic acid (LA) production, population and yeast viability were quantified, and in the second the LAB growth was determined. In the first assay, the treatments that controlled LA levels in sugar mills were virginamicin (VIR) 15 ppm, maduramycin (MAD) 15 ppm, penicillin (PEN) 30 ppm and hop (HP) (30 ppm). Additionally, PEN treatments at 30 ppm, VIR, the streptomycin-penicillin-virginiamycin-monensin cocktail (SPVM) and HP at 15 ppm did not affect the yeast under the conditions evaluated. In the second assay, all treatments managed to control of LAB, with greater control at 24 hours in sugar mill A. In sugar mill B, MAD, monensin (MON), streptomycin-penicillin-virginiamycin (SPV) and SPVM cocktails controlled LAB growth during the first 6 hours, while HP controlled LAB population at 24 hours. In sugar mill C, HP, MON and EPV managed to control LAB in all concentrations mainly at 24 hours. Therefore, it is inferred that VIR in sugar mill A, SPVM in sugar mills B and C and HP antimicrobial in the three mills are efficient in LAB control.

Bioconversion of hemicellulosic materials into ethanol by yeast, Pichia kudriavzevii 2-KLP1, isolated from industrial waste / Bioconversión de materiales hemicelulósicos en etanol por la levadura Pichia kudriavzevii 2-KLP1 aislada de residuos industriales

In the present work, a yeast strain Pichia kudriavzevii was identified on the basis of 18S rDNA, showing maximum growth at 30°C and pH 7.0. Among all the complex polysaccharides used, wheat bran proved to be the best substrate as indicated by the maximum growth of the yeast strain. The yeast isolate was capable of producing xylanase both intra-and extra-cellularly, the dominant form being extracellular. The maximum enzyme activity was determined at pH 5.0 and at 50°C. Na+, Mg2+ and Fe2+ presence caused a substantial increase in enzyme activity while a slight decrease (4.5%) was observed in the presence of Mn2+, Zn2+ and Cu2+. Pyruvate decarboxylase (PDC) and alcohol dehydrogenase (ADH) activities were assayed to confirm the presence of the ethanol pathway and PDC activity was much more pronounced (73%) compared to ADH activity (51%). The yeast strain can be employed to utilize hemicellulose containing agroindustrial residues for ethanol production.

En el presente estudio se identificó en aguas residuales de una zona industrial de Pakistán una cepa de la levadura Pichia kudriavzevii sobre la base del 18S ADNr, dicha cepa mostró un crecimiento máximo a 30 °C y a pH 7. Entre todos los sustratos de crecimiento evaluados para esta cepa, que incluyeron residuos industriales y medios definidos, el salvado de trigo demostró ser el mejor en función del crecimiento máximo alcanzado. Este aislado de levadura fue capaz de producir xilanasa intracelular y extracelular, esta última fue la forma predominante. Dicha capacidad enzimàtica mostró ser óptima a un pH de 5 y a 50°C. La presencia de Na+, Mg2+ y Fe2+ causó un incremento sustancial de la actividad enzimática, y hubo un ligero descenso (4,5%) en presencia de Mn2+, Zn2+ y Cu2+. Se evaluaron también las actividades de piruvato descarboxilasa y alcohol deshidrogenasa para confirmar la presencia de la vía del etanol. La actividad de la piruvato descarboxilasa fue mucho más pronunciada (73%) en comparación con la de alcohol deshidrogenasa (51%). Esta cepa de levadura puede emplearse para aprovechar los materiales hemicelulósicos de los residuos agroindustriales en la producción de etanol.

Bioethanol production from coconut husk fiber / A produção de bioetanol a partir de fibra de casca de coco

ABSTRACT: Population growth and the increasing search for healthy foods have led to a major consumption of coconut water and, hence, to an environmental impact caused by the inappropriate disposal of green coconut husks. This lignocellulosic biomass has deserved attention of researchers concerning the seeking of new usages, as, for example, in renewable fuels production technologies. This study examines the potential of green coconut husk fibers as a feedstock for the production of bioethanol. The coconut fibers were pretreated through an alkaline method, hydrolyzed enzymatically and submitted to ethanol fermentation with commercial yeasts of Saccharomyces cerevisiae. Despite the significant loss of cellulose (4.42% in relation to the fiber and 17.9% concerning the original cellulose content), the alkaline pretreatment promoted an efficient solubilization of lignin (80%), turning the coconut fibers into a feasible raw material for 2G ethanol production studies. Enzymatic hydrolysis converted 87% of the sugars and the ethanolic fermentation consumed 81% of the substrate in the hydrolyzate, leading to a sugar to ethanol convertion efficiency of 59.6%. These results points out that green coconut husks are a promising alternative to the production of renewable energy.

RESUMO: O crescimento populacional e a busca por alimentos saudáveis levam a um aumento do consumo da água de coco e, com isso, um impacto ambiental pela maior geração de resíduos, merecendo atenção de pesquisadores para o aproveitamento dessa biomassa, em que uma das tecnologias empregadas é a produção de combustíveis renováveis. Este trabalho avalia a fibra da casca de coco verde pré-tratada com álcali, hidrolisada com enzima e submetida à fermentação etanólica com a levedura comercial Saccharomyces cerevisiae. Apesar da significativa perda em celulose (4,42% em relação à biomassa e 17,9% em relação à celulose presente), o pré-tratamento alcalino apresentou alta solubilização de lignina (80%), tornando-se viável para estudos da produção de etanol 2G. A hidrólise enzimática converteu 87% dos açúcares e a fermentação etanólica consumiu 81% do substrato presente no hidrolisado, gerando uma eficiência na conversão de açúcares em etanol de 59,6%. Tais resultados indicam a casca de coco verde como uma alternativa promissora à produção de energia renovável.

Producción de etanol a partir de yuca en condiciones de alta concentración de sólidos (VHG) / Ethanol production from cassava using very high gravity conditions (VHG)

La investigación realizada evalúa el efecto del medio fermentativo y la concentración de azúcares iniciales sobre la producción de etanol en sistemas batch, cuando se emplean sacarificados de harina de yuca (Manihot esculenta), como fuente de carbono. El diseño experimental ejecutado fue de tipo bifactorial de efectos fijos y analiza la productividad de bioetanol en cuatro medios fermentativos diferentes, dos de los cuales se suplementaron con sacarificados de harina de yuca variedad Copiblanca. Las concentraciones de azúcares iniciales evaluadas en estos sustratos fueron de 250, 300 y 350 g/L. Estos tratamientos fermentativos fueron inoculados con una variedad etanologénica comercial de S. cerevisiae a una concentración de 0.05% (p/v). Las condiciones de proceso incluyeron un volumen final de 150 mL, una incubación a 35°C por 48 horas, agitación constante de 150 rpm y pH entre 4.0 y 4.5. Los sacarificados provenientes de esta variedad de yuca usados como fuente de carbono, mostraron ser excelentes sustratos para la obtención de etanol. Se evidenciaron aumentos de más del 500% en términos de productividad volumétrica con respecto al control experimental y se alcanzaron concentraciones finales de etanol del 14.7%v/v, asociadas a rendimientos producto/sustrato de 0,48 g/g y productividades de 2,4 g/L/h. Estos parámetros cinéticos fueron logrados con el medio fermentativo más simple evaluado, medio compuesto por los sacarificados como fuente de carbono y como única fuente nutricional, bajo concentraciones de azúcares iniciales de 250g/L; lo que demuestra la aptitud de estos sustratos para efectos de producción etanólica.

This research exposes the fermentative medium and initial sugar concentration effect on ethanol production in batch systems, when used glucose syrups derivatives of cassava (Manihot esculenta), as a carbon source. The experimental design was factorial and analyzes the productivity of bioethanol in four different fermentation media, two of which were supplemented with cassava flour sugared. The initial sugar concentrations tested on these substrates were 250, 300 and 350 g / L. These fermentative treatments were inoculated with a commercial ethanolic variety of S. cerevisiae at a concentration of 0.05% (w / v). The process conditions included a final volume of 150 mL, incubation at 35 ° C for 48 hours , constant stirring at 150 rpm and pH between 4.0 and 4.5. The saccharified from this cassava variety showed be excellent substrate for the bioethanol production, achieving increases of 550% in terms of volumetric productivity over the control experiment, the above, allowed us to achieve final concentrations of ethanol of 14.7% v / v, yields product / substrate of 0.5 g / g, and productivities of 2.4 g / L / h. Most interesting is that these kinetic parameters were achieved with the simplest fermentation medium evaluated, the mean was compound of saccharified as a carbon source and as a sole source of nutrition, and its initial concentration of sugars was 250g / L; the above shows the ability of these substrates for ethanol production purposes.

Influencia de las regiones de estabilidad del biorreactor en la producción eficiente de alcohol carburante / Influence of bioreactor stability regions in the efficient production of fuel ethanol

Colombia ha desarrollado un proyecto ambicioso en la producción de alcohol carburante, y actualmente es uno de los países líderes de América Latina en la producción de biocombustibles. No obstante, algunas de sus plantas industriales productoras de etanol presentan problemas durante el arranque y la operación de los fermentadores, que afectan adversamente la productividad del proceso global. Estudios teóricos y experimentales demuestran que el comportamiento dinámico del proceso depende de los fenómenos de estabilidad que exhibe el sistema. En este trabajo se muestra la influencia de las regiones de estabilidad sobre la eficiencia del proceso tomando como criterios de evaluación índices de impacto económico y ambiental. Para esto, se realizó un análisis de estabilidad donde se tomó como parámetro de operación principal la velocidad de dilución. Se empleó un programa propio desarrollado sobre Matlab® para generar diagramas de bifurcación y de fase. El algoritmo de reducción de residuos (WAR) desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, y el software SuperPro Designer®, fueron utilizados respectivamente para hacer la evaluación ambiental y económica del proceso. Como resultado, se evidenció que los procesos continuos de fermentación se pueden llevar a cabo en diferentes regiones de estabilidad, y que las variables de respuesta, tales como el rendimiento, dependen de la región de operación seleccionada. Finalmente, se llegó a la conclusión de que la evaluación de la estabilidad de los procesos de fermentación debe incluirse en las etapas de diseño de bioprocesos para garantizar su buen desempeño.

Colombia has developed an ambitious project to produce fuel ethanol. Nowadays, Colombia is one of the leading countries in Latin America for the biofuels production. However, some of its industrial plants producing ethanol present problems during the startup and the operation of fermenters, which adversely affects the productivity of the global process. Theoretical and experimental studies show that the process’ dynamic behavior depends on the stability phenomenon exhibited by the system. This work shows the influence of the stability regions on the process’ efficiency. For this, economic and environmental index were used. A stability analysis was carried out. The dilution rate was selected as the main operating parameter. An own program developed on Matlab® was used to generate bifurcation diagrams and phase diagrams. The Waste Reduction Algorithm (WAR) developed by the Environmental Protection Agency of the United States, and the SuperPro Designer® software were used for estimating the environmental and economic assessment of the process. As a result, it was shown that continuous fermentation processes can be carried out in different stability regions. Likewise, it was shown that the response variables, such as the yield, depend on the selected operating region. Finally, it was concluded that the evaluation of fermentation processes’ stability must be included in the stages for designing of bioprocess in order to ensure a good performance.

Producción de eaanol a partir de almidón de yuc utilizando la estrategia de prroceso sacarificación- fermentación simultáneas (ssf) / Ethanol prodctioon from cassva starch using the process strategy simultaneoous saccharification-fermentation

La tendencia mundial en el manejo de los combustibles, en especial los biocombustibles como el etanol, ha llevado a explorar nuevas metodologías de proceso para optimizar su producción; por tal razón se aborda en esta investigación el proceso sacarificación fermentación simultáneas, se evalúa la influencia de la concentración de azúcares reductores y la dosificación de la enzima Spirizyme fuel® sobre la productividad y concentración final de etanol, bajo el proceso SSF (sacarificación -fermentación simultáneas), partiendo del licuado de almidón de yuca como sustrato. El proceso SSF se compara con un control con características de sacarificación-fermentación independientes (SHF), proceso convencional. Sólo el factor concentración inicial de sustrato presenta efecto sobre la productividad de etanol. Las cinéticas de proceso, frente a las del control, presentan reducciones de tiempo de 47 y 33% para los niveles de sustrato evaluados. Los niveles de productividad son mayores en un 33% para el nivel de 150 g/l de AR (azúcares reductores) y se mantiene constante para 200 g/l. La glucosa en la estrategia SSF, conforme se produce se transforma en etanol, no permitiendo alcanzar concentraciones superiores a 100 g/l, lo que se traduce en que no se presentan inhibiciones por sustrato. La concentración de etanol no afecta la reacción de la enzima en el proceso de sacarificación. El proceso SSF demuestra su viabilidad técnica en la producción de alcohol, al reducir los tiempos y necesidades de energía en la producción de alcohol carburante a partir de almidón de yuca.

The world trend on fuel management, in special biofuels like ethanol, have gone to explorer new methodologies of process to optimize its production by this reason in this research is about simultaneous sacarification fermentation process and evaluate initial concentration of reducing sugar, and enzyme dosing of Spirizyme fuel® are evaluated on productivity and final concentration of ethanol, under SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation) process, from the product of the licuefaction process of cassava starch as substrate. The SSF process is evaluated against SHF (Independent Saccharification and Fermentation) process as control. Only the factor, initial concentration of substrate presents effect over ethanol productivity. The kinetic of SSF process, in opposite to the SHF process, presents time diminution of the global process around 47 y 33% to substrate levels of 150 and 200 g/l respectively. The productivity values are most at a 33% to 150 g/l of reducing sugar, and they keep constant to 200 g/l reducing sugar. The glucose in SSF strategy, at the time it is producing, it is transformed to ethanol, does not allowing to reach superior concentration to 100 g/l of reducing sugar, this implicates there is not substrate inhibition. The ethanol concentration doesn't affect the enzymatic process of sacharification. The SSF process demonstrates his technical viability on the ethanol production, to reduce time an energy requirements on the ethanol production from cassava flour.