ES2329750A1 - Procedimiento para obtener un producto fertilizante a partir de los residuos de la fabricacion de la cerveza. - Google Patents
Procedimiento para obtener un producto fertilizante a partir de los residuos de la fabricacion de la cerveza. Download PDFInfo
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Abstract
La invención define un procedimiento para obtener un producto fertilizante a partir de los residuos de la fabricación de la cerveza, caracterizado porque comprende las etapas de: (a) someter los residuos a tratamiento alcalino a un pH de 10,5-13 seguido de filtración para obtener una solución proteica; (b) someter la solución proteica obtenida en la etapa (a) a tratamiento ácido a un pH de 2,5-4,5 seguido de filtración para obtener un concentrado proteico; y (c) someter a hidrólisis el concentrado proteico obtenido en la etapa (b) para obtener un producto fertilizante. Dicho procedimiento permite obtener una serie de productos fertilizantes que pueden emplearse en tratamientos agrícolas, así como aprovechar estos residuos industriales que, de otro modo, podrían causar problemas medioambientales dada su alta carga biológica.
Description
Procedimiento para obtener un producto
fertilizante a partir de los residuos de la fabricación de la
cerveza.
La invención se refiere al campo de los
productos de aplicación agrícola. En particular, la invención se
refiere a un producto fertilizante obtenido a partir de los
residuos de fabricación de la cerveza.
Como es bien conocido en el estado de la
técnica, un fertilizante es una sustancia orgánica o inorgánica,
natural o sintética, que se emplea para enriquecer el suelo y
aportar a las plantas uno o varios de los elementos nutritivos
indispensables para su desarrollo vegetativo normal.
Además de ser una fuente completa de nutrientes
para las plantas, los fertilizantes orgánicos aportan materia
orgánica al suelo que, para suelos arenosos o con arcillas de baja
actividad, por ejemplo, representa una mejora en las propiedades
físicas, químicas y biológicas, por su efecto acondicionador.
Dichos fertilizantes pueden contener micronutrientes y otros
microorganismos beneficiosos tales como bacterias y hongos.
Así por ejemplo, Kobayashi y col. han estudiado
el efecto de un extracto de levadura Saccharomyces
cerevisiae combinado con un fertilizante inorgánico sobre el
crecimiento de plantas de guisante ("Effect of yeast extracts on
higher plants", Plant and Soil (1980), 57(1),
41-7; "Effect of addition of the materials
autolyzed from yeast cells on plant growth", Kankyo Kagaku
Sogo Kenkyusho Nenpo (1980), 7, 87-90).
Igualmente, Kudryasheva y col. ("Amino acids
and their utilization", Pishchevaya Promyshlennost (Moscow,
Russian Federation) (1992), (4), 13-14) han
efectuado un estudio sobre el uso de aminoácidos procedentes de
diferentes cepas de levadura, particularmente de la levadura del
pan Saccharomyces cerevisiae, en fertilizantes, aditivos
alimentarios, etc.
Por otra parte, el documento HU 9902060 describe
una composición acuosa fertilizante para las hojas y las raíces de
las plantas que contiene la levadura Saccharomyces
cerevisiae, además de elementos traza, agentes acomplejantes,
agentes tamponantes y otra serie de nutrientes tales como
aminoácidos, ácidos húmicos, enzimas, azúcares, etc.
Más recientemente, en el documento CN 1966663 se
describe un agente microbiano que se compone de Saccharomyces
cerevisiae, Lactobacillus plantarum, Mucor racemosus y
Aspergillus oryzae, y que se usa como fertilizante foliar
para promover el crecimiento de las plantas de raíz y hojas,
mejorar los suelos cultivados y aumentar el rendimiento de los
cultivos.
Asimismo, el documento CN 19191800 describe un
nutriente para animales y plantas que se prepara diluyendo lodos de
levadura Saccharomyces cerevisiae en agua hasta obtener una
emulsión; mezclando esta con papaína, proteinasa neutra y cloruro
sódico; hidrolizando la mezcla después; inactivando las enzimas; y
finalmente, concentrando o secando el producto obtenido. El
producto final presenta una gran cantidad de nutrientes y una
elevada velocidad de absorción.
El documento CN 1911870, por su parte, describe
un nutriente para plantas que comprende la levadura
Saccharomyces cerevisiae, y las bacterias Lactobacillus
plantarum y Lactobacillus acidophilus, además de
componentes tales como derivados de la patata o del café, azúcar,
glucosa, peptona, sulfato de magnesio, sulfato de manganeso,
fosfato de hidrógeno dipotásico y cloruro sódico. Dicho nutriente
mejora los microorganismos del suelo, promueve el crecimiento de
las plantas, aumenta la tasa de utilización de los fertilizantes y
aumenta la resistencia de las plantas a las enfermedades y al
estrés.
Recientemente, se están empleando residuos
orgánicos de otras procedencias que también son fuente de
nutrientes para las plantas tales como los residuos vegetales
provenientes de parques, jardines, etc., residuos animales,
residuos agroindustriales y residuos sólidos domiciliarios.
Así, en el documento US 2003022357 se describe
un fertilizante biológico a base de células de levadura del género
Saccharomyces y lodos procedentes de plantas de
almacenamiento o tratamiento de aguas residuales, en cuya
fabricación las células de levadura se activan mediante la
aplicación de un campo electromagnético.
Asimismo, el documento US 2002187900 se refiere
a un fertilizante biológico que comprende células de levadura
(género Saccharomyces) activadas electromagnéticamente
combinadas con purines de ganado vacuno. Análogamente, el documento
US 2002187552 se refiere a un fertilizante biológico que comprende
células de levadura (género Saccharomyces) activadas
electromagnéticamente combinadas con purines de ave.
Los presentes inventores han descubierto ahora
que los residuos procedentes de la fabricación de la cerveza
debidamente tratados dan lugar a una serie de productos
fertilizantes alternativos consiguiendo, además, el aprovechamiento
de residuos industriales que, de otro modo, podrían causar
problemas medioambientales, dada su alta carga biológica.
Dichos residuos industriales procedentes de la
fabricación de la cerveza se han utilizado hasta ahora básicamente
como complemento nutritivo en alimentación animal.
Por tanto, en el procedimiento de la invención
los residuos procedentes de la fabricación de la cerveza son
sometidos a un proceso en varias etapas de tratamiento alcalino,
tratamiento ácido y posterior hidrólisis para obtener un producto
fertilizante alternativo. Asimismo, permite obtener subproductos
valiosos que pueden emplearse también en tratamientos
agrícolas.
La presente invención, por tanto, tiene por
objeto proporcionar un procedimiento para obtener un producto
fertilizante a partir de los residuos de la fabricación de la
cerveza.
Asimismo, otro objeto de la invención es
proporcionar el producto fertilizante obtenido mediante dicho
procedimiento.
La figura 1 muestra el diagrama en bloques del
procedimiento de la invención, en el que los residuos de la
fabricación de la cerveza (A) se someten a tratamiento alcalino en
el reactor de extracción (2), a tratamiento ácido en el reactor de
acidificación (4) y a hidrólisis en el reactor enzimático (7) y/o en
el reactor de hidrólisis ácida (8) para obtener una serie de
productos y subproductos sólidos o líquidos de aplicación
agrícola.
La presente invención proporciona un
procedimiento para obtener un producto fertilizante a partir de los
residuos de la fabricación de la cerveza, en adelante
"procedimiento de la invención", que comprende las etapas
de:
(a) someter los residuos a tratamiento alcalino
a un pH de 10,5-13 seguido de filtración para
obtener una solución proteica;
(b) someter la solución proteica obtenida en la
etapa (a) a tratamiento ácido a un pH de 2,5-4,5
seguido de filtración para obtener un concentrado proteico; y
(c) someter a hidrólisis el concentrado proteico
obtenido en la etapa (b) para obtener un producto fertilizante.
En el contexto de la invención el término
"residuos de la fabricación de la cerveza" se refiere a la
levadura producida de forma secundaria durante el proceso de
elaboración de la cerveza, como consecuencia de la fermentación
alcohólica o degradación anaeróbica de los carbohidratos de la
cebada por el hongo blastomiceto Saccharomyces cerevisiae,
que este realiza para obtener la energía necesaria para sobrevivir
produciendo, durante dicho proceso, etanol y dióxido de carbono.
Dichos residuos presentan una composición semejante a la de la
levadura de partida (levadura producida en forma primaria): un
elevado contenido en proteínas que contienen todos los aminoácidos
esenciales, un alto contenido en vitaminas hidrosolubles del
complejo B, fosfatos, potasio, azufre, magnesio y calcio, un bajo
contenido en sodio, una cantidad considerable de ácidos grasos
insaturados, lecitinas y cefalinas, y un elevado contenido en
carbohidratos, particularmente glucógeno, trealosa, glucanos y
mananos. Asimismo, contienen otras sustancias generadas en la
fermentación tales como alcohol etílico, dióxido de carbono y
trazas de sustancias químicas tales como ésteres, aldehídos,
cetonas y alcoholes superiores.
En una primera etapa, el residuo de la
fabricación de la cerveza, al que se le añade agua en función de su
contenido en agua, es tratado con un compuesto básico a un pH de
10,5-13 y, de este modo, se extrae la fracción
proteica de la levadura. Dicha extracción se efectúa en el rango de
pH mencionado dependiendo de las características del residuo
empleado, con calentamiento a una temperatura de
40-50ºC y agitación durante un tiempo adecuado del
orden de una hora, opcionalmente en presencia de un antioxidante
tal como metabisulfito potásico, por ejemplo, a fin de evitar
oxidaciones y pardeamientos del producto.
En una realización particular del procedimiento
de la invención, el tratamiento alcalino de la etapa (a) se efectúa
añadiendo un compuesto básico seleccionado de entre hidróxido
potásico, hidróxido amónico, hidróxido sódico, carbonato sódico y
carbonato cálcico. En una realización preferida del procedimiento
de la invención, el tratamiento alcalino de la etapa (a) se efectúa
añadiendo hidróxido potásico. Dicho compuesto básico se empleará en
una concentración del orden de 0,5-5 M
(0,5-2 M para el caso de hidróxido potásico ó
1-5 M para el caso de hidróxido amónico, por
ejemplo) y se adicionará a partir de un tanque de almacenamiento
adecuado. Este tratamiento alcalino se efectuará en un reactor del
estado de la técnica apropiado tal como, por ejemplo, un reactor de
acero inoxidable o de otro material resistente a la corrosión,
provisto de un agitador rotatorio, un sistema de recirculación, un
sistema de calentamiento y un medidor de pH.
La suspensión resultante de dicho tratamiento
alcalino se bombea después a un separador para obtener dos
fracciones: una sólida, que puede ser utilizada para sustrato de
cultivo de invernadero, y una fracción líquida o solución proteica
donde van disueltas las proteínas. Dicho separador puede ser un
decanter (centrífuga horizontal), una centrífuga vertical o un
filtro, o bien una combinación de los mismos, preferentemente un
decanter aunque se deban efectuar dos centrifugados.
A continuación, en una segunda etapa, la
solución proteica es acidificada con lo que se forma un
precipitado. En una realización particular del procedimiento de la
invención, el tratamiento ácido de la etapa (b) se efectúa
añadiendo un compuesto ácido seleccionado de entre ácido fosfórico
y ácido sulfúrico. En una realización preferida, el tratamiento
ácido de la etapa (b) se efectúa añadiendo ácido fosfórico. Dicho
compuesto ácido se empleará en una concentración del orden de
0,5-1 M para el caso de ácido fosfórico ó
0,5-1,5 M para el caso de ácido sulfúrico, por
ejemplo, y se adicionará a partir de un tanque de almacenamiento
adecuado. El tratamiento ácido se efectuará en un reactor del
estado de la técnica apropiado tal como, por ejemplo, un reactor de
acero inoxidable o de otro material resistente a la corrosión,
provisto de un agitador rotatorio, un sistema de recirculación, un
sistema de calentamiento, un sistema de aislamiento térmico, un
dosificador de ácido y un medidor de pH.
Tras el tratamiento ácido, se separan la
fracción sólida o concentrado proteico y la fracción líquida o
solución P-K. Para ello puede emplearse uno de los
dispositivos separadores mencionados anteriormente (decanter,
centrífuga vertical o filtro), si bien se prefiere una centrífuga
vertical o bien un decanter con adición de un polielectrolito.
Datos sobre fracciones obtenidas de la misma forma para otros
subproductos de origen vegetal figuran descritos en trabajos
anteriores de algún autor de esta solicitud de patente (Ordoñez,
C.; Tejada, M.; Benítez, C. y González, J.L. (2001), "Obtaining a
protein concentrate from integral deffated sunflower flour",
Bioresource Technology, 78,187-190; Ordoñez,
C.; Tejada, M.; Benítez, C. y González, J.L (2006),
"Characterization of a phosphorus-potassium
solution obtained during a protein concentrate process from
sunflower flour. Application on rye-grass",
Bioresource Technology, 97, 522-528; Ordoñez,
C.; Benítez, C. y González, J.L. (2008), "Aminoacid production
from a sunflower wholemeal protein", Bioresource
Technology, 99: 4749-4754; y Orellana, M.B.;
Aragonés, J.; Tejada, M.; Benítez, C. y González, J.L. (2006),
"The use of soya flour to obtain fertilizers", 6º Congreso
Internacional de Química de la ANQUE. Puerto de la Cruz (Tenerife,
España), Actas del Congreso pp. 355-356).
La solución P-K puede ser
utilizada como solución nutritiva en aplicaciones agrícolas o bien
como base de partida para la fabricación de otras soluciones
fertilizantes, que se podrían fabricar con la composición demandada
por el agricultor (abonos a la carta) (ORDOÑEZ et al. 2006,
supra).
Al concentrado proteico se le añade agua hasta
alcanzar una concentración de proteínas del orden del
5-10% en peso y después se añade un compuesto
básico tal como, hidróxido potásico 0,1 N, por ejemplo, para
proceder a la neutralización de dicha suspensión. El concentrado
proteico así tratado se somete entonces a hidrólisis para la
obtención de aminoácidos.
En una realización particular del procedimiento
de la invención, la hidrólisis de la etapa (c) es una hidrólisis
enzimática. En una realización preferida, la hidrólisis enzimática
se efectúa añadiendo una enzima seleccionada entre alcalasa y
flavourzima. En una realización aún más preferida, la hidrólisis
enzimática es secuencial y se efectúa añadiendo en primer lugar la
enzima alcalasa y en segundo lugar la enzima flavourzima. Dicho
proceso se efectuará según el procedimiento que se describe en
algún trabajo anterior de los autores para otros subproductos
vegetales (Ordoñez et al. (2008), supra; y Orellana
et al. (2006), supra), obteniéndose un grado de
hidrólisis próximo al 40%. Este rendimiento es inferior al de la
hidrólisis ácida, pero permite obtener una solución con aminoácidos
que se aplica en agricultura ecológica o que admite enmiendas para
completar el contenido en otros elementos.
En otra realización particular del procedimiento
de la invención, la hidrólisis de la etapa (c) es una hidrólisis
ácida. En una realización preferida, la hidrólisis ácida se efectúa
añadiendo un compuesto ácido seleccionado de entre ácido sulfúrico
y ácido clorhídrico, preferiblemente ácido sulfúrico. Dicho
compuesto ácido se empleará en una concentración de 3 M. La
hidrólisis ácida produce la separación completa de los aminoácidos
constituyentes de la proteína. Esta solución de aminoácidos es
aplicable para uso agrícola no ecológico, que se puede mejorar por
adición de otros abonos.
Dichos procesos de hidrólisis se pueden efectuar
por separado o en paralelo. En este caso, una parte de la
suspensión de concentrado proteico pasa al reactor de hidrólisis
enzimática (7) y la otra parte al reactor de hidrólisis ácida
(8).
Tanto la hidrólisis enzimática como la
hidrólisis ácida se efectuarán en un reactor del estado de la
técnica apropiado tal como, por ejemplo, un reactor de acero
inoxidable o de otro material resistente a la corrosión, provisto
de un agitador rotatorio, un controlador de temperatura, un
dosificador de reactivo y un medidor de pH.
Tras la hidrólisis, se procede a la separación
de la fracción sólida de la fracción líquida o solución de
aminoácidos. Tal y como se ha indicado, en el caso de la hidrólisis
enzimática, la solución de aminoácidos obtenida puede utilizarse en
agricultura ecológica. En el caso de la hidrólisis ácida la
solución de aminoácidos obtenida no puede utilizarse en agricultura
ecológica pero sí en agricultura convencional. Las fases sólidas
correspondientes, en particular la procedente de la hidrólisis
enzimática cuyo rendimiento es menor, se pueden reciclar al reactor
de hidrólisis ácida (8) a fin de aprovechar el resto de proteína
sin hidrolizar y mejorar así el rendimiento del proceso.
En otro aspecto de la invención se proporciona
el producto fertilizante que puede obtenerse mediante el
procedimiento previamente descrito. Tal y como se ha indicado, se
obtiene una solución de aminoácidos para usar en agricultura
ecológica y/o una solución de aminoácidos para usar en agricultura
convencional. Asimismo se obtienen subproductos valiosos de
aplicación agrícola como son un sustrato de cultivo de invernadero
y una solución P-K.
La figura 1 se corresponde con el diagrama en
bloques del procedimiento de la invención.
El residuo de fabricación de la cerveza (A) y el
agua (B) se introducen en el reactor de extracción (2). Después se
añade a dicho reactor el compuesto básico (C) desde el tanque de
almacenamiento (1) para proceder al tratamiento alcalino.
Finalizado este, la suspensión resultante se bombea a un separador
(3a) donde se separa una fracción sólida (D), que puede ser
utilizada para sustrato de cultivo de invernadero, y una fracción
líquida o solución proteica (E), donde van disueltas las
proteínas.
Dicha solución proteica (E) se introduce en el
reactor de acidificación (4) y se añade el compuesto ácido (F)
desde el tanque de almacenamiento (5) para proceder al tratamiento
ácido. Finalizado este, la suspensión resultante se bombea a un
separador (3b) donde se separan la fracción sólida o concentrado
proteico (G) y la fracción líquida o solución P-K
(H) que puede ser utilizada como solución nutritiva en aplicaciones
agrícolas o bien como base de partida para la fabricación de otras
soluciones fertilizantes.
El concentrado proteico (G) se introduce a
continuación en el reactor (6) donde se añaden agua (I) y, después,
hidróxido potásico (J) para proceder a la neutralización de la
suspensión formada. A continuación, esta suspensión de concentrado
proteico se pasa al reactor de hidrólisis enzimática (7) al que se
añade la enzima o combinación de enzimas (L), y/o al reactor de
hidrólisis ácida (8) al que se añade el compuesto ácido (K) desde
el tanque de almacenamiento (9).
Finalizada la hidrólisis enzimática en el
reactor (7), la suspensión resultante se bombea a un separador (3c)
donde se separan la fracción sólida (M) y la fracción líquida o
solución de aminoácidos (N) que se emplea en agricultura ecológica.
Igualmente, finalizada la hidrólisis ácida en el reactor (8), la
suspensión resultante se bombea a un separador (3d) donde se
separan la fracción sólida (O) y la fracción líquida o solución de
aminoácidos (P), que se emplea en agricultura convencional.
El ejemplo siguiente ilustra la invención y no
debe ser considerado como limitativo del alcance de la misma.
Ejemplo
1
Se utilizó como materia prima un residuo de la
fabricación de la cerveza que contenía un 15% en peso de proteína y
la siguiente composición de aminoácidos, vitaminas, minerales y
oligoelementos:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Se trataron 1000 g de este residuo en un reactor
de extracción de acero inoxidable con KOH 1 M y metabisulfito
sódico al 0,25% (p/v) hasta un pH de 12, con agitación (velocidad
de 40-60 Hz) y calentamiento a una temperatura de
40ºC durante 1 hora.
Tras el tratamiento alcalino se procedió a la
separación de las fracciones en un decanter efectuando dos
centrifugados.
La solución proteica así obtenida se trató con
H_{3}PO_{4} 0,5 M en un reactor de acidificación de acero
inoxidable a un pH de 4, con agitación (velocidad de 15 Hz) y
calentamiento a una temperatura de 50ºC durante 1-3
horas.
Tras el tratamiento ácido se procedió a la
separación de las fracciones en una centrífuga vertical.
La fracción sólida se lavó con agua, en primer
lugar y posteriormente se le adicionó agua hasta conseguir una
concentración de concentrado proteico de 10% en peso y con KOH 0,1
M hasta un pH=7.
Una parte del concentrado proteico así tratado
[1 litro] se sometió a hidrólisis enzimática con 0,02 g de alcalasa
y 0,025 g de flavourzima por gramo de concentrado protéico en un
reactor enzimático de acero inoxidable, con agitación, a una
temperatura de 50-55ºC, durante un tiempo entre
4-6 horas y a un pH=7. Se obtuvo así 1 litro de un
producto fertilizante consistente en una solución de aminoácidos
con un 6,5% en peso de aminoácidos libres.
Una parte del concentrado proteico así tratado
[0,5 kg] se sometió a hidrólisis ácida con H_{2}SO_{4} 3 M en
un reactor para hidrólisis ácida de acero inoxidable con agitación,
a una temperatura de 40ºC durante un tiempo de entre
1-2 horas y a un pH<2. Se obtuvo así 1 litro de
un producto fertilizante consistente en una solución de aminoácidos
con un 8% en peso de aminoácidos libres.
Claims (10)
1. Procedimiento para obtener un producto
fertilizante a partir de los residuos de la fabricación de la
cerveza caracterizado porque comprende las etapas de:
(a) someter los residuos a tratamiento alcalino
a un pH de 10,5-13 seguido de filtración para
obtener una solución proteica;
(b) someter la solución proteica obtenida en la
etapa (a) a tratamiento ácido a un pH de 2,5-4,5
seguido de filtración para obtener un concentrado proteico; y
(c) someter a hidrólisis el concentrado proteico
obtenido en la etapa (b) para obtener un producto fertilizante.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el tratamiento alcalino de la etapa (a)
se efectúa añadiendo un compuesto básico seleccionado de entre
hidróxido potásico, hidróxido amónico, hidróxido sódico, carbonato
sódico y carbonato cálcico.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque el tratamiento alcalino de la etapa (a)
se efectúa añadiendo hidróxido potásico.
4. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el tratamiento ácido de la etapa (b) se
efectúa añadiendo un compuesto ácido seleccionado de entre ácido
fosfórico y ácido sulfúrico.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque el tratamiento ácido de la etapa (b) se
efectúa añadiendo ácido fosfórico.
6. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la hidrólisis de la etapa (c) es una
hidrólisis enzimática.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque la hidrólisis enzimática se efectúa
añadiendo una enzima seleccionada entre alcalasa y flavourzima.
8. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la hidrólisis de la etapa (c) es una
hidrólisis ácida.
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque la hidrólisis ácida se efectúa
añadiendo un compuesto ácido seleccionado de entre ácido sulfúrico
y ácido clorhídrico.
10. Producto fertilizante obtenible por el
procedimiento de las reivindicaciones 1-9.
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