ES2329750B1 - 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 PDF

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Abstract

Procedimiento para obtener un producto fertilizante a partir de los residuos de la fabricación de la cerveza.
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.
Campo de la invención
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.
Antecedentes de la invención
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.
Objeto de la invención
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.
Breve descripción de las figuras
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.
Descripción detallada de la invención
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.
Descripción detallada de las figuras
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
Preparación de un producto fertilizante a partir de un residuo de la fabricación de la cerveza mediante el procedimiento de la invención
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:
TABLA 1 Contenido de aminoácidos
1
2 
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TABLA 2 Contenido vitamínico
3 
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TABLA 3 Contenido de minerales y oligoelementos
4
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 la levadura producida de forma secundaria durante el proceso de elaboración de la cerveza caracterizado porque comprende las etapas de:
(a) someter la levadura 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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