ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caa deAzcarISSN: 0138-6204revista@icidca.edu.cuInstituto Cubano de Investigaciones de losDerivados de la Caa de AzcarCuba

Otero, Miguel A.; Martnez-Valdivieso, Julio A.; Saura, GustavoPropagacin de levadura Candida utilis a partir de vinazas de destilacin de etanol y sus componentes

individualesICIDCA. Sobre los Derivados de la Caa de Azcar, vol. 44, nm. 3, septiembre-diciembre, 2010, pp.

27-31Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caa de Azcar

Ciudad de La Habana, Cuba

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=223120684005

Cmo citar el artculo

Nmero completo

Ms informacin del artculo

Pgina de la revista en redalyc.org

Sistema de Informacin CientficaRed de Revistas Cientficas de Amrica Latina, el Caribe, Espaa y Portugal

Proyecto acadmico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

ICIDCA 44 (3) 2010 27

Miguel A. Otero, Julio A. Martnez-Valdivieso, Gustavo Saura

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caa de AzcarVa Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrn, La Habana, Cuba

miguel.otero@icidca.edu.cu

RESUMEN

Se estudi la propagacin de la levadura Candida utilis en un medio compuesto mayori-tariamente por vinazas de destilacin de etanol. Estas se suplementaron con melazas decaa entre 15 y 30% de la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) del medio formulado. Sealcanzaron tasas mximas de crecimiento (max) de 0,429; 0,391 y 0,338 h-1 para rela-ciones de 70:30, 80:20 y 85:15 (vinazas-melazas), respectivamente y rendimientos entre30 y 40%. La sustitucin de la melaza por un Promotor de Crecimiento Microbiano (PCM)en concentraciones de 0,03 y 0,05 g/L rindi valores de max de 0,274 y 0,278 h-1, res-pectivamente. El crecimiento de la levadura en medios formulados con etanol y glicerolcomo fuente de carbono y energa en un medio de crecimiento mnimo, dieron comoresultado valores de max de 0,338 y 0,330 h-1. El uso del PCM reduce los costos de ope-racin en 20% con una relacin vinaza-melaza 80:20 y 30% si se compara con melazacomo nica fuente de carbono.

Palabras clave: vinazas, levadura, protena, tratamiento de residuales.

ABSTRACT

The propagation of Candida utilis yeast in a medium composed mainly by vinasses fromethanol distillation was studied. The vinasses were supplemented by cane molasses from15 to 30% in terms of Chemical Oxygen Demand (COD). In the propagation broth.Specific growth rates (max) of 0,429; 0,391 and 0,338 h-1 were reached for vinasses-molasses ratio of: 70:30, 80:20 and 85:15 respectively and biomass substrate yield bet-ween 30 and 40%. The substitution of molasses by a microbial growth enhancer (MGE)at concentration of 0,03 and 0,05 g/L yielded max values of 0,274 and 0,278 h-1 respec-tively. Yeast growth in broth formulated with ethanol and glycerol as carbon and energysources gave max values of 0,338 and 0,330 h-1. The use of MGE reduces operation costsin 20% in comparison with vinasses-molasses mixtures and 30% if compared with molas-ses as the sole carbon source.

Key words: vinasses, yeast, protein, wastewater treatment.

INTRODUCCIN

La agroindustria azucarera es una delas fuentes de ms impacto en la contami-nacin del manto fretico en nuestro pas.Al mismo tiempo ha sido una de las indus-trias que mayor cantidad de empleo generaanualmente al tiempo que hace un uso efi-ciente de la energa solar. Hasta ahora, sinembargo, no se han implementado polti-cas en los pases productores para incre-mentar la rentabilidad y competitividad desus productos y subproductos a nivel inter-nacional.

En la produccin de azcar y etanol,bsicamente los nicos productos de laindustria azucarera, se requieren enormescantidades de agua y energa. En la produc-cin de azcar el agua empleada en el lava-do de la caa, la clarificacin del jugo, lim-pieza de los evaporadores, calentadores,purga de las calderas y servicios sanitarios,normalmente no se reutiliza. Los sistemasde enfriamiento (enfriaderos) tienen mer-mas por evaporacin cercanas al 20%, lasque hay que incorporar constantemente. Enla produccin de etanol, las aguas residua-les son un subproducto de las aguas deenfriamiento de los condensadores y fer-mentacin o residuos de las torres de desti-lacin.

De las aguas residuales producidas porlos complejos productores de azcar yetanol, las ms contaminantes debido a suelevado contenido de sustancias orgni-cas biodegradables y no biodegradables,son las vinazas. Estas se producen a unatasa de 12 a 16 m3hL-1 de etanol. LaDemanda Qumica de Oxgeno (DQO)vara segn la eficiencia en la fermenta-cin y la destilacin, pero en general osci-la entre 50 y 65 kgm-3 (1).

Para paliar esta situacin se han imple-mentado estrategias, en la mayora de loscasos, con sistemas biotecnolgicos, a fin decumplimentar las regulaciones ecolgicasactuales para efluentes lquidos. Se debentener en cuenta tambin las regulacionesintroducidas para los gases de efecto inver-nadero por iniciativas medioambientales aescala internacional que proponen reduc-ciones de emisiones entre 5 y 10%.

La revalorizacin de las vinazas a travsde la produccin de protena microbiana, es

una alternativa interesante debido a la eco-noma que introduce en la utilizacin derecursos y energa (2, 3) y por razones dendole ecolgica vinculadas con el manejosostenible de ecosistemas.

Los objetivos de la presente investiga-cin son: Desarrollar el conocimiento bsico nece-

sario para optimizar la produccin delevadura a partir de vinazas de destileraen las plantas que actualmente utilizanesta tecnologa en Cuba.

Adecuar esta produccin a los progra-mas de desarrollo de la masa ganaderaporcina previstos a partir de la biomasade levadura como fuente de protenanacional.

MATERIALES Y MTODOS

Microorganismo En todos los estudios tanto a escala de

laboratorio como industrial, se emple lacepa Candida utilis NRRL Y-660 original-mente proporcionada por el InstitutoPasteur de Pars y que ha sido la utilizadapreferentemente por la industria. Las vina-zas se mezclaron con miel final de caa endiferentes proporciones (85:15, 80:20 y70:30 expresado como aporte de DQO) y seutilizaron como fuente principal de carbonoy energa. Los experimentos se corrierontanto en batch (para la determinacin deparmetros cinticos) como en continuo a0,33 h-1; pH 4,5 y temperatura 35C. Otrogrupo de experimentos, estudi el efecto desustitucin total de melaza por un promotorde crecimiento microbiano (PCM) QZ-350(Quimizuk, La Habana) a diferentes concen-traciones (0,01 a 0,03 kgm-3).

AnlisisLa DQO se estim por reflujo de una

mezcla de oxidacin de la muestra en pre-sencia de dicromato de potasio (4). Lascenizas se determinaron por incineracina 450 C y se expresaron como carbonatos.El nitrgeno orgnico se determin segnKjeldahl (5) en un 1030 Kjeltec AutoSystem (Tecator AB, Hgans, Sweden).El fsforo se cuantific por el mtodovanadato-molibdato de amonio y se ley415 nm.

ICIDCA 44 (3) 201028

RESULTADOS Y DISCUSIN

Caracterizacin de las vinazas de las desti-leras

Las vinazas de la destilera en Cubaposeen un rango de composicin como semuestra en la tabla 1.

La figura 1 muestra por su parte el volu-men y la carga orgnica que aportan estosefluentes de la destilera anexa a la empre-sa azucarera A. Guiteras, las que se emple-an actualmente en la produccin de leva-dura.

A pesar de las variaciones propias de laindustria alcoholera, la carga orgnica delas vinazas (DQO) se mueve en un rangoparticularmente estrecho. Los valores deeste indicador se encuentran entre 60 y 70kgm-3. Esta estabilidad relativa evita varia-ciones bruscas en la composicin delmedio de propagacin y por tanto del pro-ducto final.

Estudio cintico del crecimiento de levadu-ras en mezclas vinazas-melazas. Experi-mentos en modo discontinuo

Las vinazas de destilera pueden serrecicladas como medio de propagacin en laproduccin de levadura forrajera con dife-rentes proporciones de melaza como suple-mento de probiticos. Las mezclas de vina-zas conducen a valores de max para

Candida utilis desde (0,338h-1 para 85:15hasta 0,429 h-1 para 70:30). Tanto la maxcomo el rendimiento se incrementan en lamedida que aumenta la proporcin de mela-zas en la mezcla. Desde el punto de vistaecolgico, sin embargo, proporciones meno-res de melazas contribuyen a una mayordegradacin de la materia orgnica.

Las figuras 2 y 3 muestran el comporta-miento cintico de la levadura C. utilis enlas mezclas vinazas-miel.

En tanto el medio contiene melazas decaa, y por tanto azcares, se puede esperarun comportamiento diaxico por los dife-rentes sustratos presentes (azcares, etanoly glicerol). Sin embargo, tanto la curva decrecimiento como la de multiplicacin pre-

ICIDCA 44 (3) 2010 29

Tabla 1. Rango de composicin de vinazas cubanas (centrifugadas )

Indicador Brix, bx 6,5-10,0

pH 4,0-4,7

Slidos totales, % 5-8,5

Cenizas, % 1,5-3,2

DBO5, 20C 18 000-25 000

Acidez voltil 0,185-0,365

cido lctico, % 0,312-0,401

Nitrgeno orgnico, % 0,11-0,25

SRT, % 0,9-1,8

Fsforo (P2O5), % 0,07-0,091

Mg, % 0,11-0,15

Figura 1. Volumen y carga orgnica de las vina-zas alimentadas a la fbrica de levadura de laempresa azucarera Antonio Guiteras de LasTunas, Cuba.

Figura 2. Curvas de crecimiento y multiplica-cin de Candida utilis NRRL Y-660 propagadaen discontinuo sobre una mezcla de vinazas-miel 85:15.

sentan patrones tpicos de crecimientomonosustrato. Esto aparentemente, estcondicionado por la similitud de las tasasde crecimiento de la levadura en estas tresfuentes de carbono.

Estudio de la cintica de consumo de losdiferentes componentes asimilables de lasvinazas en modo discontinuo

Las vinazas contienen restos de azca-res, etanol y glicerol en cantidades apre-ciables, los que pueden ser biodegradadosaerbicamente. Sin embargo, aunque stasno pueden sostener completamente el cre-cimiento microbiano bajo condicioneseconmicamente viables, s pueden serconvenientemente suplementados con

melazas de caa para obtener un creci-miento estable. La tabla 2 muestra unacomparacin entre diferentes fuentes decarbono presentes en las vinazas, e.g. eta-nol y glicerol, y los medios suplementadoscon melazas.

Estudio de las variables cinticas de lalevadura crecida en medios vinazas-nutriente QZ-350

El aporte de sustancias prebiticas de lamelaza puede ser sustituido por la adicinde promotores de crecimiento microbiano(PCM). La utilizacin del PCM QZ-350(Quimizuk, Habana) obtenido en el merca-do local como sustituto de la melaza, se

estudi a nivel de laboratorio yposteriormente a escala indus-trial. En las dos escalas, sealcanz una estabilidad exce-lente en el cultivo continuo. Apartir de estos resultados, lastres plantas que actualmenteproducen en el pas, lo hacencon el diseo de medio de pro-pagacin vinazas-PCM. Lafigura 4 muestra las curvas decrecimiento de la levadura C.utilis en un medio vinaza-nutriente. En las mismas seevidencia que no existen dife-rencias significativas entreconcentraciones de 0,03 y 0,05kgm-3 de nutriente, por lo quese propuso la concentracininferior.

ICIDCA 44 (3) 201030

Figura 3. Curvas de crecimiento y multiplica-cin de Candida utilis NRRL Y-660 propagadaen discontinuo sobre una mezcla de vinazas-miel 80:20.

Tabla 2. Comportamiento cintico de Candida utilis NRRL Y-660 propagada sobre etanol y glicerol en un medio de crecimiento mnimo y diferentes mezclas de vinazas-melazas

Fuente de C max, h-1 Y x/s

Reduccin de DQO %

Etanol 0,338 0,641 ------ Glicerol 0,330 0,627 ------ Vinazas-melazas (expresados como aporte de DQO)

70:30 0,429 0,382 38,90 80:20 0,391 0,323 39,37 85:15 0,338 0,325 41,90 PCM 0,03 g/L 0,274 0,307 65,32 PCM 0,05 g/L 0,278 0,315 64,28

Figura 4. Curvas de crecimiento de levaduraCandida utilis en medio vinazas-nutriente QZ-350.

Anlisis econmico de las diferentesvariantes de produccin de levadura a par-tir de vinazas

La introduccin de las vinazas comocomponente del medio de propagacin delevadura forrajera, reduce el costo de pro-duccin de la levadura de forma significa-tiva al ahorrar el 50% de la melaza.

La introduccin del nutriente (3 kgt-1),inserta mejoras econmicas adicionalesmanteniendo el estado fisiolgico del culti-vo estable y aunque no existen datos certi-ficados de este comportamiento, permitebalancear mejor las fluctuaciones del siste-ma (temperatura, DQO en las vinazas,etc.).

La tabla 3 muestra el clculo del costo deproduccin para diferentes variables.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

1. Martnez, J.A.; Otero, M.A.; Saura, G.;Valds, I.F. Utilization of yeast nutrient

QZ-350 as substitute of cane molasses infodder yeast production Wrap upMeeting of Project PGTF INT04/K04.Mexico DF, March 8-10, 2005.

2. Saura, G.; Otero, M.A.; Martnez, J.A.;Fundora, N.; Reyes, E.; Vasallo, M.C.;Almazn, O.A. Propagation of yeast bio-mass from distillery wastes. Process andproduct evaluation Int. Sug. J. (U.K.) 105(1249): p. 36-39.

3. Martnez, J.A.; Almazn, O.; Saura, G.;Otero, M.A. Production of fodder yeastfrom stillage in Cuba: an environmentalapproach. Zuckerindustrie (Germany)129 (2): p. 92-95, 2004.

4. Conde, J.; Bartok, J.; Reyes, A. Mtodorpido para la determinacin de laDemanda Qumica de Oxgeno. ICIDCAsobre los derivados de la caa de azcar(La Habana) 12 (3): p. 21-26, 1978.

5. Anon. Tecator AB, Application Note53/81. 1981.

ICIDCA 44 (3) 2010 31

Tabla 3. Costo de operacin de la levadura de vinazas bajo diferentes composiciones del medio de propagacin

Melaza

Vinaza-melaza 80:20 QZ-350-Vinazas

Melaza (52% ART), t/t 4,3 1,3 0

H2 SO4

(98%), kg/t 0,8 160 100

Urea, kg/t 50 0 0

NH4 SO4, kg/t 250 300 300

(NH4)2HPO4, kg/t 90 90 90

Antiespumante, kg/t 10 8 8

Petrleo, t/t 0,6 0,6 0,6

Electricidad, k W-h/t 1450 1450 1450

Agua de proceso, m 3/t 100 80 60

QZ-350, kg/t 0 0 3

Costo de produccin 348 299 248