usos del lactosuero

Biotratamientos Biotratamientos no destructivos no destructivos para la revalorización de suero para la revalorización de suero

lácteo lácteo

TTBBRR

BIOTEC´2004

Laca, A., Moure, F. , García, L.A. y Díaz, M.

Tecnología de Bioprocesos y Reactores

(www.uniovi.es/TBR)Dpto. de Ing. Química y Tecnol. Medio Ambiente

UNIVERSIDAD DE OVIEDO

El suero lácteo El suero lácteo

TTBBRR

El suero lácteo es el subproducto que proviene de la separación de la cuajada de la leche durante la fabricación de quesoPrecipitación enzimática

Suero ácido Suero dulce Pre

cipita

ción á

cida


TTBBRR

Composición SUERO DULCE SUERO ÁCIDOAgua 93-94 94-95 Proteínas 0.8-1.0 0.8-1.0 Lactosa 4.5-5.0 3.8-4.2 Minerales 0.5-0.7 0.7-0.8 Ácido láctico y otros 0.1-0.5 0.1-0.8 pH 6.0-7.0 4.0-5.0

SUERO DULCEβ-Lactoglobulina 3.0 g/L α-Lactoalbúmina 0.7 g/L Inmunoglobulinas 0.6 g/L Seroalbúmina bovina 0.3 g/L

(% en peso)


TTBBRR

1 kgde queso

Ener

o Fe

brer

o M

arzo

A

bril

May

o Ju

nio

Julio

A

gost

oSe

ptie

mbr

eO

ctub

reN

ovie

mbr

e D

icie

mbr

e

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

Suer

o lá

cteo

(103 t/

mes

)

1999

1998

≈ 9 Kg de Suero↑ DBO5 (30000-60000 mg/L)

≈≈ 450 000 t/a450 000 t/aññoo

Producción de suero lácteo en AsturiasProducción de suero lácteo en Asturias

BiotratamientosBiotratamientos del suero lácteo del suero lácteo

TTBBRR

RecuperaciónTratamiento

de aguasSuero

(Suero en polvo, concentrados de proteínas, lactosa...)

BIOTRATAMIENTOSBIOTRATAMIENTOS

(Obtención de productos valiosos por fermentación).

Industria Láctea

BiotratamientosBiotratamientos de suero lácteode suero lácteo

TTBBRR

El suero lácteo es un buen sustrato que posee un El suero lácteo es un buen sustrato que posee un pH pH adecuado y adecuado y los nutrientes necesarios para el desarrollo microbiano los nutrientes necesarios para el desarrollo microbiano

Hidrólisis lactosaHidrólisis lactosa

SueroSuero

FERMENTACIÓNFERMENTACIÓN

ProductosProductos

UFUF ProteínasProteínas

PermeadoPermeado

Fuentes de carbono: lactosa y/o proteFuentes de carbono: lactosa y/o proteíínasnasLa lactosa es un azLa lactosa es un azúúcar complejo que no todos los car complejo que no todos los microorganismos son capaces de utilizar microorganismos son capaces de utilizar


TTBBRR

Tratamientos no destructivosTratamientos no destructivos::Alcoholes y cetonas: etanol, glicerol, butanol, acetona...Ácidos orgánicos: acético, butírico, láctico, cítrico.....

Tratamientos destructivosTratamientos destructivos:: Aerobio / Anaerobio (biogas)

Aminoácidos: ácido glutámico, lisina, triptófano...Vitaminas: cianocobalamina, riboflavina...Enzimas: amilasas, glucoamilasas, proteasas, lipasas...BiomasaFermentos lácticosOtros: grasas y aceites, polisacáridos, antibióticos...


TTBBRR

TTecnologíaecnología de de BBioprocesosioprocesos y y RReactores:eactores:

Bebida alcohólicaBebida alcohólica

VinagreVinagre

Ácido lácticoÁcido láctico

ProteasasProteasas

1. Bebida alcohólica1. Bebida alcohólica

TTBBRR

Mediante una fermentación alcohólica la lactosa del suero se puede transformar en etanol

11 Hidrólisis de la lactosaHidrólisis de la lactosa

Lactosa Glucosa GalactosaLactasa

GalactosaIsomerasa

Glucosa

A escala industrial la fermentación alcohólica se realiza casi exclusivamente empleando levaduras


TTBBRR

22 La glucosa entra en la ruta de La glucosa entra en la ruta de EmbdenEmbden--MeyerhofMeyerhof

Una posibilidad atractiva es la elaboración de una bebida alcohólica a partir del suero lácteo

CH2OH

C HO

C OHH

C HHO

C OHH

C OHH

Glucosa

Piruvato

CH3

C

C

O

O-O

4

4 H+ 4 CO2

4 ADP +2 Pi 4 ATP 4 NAD+ 4 NADH + 4H+

4 H2O

4 NAD+ 4 NADH + H+

Acetaldehído

CH3

C HO

4

Acetaldehído

CH3

C HO

4

Etanol

CH3

C OHO

4

2

CH2OH

C HO

C OHH

C HHO

C OHH

C OHH

Glucosa

Piruvato

CH3

C

C

O

O-O

4

4 H+ 4 CO2

4 ADP +2 Pi 4 ATP 4 NAD+ 4 NADH + 4H+

4 H2O

4 NAD+ 4 NADH + H+

Acetaldehído

CH3

C HO

4

Acetaldehído

CH3

C HO

4

Etanol

CH3

C OHO

4

2

CH2

OH


TTBBRR

Tipo de sustratos(suero / suero + suplementos)

Cultivos de alta producción en continuo

Metabolismo secundario

Valoración global

Temas claveTemas clave: :


TTBBRR

OperaciónOperación: : • Kluyveromyces fragilis: .

– Metaboliza lactosa sin producir toxinas– Ha sido autorizado su uso en alimentos

• Medio de cultivo: Permeado de UF• Fermentaciones

– Discontinuo– Continuo

• Métodos analíticos– Lactosa: HPLC– Etanol y otros volátiles: GC

Componentes % p/v

Lactosa 4.5

Proteínas totales 0.45

Materia grasa Trazas

Extracto Seco Total 5.5-6

• Temperatura: 30-34ºC.• Inóculo: 10 %.• Variaciones del pH inicial entre 3.4 y 6.7 no afectan al sistema• La agitación incrementa la producción de etanol respecto a la falta de agitación.


TTBBRR

Con

cent

raci

ón d

e et

anol

, g/l

0

5

10

15

20

0 12 24 360

5

10

15

20

Tiempo, h0 12 24 36

18 ºC 21 ºC

34 ºC 37 ºC

Con

cent

raci

ón d

e et

anol

, g/l

0

5

10

15

20

0 12 24 360

5

10

15

20

Tiempo, h0 12 24 36

18 ºC 21 ºC

34 ºC 37 ºC

Cultivo discontinuoCultivo discontinuo: Metabolismo primario: Metabolismo primario

Tiempo, h0 6 12 18 24 30

Peso

sec

o, g

/l

0

1

2

3

4

5

5% 10% 15% 20%

Tiempo, h0 6 12 18 24 30

Pes

o se

co, g

/l

0

1

2

3

4

5

6

725 g/l etanol

21 g/l etanol

11 g/l etanol

Tiempo, h0 6 12 18 24 30

Pes

o se

co, g

/l

0

1

2

3

4

5

6

725 g/l etanol

21 g/l etanol

11 g/l etanolSin agitación 100 rpm200 rpm

TemperaturaTemperatura InóculoInóculo

AgitaciónAgitación

• A mayor temperatura menor concentración final de alcoholes secundarios

• La agitación incrementa la formación de alcoholes secundarios

• Los niveles alcanzados de alcoholes secundarios son del mismo orden de magnitud que los registrados en otras bebidas alcohólicas de baja graduación


TTBBRR

Cultivo discontinuoCultivo discontinuo: Metabolismo secundario: Metabolismo secundario

050

100150200250

Agitación, rpm0 20 40 60 80 100120140160180200220

Alc

ohol

es s

ecun

dario

s, m

g/l

0

20

40

60

80

100

120

Total

2-metil-1-propanol 2-metil-1-butanol 3-metil-1-butanol 1-propanol

AgitaciónAgitación

0

10

20

30

0 12 24 36 48Tiempo, h

1-pr

opan

ol, m

g/l

TemperaturaTemperatura

37 ºC34 ºC21 ºC18 ºC

1-propanol, 2-metil-1-propanol2-metil-1-butanol, 3-metil-1-butanol


TTBBRR

Cultivo continuoCultivo continuo

0

5

10

15

20

25

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3Velocidad de dilución, h-1

Eta

nol,

g/l

0

1

2

3

4

5

Prod

uctiv

idad

, g/lh

Etan

ol, g

/l

Productividad etanolProductividad biomasa x 10

02468

1012

Velocidad de dilución, h-1

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.200.00.51.01.52.02.53.03.54.0

2-metil-1-propanol 2-metil-1-butanol 3-metil-1-butanol 1-propanol

Acetaldehido Acetato de etilo D, h-1

mg/l YP’/X, x 103 mg/l YP’/X, x 103

0.05 38 10.2 8 2.2 0.09 31 10.3 5 1.6 0.11 29 11.2 4 1.5 0.15 24 13.4 3 1.6

• El proceso es viable

• Productividad máxima etanol, biomasa y alcoholes secundarios: D = 0.11 h-1 ( 15 g/l. etanol)

• Los valores de acetaldehído y acetato de etilo son inferiores a otros registrados en la bibliografía en otras bebidas alcohólicas de baja graduación

Velocidad de dilución, h-1Pr

oduc

tivid

ad,

mg/

L h

EtanolEtanol

Alcoholes secundariosAlcoholes secundarios

Prod

uctiv

idad

, g/L

h

Para producir ácido acético con fines alimentarios se realizan dos fermentaciones sucesivas:

2. Vinagre2. Vinagre

TTBBRR

El ácido acético es el principal componente del vinagre, empleado en aderezos y como conservante de alimentos

1.1. AZÚCAR AZÚCAR →→ ETANOLETANOL

En la UE la producción está entre 4.5 y 5 millones de hL, de los cuales 1/3 es de vino

2.2. ETANOL ETANOL →→ ÁÁCIDO ACCIDO ACÉÉTICOTICO

Se plantea la posibilidad de obtener vinagre a partir de suero lácteo


TTBBRR

Método de producción de acético válido para su uso en alimentación

Selección de una bacteria ácido acética

Características del producto

Valoración global



TTBBRR

OperaciónOperación: : • Medio de cultivo: 78 g/L de suero lácteo en polvo + 100 g/L de lactosa• Fermentación alcohólica: Kluyveromyces fragilis

• Fermentacion ácido acética:– Bacteria ácido acética aislada de vinagre de sidra e identificada

como Acetobacter pasterianus– Condiciones de cultivo: Fuertemente aeróbicas: matraces

Erlenmeyer de 250 ml conteniendo 33 ml de medio; 250 rpm; 30ºC• Métodos analíticos

– Etanol y otros volátiles: GC

Eliminación de las Eliminación de las levaduras por filtraciónlevaduras por filtración


TTBBRR

Tiempo, h0 12 24 36 48 60 72 84 96 108

Con

cent

raci

ones

de

etan

ol y

acé

tico,

%v/

v

0

1

2

3

4

5

6

EtanolEtanol

Ácido acéticoÁcido acético Acetato de etilo

13 mg/L

2-metil-1-propanol

34 mg/L

2-metil-1-butanol

9 mg/L

3-metil-1-butanol

41 mg/L

Concentración de volátiles

• La bacteria aislada realiza perfectamente la fermentación acética en la bebida alcohólica producida por fermentación del suero lácteo (84% eficiencia)

• El vinagre obtenido, apto para consumo humano, tiene un contenido de 5.3 grados acéticos (concentración comercial 5-6 grados acéticos)

• El proceso empleado cumple los requerimientos de la FAO

*Acetaldehído no detectado

3. Ácido láctico3. Ácido láctico

TTBBRR

Aplicaciones industriales: en el sector alimentario como estabilizador (aguas minerales, zumos, cerveza, vinos, industria láctea...)

(suero lácteo / permeado de UF)

Ácido láctico grado alimentario: pureza 80%, color, olor, textura

Lactosa

OH O

OH

OH

CH2OHOH

OH

CH2OH

OHO

O

O

bacterias ácido lácticasÁcido láctico

CH3

H

COOH

C OH


TTBBRREvolución de la concentración de ácido láctico obtenido por fermentación de suero lácteo

t (h)t (h)

Ácido

lác

tico

(g/

l)Ácido

lác

tico

(g/

l)

L. plantarum

L. helvéticus

L. casei

Condiciones de FermentaciónT = 37-42ºCpH inicial = 5-7Anaerobio/microaerófilo

• Suero lácteo(7% de suerodeshidratado)

• pH inicial = 6• T = 37ºC


TTBBRR

Desalinización del fermentado de Desalinización del fermentado de lactosuero lactosuero por IIpor II•• El ácido láctico con calidad El ácido láctico con calidad alimentaria alimentaria requiere desalinización requiere desalinización •• Se realizaron ensayos con resinas Se realizaron ensayos con resinas catiónicascatiónicas y aniónicasy aniónicas

Resultados obtenidos con la resina catiónicaEliminación prácticamente total de cationes (Eliminación prácticamente total de cationes (NaNa++, Ca, Ca2+2+ y Ky K++))

Capacidad útil = 1.67 Capacidad útil = 1.67 eqeq/L /L (0.4 m(0.4 m33 de resina por cada mde resina por cada m33 de suero)de suero)

Mejor regeneración con Mejor regeneración con HCl HCl que con Hque con H22SOSO4 4 (0.69 L de (0.69 L de HCl HCl 2M por cada L de suero)2M por cada L de suero)

Pérdida de láctico Pérdida de láctico << 0.1%0.1%

Resina aniónica: Buena eliminación de aniones (Cl- y SO42–) y

pérdidas de láctico<< 0.5%0.5%

4. 4. ProteasasProteasas

TTBBRR

Las proteasas son enzimas que catalizan la ruptura de los enlaces peptídicos de las proteínas

Cuentan con una gran aplicabilidad a nivel industrial constituyendo aproximadamente el 60% del total de enzimas comercializadas (detergentes, alimentación, tratamiento de pieles, industria farmacética...),

La bacteria Serratia marcescens es una gran productora de proteasas cuando se cultiva en medios proteicos como es el lactosuero


TTBBRR

Cultivos de alta producción

Tipo de sustratos(suero / suero + suplementos)

Posibilidad de trabajar en continuo

Grado de eliminación de la carga contaminante

Valoración global



TTBBRR

• Medio de cultivo: lactosuero dulce fresco• Serratia marcescens:

– Baja capacidad para degradar lactosa– Las proteínas del suero constituyen su fundamental fuente de C y N

• Fermentaciones– Discontinuo – Continuo

• Métodos analíticos– Biomasa: peso seco celular / recuento en placa– Actividad enzimática: método de la azocaseína– Proteína: Lowry /Bradford– Lactosa: Método del ácido dinitrosalicílico

OperaciónOperación: :

tiempo (h)

0 5 10 15 20 25 30

Bio

mas

a,Pr

oteí

nas

(g/l)

0

1

2

3

4

Prot

easa

(UE/

ml)

0

2000

4000

6000

8000

10000a) 5%

tiempo (h)

0 5 10 15 20 25 30

Bio

mas

a,Pr

oteí

na (g

/l)

0

1

2

3

4

Prot

easa

(UE/

ml)

0

2000

4000

6000

8000

10000b) 10%

tiempo (h)

0 5 10 15 20 25 30

Bio

mas

a,Pr

oteí

nas

(g/l)

0

1

2

3

4

Prot

easa

(UE/

ml)

0

2000

4000

6000

8000

10000

tiempo (h)

0 5 10 15 20 25 30

Bio

mas

a, P

rote

ína

(g/l)

0

1

2

3

4

Prot

easa

(UE/

ml)

0

2000

4000

6000

8000

10000c) 30% d) 50%

Condiciones óptimas para máxima producción: 30ºC; Condiciones óptimas para máxima producción: 30ºC; pH pH 7.6; OD 30% 7.6; OD 30%


TTBBRR

Optimización de parámetrosOptimización de parámetrosOxígeno disueltoOxígeno disuelto

Temperatura: 26-37ºC.pH: 7-8Concentración inicial de proteínas: 4-8 g/LOxígeno disuelto: 5-50%

Parámetros ensayados:Parámetros ensayados:

proteasaproteasabiomasabiomasaproteproteíínana

Prot

ease

(EU

/mL)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Bio

mas

s/Pr

otei

ns (g

/l)

0

1

2

3

4

5

6

7

time (h)

0 5 10 15 20 25 30 35

Bio

mas

s/Pr

otei

ns (g

/l)

0

1

2

3

4

5

6

7

Prot

ease

(EU

/mL)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Bio

mas

s/Pr

otei

ns (g

/L)

0

1

2

3

4

5

6

7

Prot

ease

(EU

/mL)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000a) Microfiltration

b) Pasteurisation

c) Tindalisation

Bio

ma s

a /P r

o teí

nas (

g /L )


TTBBRR

Optimización del Optimización del pretratamientopretratamientoMicrofiltración Microfiltración (33 (33 µµm)m)

Pasteurización Pasteurización (75ºC, 60 (75ºC, 60 minmin))

Bio

ma s

a /P r

o teí

nas (

g /L )

P rot

eas a

s (U

E /m

L)P r

otea

s as (

UE /

mL)

P rot

eas a

s (U

E /m

L)

Doble pasteurización Doble pasteurización (a las 12 h)(a las 12 h)

Bio

ma s

a /P r

o teí

nas (

g /L )

Tiempo (h)

Los niveles más altos de actividad enzimática se alcanzaron empleando suero pasteurizado o doblemente pasteurizadoSe seleccionó como más adecuada la doble pasteurización porque consigue una mayor reducción en la carga microbiana

Prot

eas a

s (U

E /m

L)

*Se realizaron experimentos en continuo probando laviabilidad del proceso

time (h)

0 10 20 30 40 50

Bio

mas

s/Pr

otei

n (g

/l)

0

2

4

6

8

10

12

Pro

teas

e (E

U/m

l)

02000400060008000100001200014000

Bio

ma s

a /P r

o teí

nas (

g /L )

P rot

eas a

s (U

E /m

L)

Tiempo (h)

Condiciones óptimas + Doble pasteurización Condiciones óptimas + Doble pasteurización


TTBBRR

Fermentaciones con células inmovilizadas en Fermentaciones con células inmovilizadas en alginatoalginato•• Se ha empleado el sistema Se ha empleado el sistema S. S. marcescensmarcescens--suero lácteo como suero lácteo como

modelo para realizar un análisis del comportamiento de modelo para realizar un análisis del comportamiento de sistemas con células inmovilizadas sistemas con células inmovilizadas

t = 0 ht = 0 h t = 7 ht = 7 h t = 25 ht = 25 h

Crecimiento de S. marcescens en zonas próximas a la superficie del soporte

Microscopía ópticaMicroscopía óptica


TTBBRR

Fermentaciones con células inmovilizadas en Fermentaciones con células inmovilizadas en alginatoalginato

MOMO

Crecimiento preferencial en la superficie debido a limitaciones difusionalesEscape celular por rotura de los soportes

TEMTEM

SEMSEM


TTBBRR

Fermentaciones con células inmovilizadas en Fermentaciones con células inmovilizadas en alginatoalginato

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0.91

0.93

0.95

0.97

0.99

OU

TSID

E

0

190

20406080

100120140

160

BIO

MA

SS (m

g/m

l)

t (h)

Experimental Results

Bio

mas

a (g

/l)

0

1925

7 13

Resultados experimentales

exteriort (h)

r/Rr/R

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0.91

0.93

0.95

0.97

0.99

UTS

IDE

0

190

20406080

100120140

160

BIO

MA

SS (m

g/m

l)t (h)

Theoretical Results

Bio

mas

a (g

/l)

Resultados teóricos

0

1925

7 13 t (h)exteriorr/Rr/R

∂∂

∂∂

∂∂

Ct

r 1r r

r DCr

ii 2

2i

i= ′+⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

d Cd t

3R

(1 )D

Cr

bi L

Li

i

r R

= −−

=

εε

∂∂

Modelo homogéneoModelo homogéneo

Dentro del soporte:

En el reactor: + ri´´


TTBBRR

Módulo deMódulo de ThieleThiele para el para el sustrato y la biomasa:sustrato y la biomasa:

φs2

2s

s s

R3

rD C

=⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

< − >< >

φx2

2x

x x

R3

rD C

=⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

< >< >


TTBBRR

Cultivos combinadosCultivos combinadosEl principal responsable de la alta DQO del suero es su alto contenido en lactosa

S. marcescens presenta escasa capacidad para degradar la lactosa

↑↑ DQO DQO en el caldo final

Opción:Opción:S. S. marcescensmarcescens

++K. K. fragilisfragilis

Prot

eína

(g/l)

01234567

Lact

osa

(g/l)

01020304050607080

Prot

eína

s (g

/l)

01234567

Lact

osa

(g/l)

01020304050607080

tiempo (h)

0 10 20 30 40 50 60 70

Prot

eína

s (g

/l)

01234567

Lact

osa

(g/l)

01020304050607080

S.marcescens

K.fragilis

S.marcescens - K.fragilis


TTBBRR

Bio

mas

a (g

/l)

01234567

Prot

easa

s (U

E/m

l)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Bio

mas

a (g

/l)

01234567

Prot

easa

s (U

E/m

l)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

tiempo (h)

0 10 20 30 40 50 60 70

Bio

mas

a (g

/l)

01234567

Prot

easa

(UE/

ml)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000c)S.marcescens -K.fragilis

b) K.fragilis

a) S. marcescens

Cultivos combinadosCultivos combinados• La presencia

de la levadura no afecta a la producción enzimática

• La mayor reducción en la DQO se consiguió empleando cultivos combinados (76% de eliminación)

S. S. marcescensmarcescens

K. K. fragilisfragilis

S. S. marcescensmarcescens + K. + K. fragilisfragilis

S. S. marcescensmarcescens

K. K. fragilisfragilis

S. S. marcescensmarcescens + K. + K. fragilisfragilis

Los biotratamientos no destructivos presentan un atractivo indudable frente a los destructivos existiendo distintas propuestas y posibilidades disponibles en la bibliografía

Consideraciones finalesConsideraciones finales

TTBBRR

El esfuerzo por desarrollar técnicas de aprovechamiento vs. técnicas destructivas ejerce un efecto positivo y pedagógico en la sociedad (abre camino hacia la sostenibilidad)

Resulta clave la búsqueda de nuevos productos y mercados para materias primas residuales disponibles en altas cantidades (evitar saturaciones de mercado)

Los nuevos procesos y en particular en el caso alimentario, compiten en un mercado económico complejo, cambiante y de mucha competencia

wwwwww..unioviuniovi.es/TBR.es/TBR

usos del lactosuero

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