Materiales de fuentes renovables. Aprovechamiento de resíduos de la industria agroalimentaria

Materials from renewable sources.

Use of waste from the food industry

IV INTERNATIONAL SEMINAR

on Biopolimers and sustainable Composites

ainiaCentro tecnológico

Mercedes Villa-Carvajal

mvilla@ainia.es

Biotechnology Researcher,

Head of Bioproduction Pilot Plant

Materiales de fuentes renovables. Aprovechamiento de residuos de la industria agroalimentaria

Indice

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Introducción

•ainia Centro Tecnológico 2011

•Capacidades e infraestructuras: Planta piloto de Bioproducción

Fuentes renovables: Residuos de la industria agroalimentaria y

microorganismos

•Residuos I.A. = UPSTREAM

•Microorganismos clave =BOPRODUCCIÓN

•Productos =DOWNSTREAM=BIOPOLÍMEROS

¿CÓMO?

•Etapas del proceso de Bioproducción

¿POR QUÉ? Sostenibilidad vs viabilidad industrial

•Tendencias: Proyección de mercado

•Integración en procesos industriales: BIOREFINERY

Introducción:-ainia Centro Tecnológico-Infraestructuras

centro tecnológico al servicio de la industria

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ainiaCentro tecnológico al servicio de la industria

ainia figura inscrita con el número 3

en el Registro de Centros de Innovación y Tecnología

(C.I.T.)

nuestra misión es participar activamente en la

consecución de la excelencia de las empresas a través de

la innovación, anticipándonos a las exigencias de la

sociedad y configurándonos como una organización de

profesionales reconocida como colaborador cualificado y

comprometido

centro tecnológico al servicio de la industria

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más de 1.100 asociados y 1.400 clientes de todos los sectores alimentarios y de otros afines.

ainia se creó en 1987 promovido por el IMPIVA y un grupo de empresaspara fomentar la I+D+i y alcanzar así una mayor competitividad en el sector

una filosofía de trabajo orientada a la empresainvestigación aplicada, actuaciones orientadas a dar soluciones a medida.

equipos multidisciplinares para dar respuestas globales.

escuchamos al mercado, nos comprometemos y asumimos riesgos tecnológicos.

20 años de experiencia, crecimiento sostenido y superación constante.

una organización con capital humano, recursos técnicos e infraestructuras

Capital humano

70 % doctores y titulados universitarios.

30 % técnicos formación profesional.

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formación multidisciplinar, más de 21 disciplinas diferentes.

formación continua en los mejores centros y universidades del mundo.

190 profesionales .

Instalaciones y recursos técnicos

12.000 m2 de instalaciones con los más avanzados equipos técnicos.

16 plantas piloto, 3 laboratorios, 1 laboratorio de seguridad clase III, salas deformación y organización de eventos.

Inversión media anual en infraestructuras de 10 % del total de ingresos.

Sede central en Valencia y delegaciones en Alicante, Barcelona, Madrid, Sevilla y Vigo.

respuestas eficaces para la empresa

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la actividad de ainia: diferentes tipologías de servicio todas

orientadas a aportar valor a la empresa

• los Proyectos de I+D: objetivo prioritario.

• asistencias tecnológicas: soluciones rápidas y eficaces.

• servicios analíticos: referencia en el sector.

• compromiso con la formación.

• ainia en el mundo: asesoramiento técnico y proyectos en cooperación.

• Consumolab: primer laboratorio en España especializado en el estudio del comportamiento y preferencias del consumidor utilizando el análisis sensorial.

• Altex: empresa de base tecnológica pionera en la tecnología de fluidos supercríticos.

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Resources & FacilitiesPLANTA PILOTO DE BIOPRODUCCIÓN

Sala de Fermentación pequeño volumen Recuperación-Purificación

Piso superior09

Servicios auxiliaresPiso inferior08

Zona de autoclavado de residuosPiso inferior07

SAS materialesPiso inferior06

Sala de limpieza y almacén limpioPiso inferior05

Sala Fermentación gran volumen 300L Recuperación-Purificación

Piso inferior04

Almacén medios y reactivosPiso inferior03

SAS materialesPiso inferior02

Zona de vestuarioPiso inferior01

DESCRIPCIÓNUBICACIÓN EN PLANTA

ZONA

UNIDAD DE BIOPRODUCCION

• Equipos de fermentación DCU-3 multicuba/2,5 y 10L). 5 cabinas indep.

• Equipo filtración tangencial pequeños volúmenes • Equipo de filtración tangencial piloto• Liofilizador• Spray drying y equipos Gas y RESS FSC• Salas blancas GMP, SAS, Zona técnica 200m2• Sistema de bioproducción integral: upstream,

Fermentador gran volumen (300L) y downstream

Infraestructuras: UNIDAD DE BIOPRODUCCIÓN

Fuentes renovables:-Residuos I.A. = UPSTREAM-Microorganismos clave =BOPRODUCCIÓN-Productos =DOWNSTREAM=BIOPOLÍMEROS

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Ejemplos de subproductos Industriales, productos Intermedios y efluentes:

• Aguas de limpieza en industrias de procesado de vegetales, vinos, mostos, etc.

• Zumos, melazas, jarabes

• Residuos de cultivos vegetales

• Subproductos de reacciones orgánicas

• Sueros lácteos

Alternativas para la gestión y valorización de efluentes:

• Depuración química, física y biológica para la reducción dela carga contaminante

• Filtración por membranas parael tratamiento y la recuperaciónde compuestos de interés

• ObtenciObtencióón de compuestos de n de compuestos de interinteréés a travs a travéés de procesos s de procesos microbianosmicrobianos

Residuos I.A = UPSTREAMGeneración de efluentes en industrias agroalimentarias

FUENTES RENOVABLES:

FUENTES RENOVABLES

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Fuentes renovables: residuos y microorganismos

Microorganismos para producción de biopolímeros

MICROORGANISMOS: FUENTES RENOVABLESMICROORGANISMOS: FUENTES RENOVABLES

Para la obtención de biopolímeros se pueden utilizar microorganismos tan diversos como bacterias acido lácticas y microalgas ricas en polisacáridos.

Lactobacillus delbruecki

Lactobacillus rhamnosus

Alcalígenes eutrophus

Azotobacter vinelandii

Chlorella pyrenoidosa

Ácido láctico

PLAs

PHBs

Polisacáridos

FUENTES RENOVABLES

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Fuentes renovables: residuos y microorganismos

EJEMPLO DE PRODUCTO: ÁCIDO LÁCTICO

APLICACIONES

ADITIVO EN AGROALIMENTACIÓN (refrescos, zumos de frutas y cárnico-curados)

SUSTRATO EN REACCIONES DE POLIMERIZACIÓN: POLILACTATOS (PLA). Films de envases y fibras biodegradables.

ETIL-LACTATOS: Alternativa biodegradable frente a los solventes orgánicos de PINTURAS Y ADHESIVOS.

Pueden reemplazar a solventes clorados en un 80% de sus aplicaciones habituales.

MATERIA PRIMA

PROCESO FERMENTATIVO

RENDIMIENTO

MEDIOS

SINTÉTICOS

Glucosa: 10-60 g de glucosa F de N: aprox 25 g/L Tiempo : 48-72 h pH: 6

89-90% 0.74-0.9 g de láctico/ g de glucosa Lactobacillus casei, Lactobacillus delbrueckii y Lactobacillus salivarus.

MELAZAS

H de C: 51 % de azúcares F de N: 69 g/L Tiempo: 2 y 5 días pH: 6

46-80-85%: L. delbrueckii Utilizando pretratamientos como ácido sulfúrico y calor (60ºC): 96%: L. delbrueckii ATCC 9649

HIDROLIZA

DOS VEGETALES

H de C: 50 g/L glucosa (madera) F de N: 15 y 60 g/L (licor de maíz) Tiempo: 60 h pH: 6

93 %: Enterococcus faecalis RKY1

SUERO DE

LECHE

H de C: 62 g/L lactosa F de N: 9 g/L de proteínas Tiempo: 2 y 5 días pH: 6

50%: L. delbrueckii: 30 g/L de Láctico, pH: 5.3 88.7% L. bulgaricus: 55 g/L

FUENTES RENOVABLES

¿CÓMO?-Etapas proceso Bioproducción

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Etapas de un Proceso de BIOPRODUCCIÓN

¿CÓMO?

Esquema general de un proceso microbianos a escala industrial

UPSTREAM

FERMENTACIÓN

DOWNSTREAM

• Acondicionamiento de la materia prima procedente del proceso

productivo (filtración de sólidos, dilución, ajuste de pH, etc)

• Preparación del inóculo (aislamiento y selección de

microorganismos, necesidades de nutrientes)

• Metabolización de la materia prima por parte de los

microorganismos y formación de compuestos de interés

• Control de parámetros de operación (pH, caudal de oxígeno,

temperatura, tiempo fermentación, etc.)

• Recuperación del producto o productos de interés

(centrifugación, filtración, purificación, etc.)

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¿CÓMO?

UPSTREAM• Efluentes con alta carga orgánica.

• Variabilidad de los efluentes generados por la industria

agroalimentaria en cuanto a composición, propiedades físicas y

caudales.

• Estacionalidad, fuerte carácter estacional que altera la

composición química (pH, CC, CN, etc), parámetros físicos

(densidad, viscosidad) y la microbiota presente.

• Presencia de sustancias tóxicas.

• Presencia de diversa microbiota autóctona especifica y

variable.

Necesidades del estudio del proceso productivo:

•Estudio de corrientes de proceso y caracterización de efluentes=

HOMOGENEIZAR

•Modelización de efluentes y estimación de su influencia

sobre el proceso fermentativo.

•Adaptación al proceso y del proceso.

Necesidad de un estudio de adaptación del proceso

fermentativo a las necesidades de cada empresa y a lo

largo de su ciclo productivo.

Etapas de un Proceso de BIOPRODUCCIÓN

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¿CÓMO?

Etapas de un Proceso de BIOPRODUCCIÓN

FERMENTACIÓN

Bioproducción en condiciones controladas

Selección de especies productoras de compuestos de

alto valor añadido

Monitorización y escalado de la bioproducción

•Preparación de inóculos

•Adecuación de especies a medios de cultivo sintéticos

•Adecuación de especies a medios de cultivo de bajo coste (melazas)

•Selección en base a aptitud como microorganismo industrial y producción de compuestos de alto valor

•Pretratamiento: inóculos y medio de cultivo

•Estudios de mixotrofía (ciclos luz/oscuridad)

•Estudios heterotrofía(oscuridad)

•Control de parámetros online (pH, gases, T, agitación, etc.)

•Monitorización de los cultivos mediante métodos directos (turbidez, densidad óptica) e indirectos (correlación cinética microbiana con cantidad de pigmentos por espetrofotometría)

•Estequiometría del crecimiento microalgal

•Balances de materia y energía

•Balances entálpicos

•Cinética microalgal

•Modelización y escalado

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¿CÓMO?

Etapas de un Proceso de BIOPRODUCCIÓN

DOWNSTREAMRecuperación del compuesto de

interés

Recuperación de biomasaFiltración tangencial

Filtros rotativos

Fermentación

G-FaseBiomasa

Recuperación de LactatoTécnicas de membrana

Electrodiálisis

Medio de cultivoInóculo

Lactato

Conversión y purificaciónde Ácido Láctico

Electrodiálisis bipolar

Diagrama de bloques del proceso

¿POR QUÉ?

-Sostenibilidad vs viabilidad industrial-Tendencias: Proyección de mercado-Integración en procesos industriales: Biorefinery

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¿POR QUÉ ?

Sostenibilidad vs Viabilidad industrial

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¿POR QUÉ ?

Sostenibilidad vs Viabilidad industrial

TENDENCIAS: SINERGIAS. CONCEPTO DE BIOREFINERÍA

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¿POR QUÉ ?

Sostenibilidad vs Viabilidad industrial

ADEMÁS DE MINIMIZAR LA CONTAMINACIÓN AMBIENTAL:VIABILIDAD INDUSTRIAL

Etapa de FERMENTACIÓN: medios sintéticos melazas(Estimación)

5,30 euros/LTOTAL

0,10 euros/L

5,20 euros/L

COSTE unidad(euros/L)

0,10 euro/kg

100 euro/kg

PRECIO UNITARIO

agua

Medio de cultivo

VARIABLE

0,11 euros/L

TOTAL

0,10 euros/L

0,01 euros/L

COSTE unidad(euros/L)

0,10 euro/kg

0,15 euro/kg

PRECIO UNITARIO

agua

Medio de cultivo

VARIABLE

+

Datos de contacto

ainia, centro tecnológico

Parque tecnológico de Valencia

c/Benjamín Franklin 5-11

46980 Valencia

Gracias por su atención

http://www.ainia.esTel. +34 961 366 090

Mercedes Villa Carvajal

Responsable Unidad de Bioproducción

departamento de Ingeniería y Procesos

mvilla@ainia.es22/22