A second life for waste from the mezcal industry
Grecia Paniagua Pérez Yanely Lizeth Sarabia Sereno Yadira Belmonte Izquierdo Este artículo propone una metodología para elaborar un bioplástico
a partir de residuos de la producción de mezcal que
utiliza agave Angustifolia. Esta industria tiene efectos negativos
en el ambiente por el mal manejo de los residuos de bagazo
(122 696 toneladas) y vinaza (14 a 27 millones de litros). El
bagazo del agave, cuya composición química contiene 43% de
celulosa, 19% de hemicelulosa y 15% de lignina, puede ser aprovechado
y utilizado como sustrato de microorganismos si se
somete a un tratamiento con otra clase de enzimas para producir
ácido poliláctico, el cual se evaluará para saber si es un biopolímero
óptimo para usar en el área médica, en particular en
el desarrollo de prótesis u otros materiales clínicos. This article proposes a method to elaborate a bioplastic from
mezcal production residues using agave Angustifolia. This industry
has a negative impact on the environment due to the
poor management of bagasse (122 696 tons) and vinasse (14 to
27 million liters). Agave bagasse, whose chemical composition
contains 43% cellulose, 19% hemicellulose, and 15% lignin, can
be used as a substrate for microorganisms by subjecting it to
treatment with another class of enzymes to produce polylactic
acid. This will be evaluated to see if it is an optimal biopolymer
for use in the medical area, developing prostheses or other clinical
materials.
celulosa, hemicelulosa, bioplástico, mezcal, enzimas cellulose, hemicelullose, bioplastic, mezcal, enzymes La idea de elaborar un producto utilizando los residuos de agave mezcalero nace del análisis
respecto a la cantidad de mezcal que se produce a nivel nacional (aproximadamente 7.4
millones de litros en 2019) y, por consecuencia, los residuos que se generan de igual magnitud.
Por ello, se propone utilizar el residuo sólido de la industria llamado bagazo para desarrollar
un bioplástico o biopolímero lo suficientemente resistente y óptimo para emplearlo
como materia prima en la industria médica, con el fin de reducir contaminantes en el proceso
de elaboración de prótesis. México es uno de los principales países productores de bebidas alcohólicas, como el tequila
y el mezcal. En el año 2019 tuvo una producción total de más de 7.4 millones de litros de
mezcal y de 351.7 millones de litros de tequila (Sánchez, 2020). El estado de Michoacán ocupa
el tercer lugar a nivel nacional en la producción de dichas bebidas, con una cantidad de
800 000 y 300 000 litros, respectivamente (Delegación de la Sader Michoacán, 2018). Una vez destilado el mezcal quedan residuos líquidos y sólidos, llamados vinaza y bagazo.
Los segundos son los de principal interés para nuestro trabajo, ya que su conformación
consiste principalmente en lignina, celulosa y hemicelulosa, por lo que se les conoce también
como residuos lignocelulósicos. Este material resulta un polímero de interés industrial
porque es biodegradable y un recurso renovable (Hon, 2000; Íñiguez et al., 2007; Reveles
Ramos et al., 2012; Stewart et al., 1997). Si no se les da un manejo adecuado, estos residuos
podrían acumularse de forma desmedida y ocasionar contaminación ambiental, ya que
comienzan a cambiar de color, se ablandan y en la superficie se presenta invasión de hongos,
levaduras, bacterias y fauna nociva como cucarachas, larvas de mosca y otros insectos
(Martínez-Palacios et al., 2015).
Ya se han realizado estudios sobre la obtención de productos derivados de estos residuos,
por ejemplo, combustibles y algunos bioplásticos derivados de la transformación de la biomasa
proveniente del bagazo por diferentes tratamientos, partiendo tanto de agave de la industria
tequilera o mezcalera como de alguna otra fuente de material celulítico. Por ejemplo, los resultados de la investigación de García Vargas (2017) mostraron que la
proporción óptima para obtener un bioplástico con la suficiente elasticidad y tracción debe
ser 60% de bagazo de caña y 50% de caucho natural. Por su parte, el objetivo general del trabajo de Ortega Cahui (2019) fue obtener un bioplástico
a escala de laboratorio a partir de paja y residuos de arroz partido. Los resultados fueron
las proporciones adecuadas para el bioplástico. Asimismo, la finalidad de la investigación de Rodríguez Sepúlveda (2014) fue elaborar y
caracterizar biocompuestos basados en fibra del pseudotallo de plátano. Para ello, se trataron
las fibras del pseudotallo de plátano con 1% de xilano. En conclusión, la fibra tratada
del pseudotallo de plátano (20%) y matriz de poliéster tuvo una resistencia a la tracción de 37.1 MPa. Además, la fibra sin tratar del pseudotallo de plátano (20%) y matriz de poliéster
tuvo una resistencia a la tracción de 32.9 MPa. Por lo tanto, toda la información recabada lleva a la siguiente pregunta de investigación:
¿cuáles son las condiciones más adecuadas para producir un bioplástico a partir de bagazo
de agave mezcalero usando microorganismos? Materiales y reactivos Reactivos: Obtención de la materia prima Mantenimiento y almacenamiento de los microorganismos Para el aislamiento de L. bulgaricus se tomarán 10 mL o 10 g del producto; se llevarán a
90 mL de agua peptonada al 1% (P/V) y se procederá a realizar diluciones seriadas, hasta
10-10; se harán siembras en superficie en agar mrs que se incubarán por 48 horas a 37 ºC en
condiciones de microaerofilia (10% CO2), y se realizará una identificación morfológica por tinciones
de Gram una vez terminado el proceso de incubación (Ramírez Muñoz, 2010). Determinación de biomasa y pretratamiento Una vez obtenida la materia prima, se le dará un pretratamiento con NaOH al 10% con el
fin de eliminar ceras o resinas y de que sea más fácil de manejar. Determinación de biomasa y pretratamiento La glucosa será sometida a una fermentación anaeróbica en presencia de diferentes cepas
de Lactobacillus, como lo es la cepa de Lactobacillus bulgaricus. De esta fermentación se
obtendrá ácido láctico y, como subproductos, etanol y dióxido de carbono. Se llevará a cabo una polimerización por policondensación por fusión directa del ácido
láctico para la obtención de ácido poliláctico. Esto debido a que “es de gran importancia cuando
se desean obtener polímeros de bajo peso molecular, principalmente para aplicaciones
médicas, debido a la facilidad del proceso y el bajo costo” (Pinzón et al., 2006). Caracterización del bioplástico Con base en la información obtenida de la literatura, es muy viable y acertado el proceso
que se plantea para la obtención del plástico a partir del bagazo de agave mezcalero, ya que
los microorganismos propuestos son específicos para la degradación de elementos como
la lignina y la hemicelulosa. A su vez, éstos proporcionan celulosa, la cual producirá glucosa,
que llevará a condiciones específicas de fermentación, con lo que se generará ácido láctico,
el cual posteriormente pasará por un proceso de policondensación por polimerización
para obtener ácido poliláctico y así llevarlo a tratamiento para moldear y dar el terminado final
del bioplástico. Asegurando las mejores condiciones para cada elemento de la metodología, se obtendrá
un bioplástico biodegradable mecánicamente resistente y útil para diversos usos, en este
caso se propone fabricar prótesis médicas. Para lograrlo, es necesario elegir las mejores condiciones
para cada parte de la metodología, que éstas sean óptimas para el funcionamiento
y así se logre experimentalmente de la mejor manera. En caso de lograr desarrollar lo aquí planteado, se podrá obtener finalmente un bioplástico
biodegradable pero asimismo mecánicamente resistente y útil para utilizarlo en la producción
de prótesis médicas. El producto tendría un impacto muy importante en el aprovechamiento
del bagazo de agave mezcalero y, a su vez, en la reducción del uso de plásticos
derivados del petróleo en el ámbito médico. Aguilar-Ulloa, W., Arce-Acuña, P. y Rivera-Méndez, W. (2016). Identificación y caracterización molecular del hongo causante de la pudrición blanca en Allium cepa, en Llano Grande de Cartago, Costa Rica. Tecnología en Marcha, 29, 51-56. http://dx.doi.org/10.18845/tm.v29i7.2705 Barroso Casillas, M. (2010). Pretratamiento de biomasa celulósica para la obtención de etanol en el marco de una biorrefinería. https://oa.upm.es/10559/1/MIGUEL_BARROSO_CASILLAS.pdf Chupp, C. y Sherf, A. F. (1960). Vegetable diseases and their control. The Ronald Press Company. Delegación de la Sader Michoacán (2018). Michoacán ocupa el tercer lugar a nivel nacional en producción de agave. https://www.gob.mx/agricultura/michoacan/articulos/michoacan-ocupa-el-tercer-lugar-a-nivel-nacional-en-produccion-de-agave?idiom=es García Vargas, C. C. (2017). Obtención de un material biocompuesto a partir de bagazo de caña de azúcar y caucho natural como sustituto del plástico [Tesis de Ingeniería Ambiental]. Universidad César Vallejo. https://repositorio.ucv.edu.pe/handle/20.500.12692/3533 Hon, D. (2000). Pragmatic approaches to utilization of natural polymers: challenges and opportunities. En E. Frollini, A. Lleao y L. H. C. Mattoso, Natural polymers and agrofibers based composites (pp. 1-14). Universidade de São Paulo, Instituto de Química de São Carlos, Embrapa Instrumentação Agropecuária, Universidade Estadual Paulista-Faculdade de Ciências Agronômicas. Íñiguez, G., Fuentes, F., Langue, S., Rowell, R. (2007). Bagazo de agave como materia prima para la fabricación de tableros aglomerados. En F. Fuentes Talavera, J. A. Silva Guzmán y J. Ramos Quirarte (Eds.), Obtención de materiales compuestos empleando polímeros naturales (pp. 15-34). Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías-Universidad de Guadalajara, Editorial Amate. Martínez-Palacios, A., Toral Paz, J., Herrera-Camacho, J. y Sánchez-Vargas, N. M. (2015). Prospectiva estratégica para el aprovechamiento del bagazo residual de agave generado al producir mezcal en Michoacán. En B. Flores Romero y F. González Santoyo (Coords.), La empresa de clase mundial palanca del desarrollo económico (pp. 1536-1569). Ilustre Academia Iberoamericana de Doctores. Ortega Cahui, M. B. (2019). Elaboración de bioplástico a partir de paja y residuos de granos de arroz [Tesis de Ingeniería Industrial]. Universidad Tecnológica de Perú. https://repositorio.utp.edu.pe/bitstream/handle/20.500.12867/2810/Mariangela%20Ortega_Trabajo%20de%20investigaci%C3%B3n_Bachiller_2019.pdf?sequence=1&isAllowed=y Pinzón, J. E., Martínez, J. H., Espinosa, A., Narváez, P. C. y Pérez, A. (2006). Polimerización de ácido (dl) láctico mediante policondensación por fusión directa. Estudio cinético de la etapa de oligomerización. Revista Colombiana de Química, 35(2), 125-134. https://www.redalyc.org/pdf/3090/309026669009.pdf Ramírez Muñoz, F. A. (2010). Aislamiento de bacterias Lactobacillus sp. y levaduras a partir de productos lácteos artesanales y evaluación de la capacidad antagónica in vitro [Trabajo de grado]. Pontificia Universidad Javeriana Bogotá. http://hdl.handle.net/10554/8624 Reveles Ramos, J. A. y Reveles Ramos, O. R. (2012, 23 de agosto). Método para la extracción de subproductos de bagazo de agave azul tequilana weber (wipo, WO2012112018A1). https://patents.google.com/patent/WO2012112018A1/es Rodríguez Sepúlveda, L. J. (2014). Elaboración de un material biocompuesto a partir de fibra de plátano [Tesis de magister]. Universidad Nacional de Colombia. https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/handle/unal/52647/8911502.2014.pdf?sequence=1&isAllowed=y Sánchez, S. (2020, 16 de abril). Exportaciones de mezcal se desploman 80% por pandemia de coronavirus. Forbes. https://www.forbes.com.mx/negocios-exportaciones-mezcaldesploman-pandemia-coronavirus/ Sotomayor García, L. G. (2011). Efectividad de aislados microbianos como agentes de biocontrol de Sclerotinia sclerotiorum en frijol [Tesis de maestría]. Instituto Politécnico Nacional. https://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/13145/Lucila%20Gpe%20
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orcid: 0000-0002-0465-0006/grepape05@hotmail.com
Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica, Instituto Tecnológico de Morelia
orcid: 0000-0002-8767-5187
Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica, Instituto Tecnológico de Morelia
yadira.bi@morelia.tecnm.mx
Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica, Instituto Tecnológico de Morelia
resumen
abstract
palabras clave
key words
Introducción
Metodología y materiales
Materiales. Se emplearán diversos tipos de hongos y bacterias:
Para llevar a cabo la metodología se empleará bagazo de la industria mezcalera, específicamente
de la destiladora de mezcal El Cuerazo, de la empresa Ex Hacienda Zacapendo; se obtendrá
una cantidad aproximada de 5 kg para realizar los tratamientos necesarios.
El crecimiento de Sclerotinia sclerotiorum en medio de agar se produce en un rango de temperatura
de 0 a 35° C (Chupp y Sherf, 1960). El pH de crecimiento de dicho patógeno se produce
en un rango de 2.3 a 7.5. Muchos estudios de nutrición estiman que las fuentes de crecimiento
de S. sclerotiorum se ven favorecidas principalmente por fuentes de carbono y nitrógeno,
por ejemplo, de carbohidratos tales como glucosa y fructosa (Sotomayor García, 2011). Los
esclerocios se aislarán directamente de cultivo de cebolla, el cual tendrá un tratamiento de desinfección con hipoclorito de sodio al 3% durante 30 segundos, 1 minuto en alcohol al 70%
y 2 minutos en agua destilada estéril (Aguilar-Ulloa et al., 2016).
Para la determinación de biomasa lignocelulósica es necesario que la muestra se encuentre
libre de extractos. Las normas refieren el porcentaje de cada compuesto respecto al total de
compuestos estructurales. Las sustancias extraíbles con disolventes son principalmente resinas,
fenoles y algunos otros, incluidos algunos hidratos de carbono de bajo peso molecular
o lignina soluble (Barroso, 2010).
Se utilizarán enzimas llamadas celulasas, las cuales se pueden adquirir en la tienda en línea
Merck, especializada en la venta de productos químico-biológicos. Las celulasas se encargan
de llevar a cabo la hidrólisis enzimática, de la cual se pretende obtener glucosa.
Para la caracterización del bioplástico se seguirá el siguiente protocolo:
Conclusiones
Referencias