Residuos de café, materia prima para generar electricidad

 Exponiendo en laboratorio la cereza o baya de este grano a temperaturas entre 180 y 300 °C, investigadores de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) descubrieron que esta se puede transformar en valiosos productos para generar químicos plataforma, de alto valor agregado, que ayuden a obtener combustibles naturales, gas, y por si fuera poco ¡electricidad!

Aunque el grano es la materia prima más comercializada en Colombia después del petróleo, y solo aquí genera alrededor de 530.000 empleos directos, su agroindustria también es una de las que produce más residuos: alrededor de 10 millones de toneladas anuales en el mundo.

En 2021 la producción colombiana fue de 12,6 millones de sacos, de los cuales 784.000 toneladas correspondieron a biomasa residual (cereza) y solo 39.200 toneladas (5 %) se utilizaron en otras actividades, como por ejemplo para obtener biogás y utilizar el sustrato de cultivos en alimentación animal, combustión y compost; sin embargo, una parte importante de ellos se desecha en fuentes de agua alterando el ecosistema por su alto requerimiento de oxígeno para descomponerse.

Buscando nuevas formas de aprovechar dichos residuos, Sophia Lozano Pérez, magíster en Química de la UNAL Sede Bogotá, aplicó biorrefinería hidrotermal, un proceso limpio y que no utiliza químicos adicionales contaminantes, ya que en este solo se utiliza agua a diferentes temperaturas.

Con el agua caliente la materia prima se convierte en azúcares que se van rompiendo hasta transformarse en los materiales plataforma, o sea con valor agregado para la industria; entre ellos están: ácido levulínico (utilizado en la industria plástica, alimentaria y farmacéutica), ácido fórmico (industria textil, papelera, de medicamentos y cosmética), furfural (compuesto químico empleado tanto para fabricar resinas y plásticos como para obtener nuevos fármacos y herbicidas, y ser precursor para obtener biocombustible) e hidroximetilfurfural (HMF), utilizado como indicador de calidad de la miel.

Con el apoyo del Grupo de Aprovechamiento Energético de Recursos Naturales, liderado por el profesor Carlos Alberto Guerrero, del Departamento de Química, la magíster obtuvo por primera vez estos compuestos a temperaturas que oscilan entre 180 y 300 ^oC.

Lo interesante de este proceso son sus múltiples aplicaciones, que, ¡ojo!, en Colombia aún están demoradas, como por ejemplo la producción de electricidad, que se lograría utilizando una técnica de combustión directa, con un reactor mucho más potente que aproveche los gases producto de la reacción de los residuos del café para ir moviendo turbinas y generando energía eólica, y por ende electricidad.

¡Un tinto muy caliente!

La investigación se realizó en el municipio de Santandercito (Cundinamarca), ubicado a 30 km de Bogotá, muy cerca al famoso Salto del Tequendama y reconocido por sus cultivos de plátano, mandarina, tomate, y por supuesto café. En una finca se recogieron 5 kg de residuos de café arábica con un 80 % de humedad, es decir compuesto en su mayoría de agua.

“Después de determinar este porcentaje, lo primero fue secar la cereza de café por medio de algunas técnicas de laboratorio, para luego molerlo y pulverizarlo y aprovechar ese 20 % de material. Enseguida se pone en una especie de termo y nuevamente se agrega agua, solo que esta vez no hay riesgo de contaminación y la cantidad es controlada; este recipiente se pone en un reactor especial capaz de aumentar la temperatura y la presión a los niveles necesarios para el estudio. En este “termo” se ponen los residuos de café y agua para luego llevarlos al reactor y aumentar la temperatura”, explica el investigador.

El proceso se realizó una y otra vez con distintas proporciones para observar cuál era la más indicada, y se halló que lo ideal era hacerlo con 5 g de café y 95 g de agua (unos 95 ml). Y es aquí donde aparece la temperatura, pues al poner la mezcla en el reactor, el calor sube a unos 180 ^oC para obtener azúcares de la hemicelulosa, derivados de la celulosa y la lignina (aunque esta es una barrera para el proceso), que se pueden aprovechar como estructuras base para otros procesos químicos.

“El agua a altas temperaturas actúa como un ácido, algo que aún nos desconcierta, pero gracias a ello su estructura va rompiendo químicamente el café, y cuando aumentamos el calor a 220 ^oC los azúcares se convirtieron en ácido levulínico, ácido fórmico, furfural y HMF, con rendimientos que llegan al 40 %”, indica la magíster.

Estos compuestos se separan mediante una técnica llamada cromatografía de intercambio iónico, para aprovecharlos individualmente, excepto el furfural y el HMF, que aún presentan valores del 1 a 4 %, y que son materiales químicamente inestables.

Por otro lado, el rendimiento se podría mejorar hasta llegar a un 120 % (según la estructura lignocelulósica) usando catalizadores que ayuden al agua, como por ejemplo ácido sulfúrico o acético, aunque estos son materiales difíciles de separar y podrían terminar siendo una “piedra en el zapato”.

Microorganismos de montaña, materia prima para insumo que mejora nutrición de cultivos

 En suelos de la vereda Las Pilas –zona de montaña de Jamundí, al sur del Valle del Cauca– está creciendo fríjol más sano y fuerte gracias a la mezcla de tales microorganismos con productos como avena, melaza o suero de leche, ingredientes de un insumo biológico líquido promisorio, conocido como bioagro, alternativa al uso de agroquímicos.

Esta región, disputada durante varios años por grupos ilegales al margen de la ley por el control de los cultivos de coca, se niega a ser protagonista de historias de violencia y desplazamiento forzado; por el contrario, quiere florecer a partir de un agro ambientalmente sostenible, y en ese propósito trabajan la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Palmira y los productores de la Asociación de Agriculturas Limpias e Incluyentes (Asoali).

“Cuando la agricultura pierde la diversidad de los organismos que viven en el suelo también pierde una función”, explica el profesor Joel Tupac Otero Ospina, líder del grupo de investigación Orquídeas, Ecología y Sistemática Vegetal de la UNAL Sede Palmira, quien destaca que el desafío de este trabajo es recuperar organismos benéficos de ecosistemas naturales de montaña (por ejemplo hongos, bacterias, micorrizas y levaduras, entre otros) y llevarlos a espacios de producción agrícola.

Dichos elementos se hallan en la materia orgánica de suelos con escasa intervención, es decir que han recibido pocos tratamientos químicos, no han sido incinerados constantemente o no han sido sometidos a la ganadería y agricultura extensiva (monocultivos). Por estar mejor conservados también preservan microfauna, bacterias y hongos que, entre otras cosas, ayudan a mantener sus cualidades físicas y químicas, y lo hacen más fértil y productivo.

Sin embargo, desconocerlos y perder la conexión con estos ecosistemas puede conllevar graves consecuencias para la salud del suelo y la biodiversidad.

¿Bolsa de té para microorganismos?

Con el acompañamiento de las comunidades de Las Pilas, los estudiantes Álvaro Nieto, de Ingeniería Agronómica, y Wilmer Leiva, de la Maestría en Gestión Ambiental y Desarrollo Sostenible de la Universidad Autónoma de Occidente –integrantes del Semillero de Investigación en Orquídeas, Ecología y Sistemática Vegetal de la UNAL–, capturaron los microorganismos con 500 trampas de arroz en zonas en donde hoy crecen fríjol, plátano y mora, entre otros cultivos tradicionales. Dichas trampas  son sencillos objetos que se suelen elaborar con vasos o botellas plásticas en las que se pone, entre otras cosas, una mezcla de arroz precocido.

Para esta investigación se utilizaron vasos plásticos para asegurar que el arroz permaneciera en un ambiente cerrado y libre de contaminantes externos que pudieran afectar la calidad de la muestra. Luego se ubicaron en puntos estratégicos del área de estudio, siguiendo un diseño experimental que permitiera una distribución uniforme y representativa de las trampas en el terreno, permitiendo que el universo microbiano presente en el entorno fuera atraído hacia el arroz y se depositara en las trampas. Este proceso se realizó durante un período específico para garantizar la captura adecuada de una variedad representativa.

Con los microorganismos obtenidos el paso siguiente fue elaborar el bioagro, para el cual estos se mezclaron con otros elementos beneficiosos como avena, melaza y harina de roca, y se pusieron en reposo durante 60 días en un recipiente hermético.

Después, para activar el producto en un medio líquido, utilizaron una “bolsa de té”, manera coloquial de denominar a una bolsa de tela de algodón o costal de fibra a la que se agregaron 12 kg de microorganismos de montaña en estado sólido. Esta se introdujo en una tina junto con suero de leche, más melaza y agua, y de nuevo cierre hermético por otros 60 días. Posteriormente agregaron sales y de nuevo en reposo por un mes más.

“El bioinsumo líquido es más fácil y práctico de manejar en ciertos cultivos. Como la bolsa de tela es porosa, permite inocular la mezcla líquida presente en el tarro de 200 litros”, menciona el ingeniero agrónomo Nieto, quien basó su trabajo de grado en este proyecto de investigación.

Agrega que el insumo les permite a las plantas desarrollar ciertos componentes vitales para su salud, como por ejemplo tener nitrógeno, fósforo y potasio, y el plus son los microorganismos de montaña, que al crecer en el suelo permiten incorporarlo activando lo que se requiere durante todo su proceso”.

En los cultivos de fríjol se aplicaron 2 litros de microorganismos de montaña por cada 18 litros de agua, se mezclaron, y este preparado se aplicó mediante una bomba fumigadora; el resultado es que las hojas y el tallo crecieron más fuertes y las plantas resistieron mejor enfermedades como la antracnosis, una de las principales limitantes del cultivo, provocada por el hongo Colletotrichum lindemuthianum.

Almidón de yuca, materia prima para elaborar helados fit

 La yuca, raíz que en Colombia suele consumirse cocinada o frita, también sería útil para elaborar alimentos más saludables o fitness. Su almidón modificado permite reducir en un 7 % el uso de grasas en la fabricación de helados comunes, y además disminuir entre un 30 y 40 % los costos de producción. Su aprovechamiento impactaría en la salud de los colombianos y en la cadena de producción nacional.

Según la última Encuesta Nacional de Salud Nutricional, en Colombia más del 50 % de los adultos entre 18 y 64 años tiene exceso de peso, uno de los factores de riesgo para desarrollar enfermedades como hipertensión, diabetes y cáncer.

Por eso, y en aras de preservar la salud pública, el Gobierno, los especialistas y científicos han promovido estrategias como el etiquetado frontal de alimentos –que en el país rige desde 2020 y señala los productos con exceso de azúcares añadidos, sodio y grasas saturadas– e investigaciones para adaptar e innovar la ingeniería de procesos relacionados con la elaboración de alimentos de calidad y saludables.

De ahí que el Grupo de Alimentos Funcionales de la Facultad de Ciencias Agrarias de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín y la empresa nacional Alimentos y Productos en Polvo Poltec SAS, se hayan propuesto desarrollar una premezcla para elaborar helados duros bajos en grasa utilizando almidón de yuca modificado e hidrocoloides, compuestos afines al agua que brindan viscosidad y consistencia a los alimentos.

“Normalmente los helados se componen de azúcar, leche en polvo, estabilizantes, emulsionantes, agua, y entre un 10 y 16 % de grasa proveniente de fuentes lácteas y no lácteas, la cual afectan factores como sequedad, retención de la forma después de la congelación, resistencia a la fusión y suavidad después del endurecimiento”, explica el profesor Eduardo Rodríguez Sandoval, de la Facultad de Ciencias Agrarias de la UNAL Sede Medellín.

Así pues, eliminar o reducir el contenido de grasa en el helado conduce a defectos en la calidad final del producto, ante lo cual se presenta la alternativa de utilizar almidones modificados en su remplazo.

De yuca a helado

El proceso para obtener el almidón de yuca inicia con la selección de tubérculos de alta calidad, frescos y maduros, que después se lavan y pelan para exponer la pulpa. “Luego se ralla para obtener una masa fibrosa que se deshidrata (eliminar el exceso de agua que contiene) para obtener un polvo fino: el almidón de yuca en su forma básica”, explica Yesica López, líder de I+D de Poltec.

Este almidón pasa por un proceso adicional que incluye la aplicación de reacciones químicas con el fin de mejorar sus propiedades físicas y químicas como estabilidad, textura y resistencia al calor, entre otras.

“Con este se procede a elaborar el helado, en la Planta de Productos Lácteos de la Facultad de Ciencias Agrarias de la UNAL Sede Medellín, en donde se pesan y mezclan todos los ingredientes sólidos, luego se les agrega agua y margarina calientes”, añade el profesor Rodríguez.

La mezcla se lleva a un homogeneizador, que distribuye uniformemente todos los ingredientes, luego se pasteuriza, y el producto resultante inicia una etapa de maduración o reposo en el que se hidratan todos los componentes a una temperatura de 4 a 6 °C durante 24 horas.

“Por último llevamos esta mezcla a una máquina para batir el helado. Allí, por medio de agitación y frío, la textura pasa de sólida a semisólida y se le agrega aire, teniendo en cuenta que un helado normal tiene entre 25 y 35 % de aire. Finalmente la almacenamos a -25 °C para que se endurezca”.

El reto en la elaboración de los helados es la estabilidad de las emulsiones, pues se requiere que la grasa, el agua y el aire se comporten como una mezcla sostenida en el tiempo.

“Con el almidón de yuca modificado (Gel®Tex Dh) solucionamos este problema, pues la grasa se redujo y alcanzamos un 15 % más de rendimiento por kilogramo de mezcla”, agrega la líder López.

Así mismo, gracias a él, fue posible reducir en un 7 % el uso de grasas para elaborar el helado, y además se alcanzaron reducciones entre el 30 y el 40 % en los costos de producción.

La mezcla de helado bajo en grasa obtenido en el proyecto se evaluó sensorialmente y tuvo características muy similares a las premezclas comerciales. Además, fue un proyecto financiado por la UNAL (UN Innova) con el fin de mejorar la relación entre la Universidad y el sector productivo, e impactar a la sociedad colombiana por medio de la innovación.

 

Residuos de papa, materia prima para generar combustibles limpios

 En Facatativá (Cundinamarca) se adelanta un proyecto mediante el cual –por primera vez en el país– se están transformando los residuos de papa sabanera en butanol, solvente orgánico que busca reemplazar el etanol en la mezcla de combustibles fósiles.

El profesor Carlos Alberto Guerrero, de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), explica que “la principal ventaja del butanol con respecto al etanol es su capacidad de mezclarse con la gasolina a una concentración mucho mayor, de hasta 85 %, sin requerir ninguna modificación en los motores diseñados para gasolina o diésel”.

Aunque en Colombia se siembran unas 130.000 hectáreas de papa, que producen alrededor de 2,8 millones de toneladas al año, no todas llegas al mercado; aquellas que no cumplen con estándares de calidad para el consumo, como el tamaño o la forma, o que tienen rastros de plagas, se convierten en residuos que son un problema para los productores.

Un grupo de científicos de la Facultad de Ciencias de la UNAL Sede Bogotá y de la Universidad de Cundinamarca encontraron que las papas rechazadas son una materia prima idónea para elaborar solventes orgánicos –líquidos que se pueden mezclar con la gasolina, como el butanol–, y además se utiliza como disolvente de pinturas, lacas, barnices, resinas naturales y sintéticas, gomas, aceites vegetales, tintes y alcaloides.

En la actualidad no existen en el país estudios sobre las pérdidas de papa durante las labores de cosecha; sin embargo, si esta es similar a la de otros países, oscilaría entre el 17 y 25 %, lo que representaría hasta 181.614 toneladas al año.

Muchas veces los agricultores utilizan las papas rechazadas como compost, es decir que vuelven a poner trozos en el suelo para que genere nutrientes, pero si esta técnica no se implementa bien se pueden producir hongos y daños en las plantas, además de abrir la posibilidad de que lleguen roedores.

El profesor Guerrero, líder del grupo de investigación Aprovechamiento Energético de Recursos Naturales (Aprena), indica que “los residuos de papa representan una alternativa ambiental muy prometedora, mediante la cual los cultivadores le pueden generar un importante valor agregado al tubérculo, además de que las economías de mundo afrontan el reto de reducir la dependencia global de los combustibles fósiles.

Por fases

Para transformar la papa en butanol se adelanta un proceso de tres fases: en la primera se escogen y recolectan los residuos del tubérculo en cultivos del municipio y se llevan al laboratorio, en donde se hacen cortes para obtener trozos pequeños.

La siguiente fase consiste en aplicar hidrólisis, reacción química en la que, por medio de agua caliente (sin que llegue a hervir), se extrae el almidón de la papa, molécula fundamental por sus azúcares, necesarios para continuar el proyecto.

Luego se utilizan dos enzimas: amilasa y amiloglucosidasa, que trabajan sobre el almidón y rompen su estructura para obtener los carbohidratos simples presentes allí, teniendo como principal objetivo extraer glucosa.

Este azúcar es la materia prima del siguiente paso: una fermentación llamada ABE, sigla que indica los productos que son solventes orgánicos  (acetona, butanol y etanol), por medio de bacterias tipo Clostridium.

De estos microorganismos, que se encuentran en los suelos de los cultivos y en las raíces de las plantas, y que por medio de un caldo de nutrientes –como el agar nutritivo, que favorecen su reproducción– se toman muestras en el suelo y raíces para aislar el tipo de bacteria útil para este estudio de producción de butanol.

Por ahora las fases se adelantan en procesos separados, mientras se identifican con precisión las bacterias; más adelante se pueden llevar a fermentar la glucosa para generar butanol, solvente que se puede combinar en mayor proporción con combustibles fósiles.

Las especies más investigadas en la bibliografía sobre este tema han sido: C. acetobutylicum, C. beijerinckii y C. pasteurianum.

Se ha encontrado que el 55 % de la producción de solventes por medio de este proceso es butanol, por lo que es un método que permite obtener buenas cantidades del solvente, en contrastado con el 25 % de acetona y etanol, que no son igual de productivos por medio de esta técnica.

“La investigación se hace a nivel de laboratorio, y el propósito de los resultados es hacer un escalamiento haciendo pruebas en motores en los que se mezcle el butanol con gasolina; es probable que se hagan en la Universidad con otros grupos de investigación o con el SENA”, explica el profesor Guerrero.

Concluye diciendo que “desde la Universidad podemos ayudar a capacitar a estas regiones para se utilicen procesos sencillos y mejorar el aprovechamiento de los residuos de la papa”.