BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL. UNA ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES EN LA INDUSTRIA LACTEA EN EL DEPARTAMENTO DE NARIÑO

Elaborado por:

ANA CAROLINA TARAPUES QUIROZ

MARIA EMMA RUA

NATALIA BORJA LEON

UNIVERSIDAD DE MANIZALES

FACULTAD DE CIENCIAS CONTABLES, ECONOMICAS Y ADMINISTRATIVAS

MAESTRIA EN DESARROLLO SOSTENIBLE Y MEDIO AMBIENTE

2015

BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL. UNA ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES EN LA INDUSTRIA LACTEA EN EL DEPARTAMENTO DE NARIÑO

Elaborado por:

ANA CAROLINA TARAPUES QUIROZ

MARIA EMMA RUA

NATALIA BORJA LEON

Presentado al Doctor:

Candidato a Doctor Carlos Arturo Granada

UNIVERSIDAD DE MANIZALES

FACULTAD DE CIENCIAS CONTABLES, ECONOMICAS Y ADMINISTRATIVAS

MAESTRIA EN DESARROLLO SOSTENIBLE Y MEDIO AMBIENTE

2015

INTRODUCCIÓN

En Nariño se han identificado doce cadenas productivas, siendo las más importantes la

papa, los lácteos, las fibras naturales, la marroquinería y la caña panelera (en la región

andina), así como la pesca, la palma africana, el turismo y el cacao (en la región pacífica).

Otra actividad a destacar es la cría de curíes o cuy, de amplio arraigo en la cultura culinaria

nariñense. (Hoz, 2007)

El sector lácteo en el departamento de Nariño contribuye a la competitividad regional

generando empleo e ingresos, para un 70% de la población articulando claro está los

diferentes eslabones de la cadena láctea en el municipio de Pasto. (Orjuela, 2013)

La industria alimentaria es uno de los sectores productivos que mayor impacto tiene sobre

el medio ambiente, bien sea por sus procesos productivos o por los diferentes artículos

que salen al mercado, este el caso de la industria láctea donde la contaminación se da por

la gran cantidad de empaques que genera y los residuos líquidos que se producen, los

cuales son inherentes al proceso productivo. Algunos efluentes de la industria láctea forman

parte de los contaminantes más severos que existen, tal es el caso del suero de leche, un

subproducto de la manufactura de quesos, caseína, caseinatos, y mantequilla (Carrillo A,

2002).

PROBLEMÁTICA AMBIENTAL INDUSTRIA LÁCTEA

Una empresa dedicada a la producción de derivados lácteos entre ellos quesos, usa 60.377

litros de leche fresca para la producción de quesillo, queso campesino, queso doble crema

y queso mozarella, lo que genera 54.339 L de suero de leche representando el 90% de la

leche utilizada. Este subproducto se ha convertido en una fuente de contaminación para el

recurso hídrico del departamento debido a la gran cantidad de micro, medianas y pequeñas

empresas que generan este tipo de residuos y que en su gran mayoría no cuentan con un

sistema de tratamiento de aguas residuales, lo que significa que esta cantidad de residuos

líquidos llegan a las fuentes de agua sin ningún tipo de tratamiento ocasionando efectos

negativos sobre los ecosistemas y población aledaña a las industrias lácteas.

Una estrategia adoptada por pequeñas industrias lácteas es donar este residuo a criaderos

de cerdos, opción válida pero la cual presenta algunos inconvenientes como por ejemplo

disponibilidad de trasporte para llevar el residuo a las granjas, la cantidad de residuos

producidos supera la cantidad requerida para alimentación animal; por lo tanto esta práctica

no soluciona el problema de aguas residuales.

En otro escenario las aguas residuales son vertidas sin ningún tratamiento al suelo,

sistemas de alcantarillado y fuentes de agua, causando efectos devastadores sobre el

medio ambiente debido a la cantidad de lactosa, proteínas, grasas que están presentes en

el suero de leche principal componente de las aguas residuales de la industria láctea.

Con la finalidad de disminuir el problema de la contaminación, es necesario depurar el suero

lácteo antes de descargarlo en un afluente o suelo. Los costos de tratamiento de la mayoría

de los sistemas utilizados en la actualidad son relativamente altos, por lo cual las empresas

familiares que realizan esta actividad por tradición, las micro, medianas y pequeñas

empresas no pueden acceder a la tecnología disponible para el tratamiento de aguas

residuales. Por lo tanto es necesario estudiar alternativas biotecnológicas para tratar este

subproducto y darle un valor agregado, lo que haría que el sistema no sea un gasto o un

requerimiento para cumplir con la normativa existente, sino un proceso llamativo que genera

un producto de valor agregado.

ALTERNATIVAS BIOTECNOLOGICAS

Se plantea la biorremediación como alternativa para depurar aguas residuales, esta técnica

puede ser utilizada por cualquier empresa, debido que es una estrategia relativamente

barata y a largo plazo más sostenible, ya que utiliza la habilidad natural que tiene los

microorganismos para metabolizar un amplio espectro de contaminantes orgánicos.

(Centro de actividad regional para la producción limpia, 2003)

Producción de polihidroxialcanoatos

Una alterntiva de biorremediación es el tratamiento de aguas residuales con bacterias

productoras de polihidroxialcanoatos, la producción biotecnológica sostenible de los

polihidroxialcanoatos a partir de recursos renovables es una alternativa a la producción de

poliéster química de los aceites minerales. Los polímeros producidos son biodegradables,

y debido a sus características se pueden utilizar para la producción de materiales de

embalaje. Muchos microorganismos procariotas diferentes son conocidos para acumular

polihidroxialcanoatos intercelularmente bajo condiciones de crecimiento limitante; algunos

de ellos son capaces de producir copoliésteres a partir de precursores añadidos al medio

de producción (Braunegg et al., 2004), como por ejemplo Waustetersia eutropha ATCC

17699, que producen granulos internos de PHA, tienen un elevado consumo de sustratos

a base de lactosuero y alta concentración celular, lo cual hace que estos se perfilen como

los mas adecuados para la obtención de PHA usando como medio de cultivo lactosuero.

(Súarez, 2005)

Otra bacteria capaz de sintetizar polihidroxialacanoatos es la bacteria termofila Thermus

thermophilus HB8, capaz de utilizar la lactosa a partir de medios a base de suero para la

biosíntesis de polihidroxialcanoatos (PHAs) bajo limitación de nitrógeno. T. thermophilus

puede utilizar tanto, glucosa y galactosa y los productos de la hidrólisis de lactosa. Cuando

T. thermophilus HB8 se hizo crecer en medios de cultivo que contienian 24% (v / v) de suero

de leche, se acumuló PHA hasta 35% (w / w) de su biomasa después de 24 h de cultivo,

por lo cual se puede concluir que el suero de leche podría ser un excelente sustrato para la

producción de heteropolímeros con propiedades únicas (Pantazaki et al., 2009).

Koller et al., en el 2008 hidrolizó enzimáticamente el suero de leche para separar su fuente

principal de carbono, lactosa, glucosa y galactosa. Los productos de hidrólisis fueron

elegidos como fuentes de carbono para la producción de ácido poli-3-hidroxibutírico (PHB)

por Pseudomonas hydrogenovora. En experimentos en biorrectores con agitación, se utilizó

suero de leche como un sustrato barato y se comparó con la utilización de la glucosa y

galactosa pura para el crecimiento bacteriano en condiciones equilibradas, así como para

la producción de PHB bajo limitación de nitrógeno. Aquí se determinó que la utilización de

suero de leche hidrolizado resultó ser ventajosa en comparación con la utilización de

azúcares puros.

En el Departamento de Bioingeniería de la Universidad de la República de Uruguay se

investiga la producción de polihidroxialcanoatos desde hace ya varios años. Esto ha sido

posible por la financiación obtenida a través de un proyecto PDT (Programa de Desarrollo

Tecnológico) y dos proyectos ANII (Agencia Nacional de Investigación e Innovación) del

Fondo María Viñas modalidad III, y por la colaboración con grupos de investigación del

IIBCE (Instituto de Investigaciones Biológicas Clemente Estable), además del trabajo

desarrollado por estudiantes de pasantías y tesinas. En este tiempo se ha estudiado a nivel

de laboratorio la producción de PHB de diferentes microorganismos, utilizando medios de

cultivo en base a residuos agroindustriales como el suero de leche y glicerol. Se han

utilizado microorganismos provenientes de colecciones internacionales, así como propios.

(Saravia, 2013)

En Ciudad de México, el proyecto LIFE y Wheypack de la Unión Europea anunció que

desarrollarán envases biodegradables a partir de suero de leche, para reducir su emisión

de contaminantes al medio ambiente por uso de petroquímicos. El proyecto es coordinado

por la Asociación de Investigación de la Industria Agroalimentaria española, a partir de la

creación de polihidroxibutirato (PHB), el material que se genera por medio de

microorganismos, que fermentan el suero. Actualmente, el segmento de envases

biodegradables representa sólo 1% del mercado, pero tiene altas proyecciones de

crecimiento, la Unión Europea estima que crecerás de 1.2 millones de toneladas de 2011 a

5.8 millones de toneladas en 2016. En el mercado ya existen algunos envases

biodegradables creados a partir de ácido poliláctico (PLA) derivado, principalmente, de maíz

amarillo y de almidón de papa, y los polihidroxialcanoatos (PHA), generados a partir de

bacterias que almacenan compuestos de carbón. (Chacón, 2014)

Producción de biocombustibles

Otra alternativa para el tratamiento de aguas de la industria láctea es el cultivo de

microalgas para la producción de biocombustibles, esto permitirá reducir los costos de

producción de biocombustibles a partir de microalgas, debido que se utiliza aguas ricas en

nutrientes, para lo cual se somete a tratamiento las aguas residuales, lo cual se debe

realizar de modos y tiene un costo económico, mediante cultivos de microalgas que depure

el agua, que permita aprovechar energéticamente la biomasa producida y la acumulación

de lípidos en el interior de las células. (Joan García, 2012)

Isabel Espinoza Gonzales et al., (2014) propone una nueva alternativa para la utilización de

suero de leche como materia prima para la producción de lípidos y biomasa de microalgas

Chlorella protothecoides. La glucosa y la galactosa del suero de leche pre-hidrolizado se

utilizaron como fuentes de carbono principales en un medio mineral de base para el

establecimiento de baches y cultivos discontinuos alimentados. Donde los cultivos en

baches alcanzaron una producción de biomasa de 9,1 ± 0,2 g / L, con una acumulación de

lípidos total de 42,0 ± 6,6% (peso seco), mientras que en los cultivos discontinuos

alimentados 17,2 ± 1,3 g / l de biomasa, con la acumulación de lípidos 20,5 ± 0,3% (peso

seco). Una tercera estrategia para la utilización directa del suero de leche fue la

sacarificación y fermentación simultáneas (SSF), en donde, se obtuvo 7,3 ± 1,3 g / L de

biomasa con la acumulación de lípidos 49,9 ± 3,3% (base de peso seco) en el modo por

lotes utilizando inmovilizada enzima.

Para la producción de biocombustibles en especial Etanol, el suero de leche en polvo

materia prima atractiva, ya que es la forma concentrada del suero de leche y contiene

lactosa, además de nitrógeno, fosfato y otros nutrientes esenciales. El suero de leche en

polvo se utilizó como medio de fermentación para la producción de etanol por

Kluyveromyces fragilis. Donde se concluye que la concentración de lactosa inicial tuvo un

efecto significativo sobre la producción de etanol, lo que se ve reflejado en la formación de

producto a medida que aumentaba la concentración inicial de sustrato (Dragone et al.,

2011).

Producción de ácido citrico

Otra alternativa para el uso o tratamiento del lactosuero o suero de leche, es la producción

de acido citrico por medio de un proceso de fermentación con hongos del geneno

Aspergillus, con miras a su aprovechamiento y a la reducción del impacto ambiental que

causan los vertimientos de este subproducto en los cursos de agua. En este tratamiento se

han probado cepas de: A. carbonarius NRRL 368, A. carbonarius NRRL 67 y A. niger NRRL

3. (Sánchez, 2007).

CONCLUSIONES

Teniendo en cuenta lo anteriormente mencionado, se concluye que en el municipio de Pasto

es necesario iniciar a trabajar en el ámbito de la biotecnología como estrategia para el

tratamiento de aguas residuales con mira a generar productos con altos valores agregados

como lo son: polihidroxialcanoatos o biopolímeros, biocombustibles, ácido cítrico, entre

otros, los cuales seria la materia prima de otros procesos productivos.

Los productos obtenidos a partir de desarrollo biotecnológico aplicado al tratamiento de

aguas residuales de la industria láctea sustituyen productos comerciales los cuales son el

resultado del procesamiento de diferentes recursos naturales, por lo tanto el uso de estas

tecnologías aporta a la conservación de la biosfera.

La producción de polihidroxialcanoatos, biocombustibles y ácido cítrico, hace que el

tratamiento de aguas residuales tenga doble propósito, uno depurar el agua residual y el

segundo generar productos con gran valor social, científico y ambiental.

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