Obtención de Etanol a partir de la Borra de Café

Abstract

Esta investigación plantea el aprovechamiento biotecnológico de la borra de café, generada masivamente como subproducto de desecho en las industrias de café soluble, en la obtención de etanol a partir del componente celulósico de la borra deslignificada enzimáticamente y contribuye con metodologías innovativas en la solución de la contaminación ambiental que ocasiona este residuo y su recuperación actual por el carácter contaminante de los procedimientos disponibles. Inicialmente se caracterizó químicamente la borra de café, encontrando como principales componentes lignina en 35,17%, celulosa en 33,46% y extractivos en 30,38%. La recuperación y el aprovechamiento del contenido celulósico se realizó por deslignificación enzimática y por sacarificación - fermentación simultánea del material deslignificado. Las enzimas ligninolíticas se obtuvieron en extractos de fluidos extracelulares parcialmente purificados, de los organismos con mayor potencial de degradación microbial de contaminantes ambientales recalcitrantes, el hongo P. chrysosporium BKM-F1767 y la bacteria S. viridosporus T7A en condiciones In vitro de inducción y crecimiento regular. Los extractos del hongo y la bacteria se cuantificaron tanto gravimétrica como bioquímicamente, obteniendo respectivamente 95 mg y 0,1226 U/mg proteína de actividad enzimática, 750 mg y 232,70 U/mg de proteína, para los respectivos organismos. En la deslignificación se evaluaron tres relaciones de concentrado bacteriano (1,94 mg/g , 0,90 mg/g y 0,65 mg/g) y las remociones de lignina fueron de 9,78%, 21,87% y 20,34% respectivamente; siendo revalidadas con la cuantificación de lignina hidrosoluble recuperada de los tratamientos. Cantidades iguales de borra sin deslignificar (control de deslignificación) y con el mayor grado de remoción de lignina, se sometieron a sacarificación y fermentación simultánea con el complejo celulolítico Econase y la levadura termotolerante S. cerevisiae D5A, mediante la dosificación del complejo en términos de su actividad celulolítica total (10 IFPU/g y 20 IFPU/g) y en porcentaje (2% y 5%). La obtención de etanol estuvo asociada únicamente con la deslignificación de la borra, produciendose las máximas concentraciones volumétricas el día 4 con 27,84%, 21,89% y 25,81% con las dosificaciones de 10 IFPU/g de celulosa, 2% y 5%, respectivamente; concluyendose que la borra puede ser aprovechada biotecnologicamente, mediante deslignificación enzimática bacteriana y sin la generación de efluentes contaminantes en la obtención de etanol por hidrólisis celulolítica y fermentación etanologénica simultánea

Abstract: This study deals with the biotechnological use of spent coffee grounds (SCG), produced at the industrial coffee brewing stage in the instant coffee making industry, for ethanol production by a sequential biological delignification pretreatment and further simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process. A primary chemical characterization of SCG was carried out to establish major lignocellulosic components; the highest compositions were 35.17% wt for total lignin (quantified as soluble and insoluble lignin) and cellulose 33.46% wt. Other components found in SCG were extractives (30.38% wt) and ash in minor proportion. The cellulosic content was targeted specifically at enzyme saccharification by releasing it from lignin by using ligninremoving enzymes previously obtained from the fungus P. chrysosporium BKM-F1767 and the bacterium S. viridosporus T7A. Ligninolytic enzymes from the fungus and the bacterium were produced by induction with veratryl alcohol and by regular growth, respectively. Isoenzymes from P. chrysosporium showed the highest ligninolytic activity (232.70 U/mg protein) with respect to S. viridosporus (0.1226 U/mg protein). Delignification was carried out using enzyme ratios of 1.94 mg/g, 0.90 mg/g and 0.65 mg/g of SCG previously conditioned, obtaining effective lignin removals of 9.78%, 21.87% and 20.34% of the total lignin content in the treated material, respectively. In each case, delignification grade was validated by quantification of acidprecipitable polymeric lignin produced after enzyme treatment. SCG with the lowest residual lignin content was used as raw material for SSF process, employing simultaneously the cellulolytic complex Econase at dosages of 10 IFPU/g and 20 IFPU/g cellulose, 2% and 5% wt in the reaction mixture with a typical size inoculum of the thermotolerant yeast S. cerevisiae strain D5A from National Renewable Energy Laboratory. The SSF treatments were run during 120 h at 37C and pH 4.5 which were operation conditions synergistically suitable for both cellulolytic enzymes and fermentative microorganism. The highest ethanol yield of 27.84% (by volume) was obtained using 10 IFPU/g at 96 h and the lowest one (21.8%) was reached by a complex dosage of 2%. However, no ethanol production was found for SCG treated by SSF with no previous delignification step leading to conclude that enzyme delignification improve substantially the spent coffee digestibility for further enzyme saccharification, and SCG is a promising raw material for ethanol production by unified SSF configuration