La setmana passada (39/2024) vèiem un exemple d’aplicació de la fusta de mimosa comuna com a material de partida per aconseguir lignina de qualitat. És aquest un exemple d’economia circular: valoritzar el residu d’una activitat com a matèria primera d’una altra. Juan Cubero-Cardoso, del Instituto de la Grasa, de Sevilla, treballa sobre bioprocessos aplicats a l’economia circular de l’oli d’oliva. Un dels residus de la producció d’oli d’oliva és el residu sòlid del molí d’oli (OMSW en l’acrònim anglès). Cubero-Cardoso et al. expliquen en un article a New Biotechnology la importància de la temperatura a la qual es tracta d’inici aquest residu. Concretament, ells assagen una temperatura moderada de 65 °C i una alta de 180 °C, les més habituals a les que treballa la indústria que gestiona aquest residu. Cubero-Cardoso et al. contemplen dos bioprocessos anaeròbics, un de digestió (AD) i un de fermentació (AF). La digestió cerca la conversió del residu en biogàs (fonamentalment, metà, CH4) i la fermentació condueix a la generació d’àcids grassos volàtils (VFA). En termes de rendiment de metà, el tractament a 65 °C no difereix gaire d’un residu no tractat tèrmicament, amb valors de 195 ± 8 mL CH4/g sòlid volàtil. Això s’explicaria per una semblant solubilització i degradació dels metabòlits del residu. A altes temperatures el rendiment de metà es fa inferior en la fase líquida (85 ± 10 mL CH4/g VS), per un efecte combinat de la temperatura i de l’addició d’àcid; en canvi, la fase sòlida manté el rendiment de metà. El tractament amb alta temperatura facilita, d’altra bada, una major bioconversió a àcids grassos volàtils, passant-hi del 10% al 27%. Aquesta major bioconversió es tradueix en una menor proporció final d’àcid propiònic i una major d’àcid acètic. Cubero-Cardoso et al. pensen que la digestió anaeròbia és més adient per l’OMSW cru, encara que també es pot utilitzar la fase sòlida de l’OMSW tractat a alta temperatura. La fermentació anaeròbia, en canvi, seria la millor per a tractar la fase líquida de l’OMSW pretractat a alta temperatura.
//embedr.flickr.com/assets/client-code.js
La producció d’oli d’oliva a la Conca Mediterrània genera una sèrie de residus. Cubero-Cardoso et al. estudien el potencial del residu sòlid del molí d’oli com a matèria primera en bioprocessos anaeròbics de producció de metà i àcids grassos volàtils. Un tractament a baixa temperatura afavoreix una alta concentració de sucre. A més alta temperatura hi ha una major concentració de compostos fenòlics. Així doncs, el tractament tèrmic del residu influeix en el procés anaeròbic ulterior. La producció de metà, en concret, és influïda per la concentració de compostos fenòlics i de furans, i el perfil d’àcids grassos volàtils dependrà també de la temperatura inicial de tractament del residu.
Residus del molí d’oli
Juan Cubero, del Instituto de la Grasa (CSIC-Sevilla) i del Instituto del Agua de la Universidad de Granada, ha participat en la redacció de l’article, la supervisió, la metodologia, la investigació, l’anàlisi formal, l’obtenció de dades i la conceptualització.
Guillermo Rodríguez-Gutiérrez (Instituto de la Grasa) ha participat en la redacció de l’article, la supervisió, la investigació, l’adquisició de fons, l’anàlisi formal, l’obtenció de dades i la conceptualització.
María África Fernández-Prior, del Instituto de la Grasa i del Departamento de Bioquímica Médica, Biología Molecular i Inmunología de la Universidad de Sevilla, ha participat en la redacció de l’article, la metodologia, la investigació, l’anàlisi formal i l’obtenció de dades.
Ángeles Trujillo-Reyes (Instituto de la Grasa de Sevilla i Instituto del Agua de Granada) ha participat en la redacció de l’article, la metodologia, la investigació, l’anàlisi formal, l’obtenció de dades i la conceptualització.
Mercedes Llamas (Instituto de la Grasa) ha participat en la redacció de l’article, la metodologia, la investigació i l’anàlisi formal.
Aquesta recerca es finançà amb incentius del Pla Andalús de Recerca, Desenvolupament i Innovació (PAIDI 2020). Juan Cubero Cardoso i África Fernández-Prior són investigadors Juan de la Cierva, programa co-finançat pel Ministerio de Ciencia, Investigación y Universidades i NextGenerationEU.
L’article fou tramès a la revista New Biotechnology el 2 de juliol. Després d’una revisió conclosa el 6 de setembre, l’article fou acceptat el 28 i publicat el 30.
La producció mundial anual d’oli d’oliva és de 3 milions de tones, el 90% de les quals es produeix a la regió mediterrània. En l’esquema clàssic considerem que l’oli d’oliva és el producte de la indústria oleícola, i que la resta són residus. Així entenem l’OMSW, sigles del residu sòlid de molí d’oli. Per cada 200 grams d’oli d’oliva es genera 800 grams d’OMSW.
L’OMSW és, no obstant, més semi-sòlid que sòlid, car té una humitat del 60-70%. És integrat per polpa d’oliva, pinyols i aigua de vegetació. És ric en material lignocel·lulòsic (que hi suposa el 30-35% de la massa) i en antioxidants. L’abundància en matèria orgànica també implica un caràcter altament fitotòxic, degut a la presència de compostos fenòlics, triterpens, etc. Aquesta fitotoxicitat fa que calgui un tractament previ en la mateixa planta.
A Espanya l’OMSW es genera en el sistema d’extracció d’oli d’oliva en dues fases. Des del punt de mira legal ja no se’l considera un residu sinó un ‘subproducte’ en atenció a l’interès potencial dels seus components. Habitualment s’hi aplica un pre-tractament termal per tal de facilitar l’accessibilitat i solubilització dels compostos més valuosos. Un d’aquests pre-tractaments termals es fa amb l’ús directe o indirecte de vapor, i s’hi arriba a una temperatura de 180 °C. Una altra alternativa és un tractament de termo-malaxació per escalfament indirecta, on s’hi arriba a una temperatura de 65 °C. Actualment, aquest tractament a 65 °C és el més habitual en la indústria.
En el context actual, els molins d’oli tendeixen a preferir olives amb un baix índex de maduresa, ja que això facilita l’obtenció d’olis d’alta qualitat. Aquesta preferència es fa en detriment del rendiment de greix. Per compensar-ho recentment s’ha introduït el tractament de pressió d’olives a baixa temperatura.
El grup de Cubero-Cardoso treballa en bioprocessos anaeròbics com a mètode de gestió de residus orgànics. Les tendències actuals de la indústria oleícola condueixen a un residu en el que la matèria orgànica es troba més accessible per a aquests bioprocessos. Els bioprocessos, d’una banda, redueixen l’impacte ambiental del residu, i de l’altra en permeten una valoració a través de bioproductes d’interès.
En termes generals un bioprocés anaeròbic passa per una sèrie d’etapes:
– inicialment hi ha una hidròlisi de la matèria orgànica complexa, amb generació de molècules més petites i de metabòlits intermedis (àcids grassos volàtils, lactat, etanol, etc).
– aquests metabòlits es poden transformar en biogàs, integrat per metà (CH4), diòxid de carboni (CO2) i hidrogen (H2).
El metà (CH4) pot utilitzar-se com a vector energètic. Els àcids grassos volàtils (VFA) poden servir com a matèria primera en la indústria química de síntesi.
El bioprocés anaerobi depèn del consorci de microorganismes que hi participin. Els microorganismes metanògens són especialment sensibles a les condicions ambientals. A més tenen una taxa de creixement inferior a la dels bacteris hidrolític/acidogènics.
Si hom vol aconseguir un bioprocés anaerobi que generi CH4, és a dir una digestió anaeròbia (AD), cal que les condicions operatives siguin suaus, amb temperatures de 35°C, pH neutre, llarg temps de retenció hidràulica, baixa taxa de substrat/inòcul, etc.
Si hom prefereix un bioprocés anaerobi que generi VFA, és a dir una fermentació anaeròbia (AF), cal establir condicions que inhibeixen la població microbiana metanogènica (que, altrament, degradarien els VFA fins a CH4). La temperatura ha de ser més baixa (25 °C), el pH acídic, el temps de retenció hidràulica curt, la taxa de substrat/inòcul alta, etc.
L’alt contingut lignocel·lulòsic del OMSW el fa un material recalcitrant, és a dir amb una matèria orgànic por accessible per als microorganismes. El tractament hidrotermal facilita aquesta accessibilitat. Per exemple, les altes temperatures poden convertir una material del material lignocel·lulòsic en furans (furfural, 5-hidroximetilfurfural). Cubero-Cardoso et al. treballen amb pre-tractaments hidrotermals o bé de temperatura moderada (65 °C) o bé de temperatura severa (180 °C), complementats amb l’addició d’àcid. Contemplen bioprocessos de degradació i de fermentació, que avaluen en termes de rendiment de metà i producció i perfil de VFA.
Condicions experimentals
Com a inòcul, Cubero-Cardoso et al. empren un fang anaeròbic recollit del digestor anaeròbic de la planta de tractament d’aigües residuals de ‘Copero’, a Sevilla. Aquest fang té un pH = 7,2 ± 0,1; una alcalinitat de 7803 ± 414 mg CaCO3/L; un contingut sòlid de 37252 ± 228 mg/kg; un contingut volàtil de 20696 ± 114 mg/kg; una demanda química total d’oxigen de 30281 ± 1133 mg O2/kg; una demanda química d’oxigen soluble de 4043 ± 355 mg O2/kg; i uns compostos fenòlics total de 50 ± 5 mg gallic acid eq./L.
L’OMSW procedia del mateix Instituto de la Grasa. L’extracció d’oli d’oliva es feia en condicions fredes, a una pressió de 0,69 MPa, durant 10 minuts. L’OMSW es guardava a −20 °C.
Els tractaments tèrmics de l’OMSW es feien en un reactor de 100 L de capacitat:
– un tractament a baixa temperatura sense vapor: consistia en tractar 10,58 kg d’OMSW a 65 °C durant 120 minuts sense àcid. En resultaven 8,67 kg de material.
– un tractament a alta temperatura amb injecció de vapor: 5,35 kg de material foren tractats a 180 °C amb una solució d’àcid sulfúric 2,5% durant 60 minuts. Seguidament la barreja era refredada fins a 50 °C i centrifugada a 4700xg (en una centrifugadora de la casa barcelonina Comteifa S.L.). La centrifugació permetia separar una fase líquida (de 16,56 kg) i una fase sòlida (1,57 kg).
Els experiments de bioprocés anaerobi es feien per triplicat en flascons Erlenmeyer de 250 mL de capacitat, per bé que el volum de treball era de 240 mL. A cada flascó s’afegien 2 g de sòlids volàtils de l’inòcul.
En els experiments de control no s’hi afegia OMSW.
La digestió anaeròbia (AD) es feia a 37 °C, a un pH de 7,5 i una relació inòcul:substrat de 2:1. Aquestes condicions foren fixades en estudis previs encaminat a la producció de metà.
La fermentació anaeròbia (AF) es feia a 37 °C, a un pH de 4,5 i una relació inòcul:substrat de 2:1. Aquestes condicions foren seleccionades en un treball previ.
Els reactors eren segellats. L’espai de cap de pot era purgat amb gas nitrogen al començament de cada prova. Amb una puça magnètica es mantenia el contingut en agitació amb una velocitat de 150 rpm.
Al cap de 21 dies els reactor havien assolit l’estabilitat en termes de generació de biogàs o de concentració de VFA. El volum de metà era mesurat durant aquest període per desplaçament de líquid: el biogàs es feia passar per una solució de NaOH 2N, assumint que el CO2 hi seria retingut i tan sols hi romandria CH4.
Els VFA mesurats eren l’àcid acètic (HAc), l’àcid propiònic (HPro), l’àcid iso-butíric (iHBu), l’àcid butíric (HBu), l’àcid iso-valèric (iHVal) i l’àcid valèric (HVal).
L’efluent de cada experiment era centrifugat a 21496xg durant 5 minuts, i després filtrat a través d’una membrana de niló de 0,45 µm.
Pel que fa a la fase sòlida de cada experiment se’n prenien 20 grams que es combinaven amb 160 mL d’aigua destil·lada. Després de 24 hores d’agitació, la mostra era centrifugada i filtrada com l’efluent.
Analitzaven dels efluents el pH, l’alcalinitat, els sòlids totals, els sòlids volàtils i les demandes d’oxigen.
Per a l’anàlisi de compostos fenòlics, 10 g de mostra (líquida o sòlida) eren exposats a 20 mL d’una solució hidrometanòlica al 80% durant 1 hora a 70 °C. Després la solució era microfiltrada en niló i s’hi aplicava el mètode espectrofotomètric de Folin-Ciocalteu. Els sucres totals eren valorats pel mètode colorimètric d’antrona.
Els VFAs, entesos com a àcids grassos de cadenes de 2-5 àtoms de carboni, eren analitzats per cromatografia de gasos acoblada a un detector de ionització de flama.
Els compostos fenòlic eren analitzats per cromatografia líquida (HPLC).
L’efecte del tractament tèrmic sobre l’OMSW
El tractament tèrmic a 65 °C no afecta el pH, però sí redueix el contingut sòlid i la demanda d’oxigen. Augmenta el contingut de VFA, particularment d’àcid acètic. També augmenta el contingut de sucres totals, presumiblement per hidròlisi d’hemicel·lulosa. Cau el contingut de compostos fenòlics totals, i augmenta la proporció de compostos fenòlics solubles.
El tractament tèrmic a 180 °C amb addició d’àcid té un impacte sobre l’OMSW. Hi ha una acidificació, una pèrdua substancial de matèria orgànica, una major solubilització de la matèria orgànica romanent. Augmenta el contingut de sucres, que creixen en la fase líquida. També augmenten els compostos fenòlics, particularment en la fase líquida. Hi ha formació de 5-hidroximetilfurfural (HMF) i de furfural, indicatius de degradació de cel·lulosa i hemicel·lulosa.
La digestió anaeròbia
L’OMSW cru presenta un rendiment de metà de 200 ± 15 mL CH4/g VS. Aquest rendiment baix s’explicaria per l’alt contingut de greix de l’OMSW (12%), que pot inhibir la metanogènesi.
Aquest rendiment es manté en el cas de l’OMSW tractat a 65 °C o en la fase sòlida tractada a 180°C. Encara pitjor és la situació de la fase líquida tractada a 180°C, on el rendiment cau a 85 ± 10 mL CH4/g VS, possiblement per l’acció inhibitòria de l’HMF.
La fermentació anaeròbia
El pre-tractament de l’OMSW és crucial per assolir una bioconversió alta de la biomassa en VFA. La major bioconversió s’observa en la fase líquida de l’OMSW tractat a 180°C. En aquestes condicions un 80% dels VFA són àcid acètic.
Vers l’economia circular
Cubero-Cardoso et al. mostren que l’OMSW cru es podria destinar a la degradació anaeròbica. En canvi, l’OMSW pre-tractat a altes temperatures seria un bon substrat, especialment la fase líquida, per a la fermentació anaeròbica.
Lligams:
– Assessing the potential of olive mill solid waste as feedstock for methane and volatile fatty acids production via anaerobic bioprocesses. Juan Cubero-Cardoso, Mercedes Llamas, Ángeles Trujillo-Reyes, África Fernández-Prior, Guillermo Rodríguez-Gutiérrez. N Biotechnol. (2024)
Des de la Mediterrània 