Revista icidca vol 46 no3 2012 by Revista ICIDCA

Tabla de Contenido

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar Volumen 46 - No. 3 – sept.-dic. - 2012 Metodología para la realización de ensayos de aptitud en el sector azucarero Proficiency test methodology for sugar industry Jesús Mesa-Oramas, Armando Perdomo-Morales, Fernando Fernández-Alvarez, Julián Rodríguez-López, Eduardo Casanova-Cabeza

Obtención de biomateriales derivados de ácido láctico emplean-do métodos no convencionales de síntesis Obtainment of biomaterial derived of lactic acid using non-conventional methods of synthesis Adolfo Brown-Gómez, Humberto Vázquez-Torres, Cristian Jacques-Bolner, Liván Alba-Gutiérrez, Jorge L. García-González

Organización para la puesta en marcha de una planta para la producción del bionutriente Fitomas –E Start up organization for a bio-nutrient Fitomas- E plant. Tania García-Martínez, José Villar-Delgado, Marlen Ramil-Mesa, Mabel Viñals-Verde, Marlén Lorenzo-Maíquez

Producción de biodiesel a partir de microorganismos oleaginosos. Una fuente de energía renovable (Parte II: Microalgas) Production of biodiesel from oleaginous microorganisms. A source for renewable energy (Part II: Microalgae) Evelyn Faife-Pérez, Miguel A. Otero-Rambla, Amaury Álvarez-Delgado

Absorción de hidrocarburos en columnas rellenas con bagazo: una solución sostenible Absorption of hydrocarbons in columns packed with bagasse: a sustainable solution Jorge Leiva-Mas, Pastora de la C. Martínez-Nodal, Guillermo Esperanza-Pérez, Iván L. Rodríguez-Rico, Carlos E. Gordiz-García

Validación del uso de la levadura forrajera (Candida utilis NRRL Y-660), a partir de vinaza y miel en la fabricación de los sustitutos lecheros Validation of the use of fodder yeast (Candida utilis NRRL Y-660), from vinasses and molasses, in the production of a milk substitute Carmen Amarilys Guevara-Rodríguez, Víctor Rodríguez-Domínguez, Anais Rodríguez-Medina, Laura Rodríguez-Acosta

Fitorremediación, una tecnología que involucra a plantas y microorganismos en el saneamiento ambiental Phytoremediation, a technology that involves plants and microoganisms in enviromental remediaton Jeannette Marrero-Coto, Isis Amores-Sánchez, Orquídea Coto-Pérez

Implementación de un Sistema de Gestión de la Calidad en la Dirección de Biotecnología del ICIDCA Implementation of a Quality Management System in ICIDCA’s Biotechnology Division Grisel M. Ortega Arias-Carbajal, Grizel Delgado-Arrieta, Julio Santo-Tomas-Valdés, Evelyn Faife-Pérez, Felipe Eng-Sánchez

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 3 (sept.-dic.), pp. 3 - 11

Jesús Mesa-Oramas, Armando Perdomo-Morales, Fernando Fernández-Alvarez, Julián Rodríguez-López, Eduardo Casanova-Cabeza Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba jesus.mesa@icinaz.minaz.cu

RESUMEN Se describe la metodología desarrollada para la organización y realización de Ensayos de Aptitud en los laboratorios de la industria azucarera cubana, la cual se basa en el enfoque de procesos, así como en los resultados alcanzados durante la realización de estos, en el periodo 1994 a 2011. Se aprecia un progresivo incremento en la participación de laboratorios a partir de 2008. Palabras clave: Ensayo de Aptitud, ensayos colaborativos, calidad. ABSTRACT This paper describes the developed methodology based on process approach for the organization and execution of proficiency test within the Cuban sugar cane industry as well as the results obtained for the 1994-2011 period. A sustained increase in participating laboratories is appreciated after 2008. Keywords: Proficiency Test, collaborative test, quality.

INTRODUCCIÓN

tencia) para realizar determinados análisis y, de obtener resultados satisfactorios, incrementar la confianza de sus clientes en la confiabilidad de los resultados emitidos por estos. Por otra parte, la participación en este tipo de comprobación facilita la identificación de problemas existentes en los laboratorios, ya sea con el instrumental o con los analistas, a fin de darles solución.

Los ensayos interlaboratorios son verificaciones que se realizan en varios laboratorios a la vez sobre una misma muestra, según lo establecido por la Oficina Nacional de Acreditación de la República de Cuba (ONARC) (1) y la Organización Internacional de Normalización (ISO) (2). Así, es posible evaluar su aptitud (compe3

En la práctica, existen varios tipos de ensayos interlaboratorios, entre los que figuran los siguientes: • Ensayo Colaborativo: Son ejercicios de comparación de resultados analíticos entre laboratorios, en el que cada uno utiliza el método definido para analizar idénticas porciones de materiales homogéneos, para evaluar las características de un método de análisis. • Ensayo de Aptitud (EA): Es un ensayo interlaboratorio consistente de uno o más ensayos realizados por un grupo de laboratorios sobre uno o más materiales idénticos, mediante cualquier método en uso en cada uno, con el objetivo de comparar sus resultados con los de los demás para evaluar o mejorar su funcionamiento. • Ensayo de Certificación: Es un ensayo interlaboratorio en el cual un grupo selecto de ellos analizan a un presunto material de referencia, mediante métodos considerados los más prometedores para estimar los menores sesgos (diferencia entre los resultados esperados del ensayo y un valor de referencia), en cuanto a concentración o a alguna otra propiedad y con las menores incertidumbres asociadas, con el propósito de mejorar un valor de referencia de la concentración (o de alguna otra propiedad del analito en el material). Tomando en cuenta los aspectos antes mencionados, se describe la metodología desarrollada para la organización y realización del EA en el sector azucarero cubano, formulada inicialmente en el año 1994 y mejorada sucesivamente hasta el presente, con la discreta participación de laboratorios extranjeros, así como con los resultados alcanzados durante la realización de estos, en el período 1994 a 2011, donde se aprecia un sostenido incremento en la participación.

cuales pueden resumirse en los siguientes aspectos: • Avalar, en el proceso de preparación de las muestras, su homogeneidad y estabilidad. • Asegurar el adecuado procesamiento y confidencialidad de los resultados. Preparación de las muestras Para realizar un ensayo interlaboratorio, el centro coordinador deberá preparar un grupo de muestras homogéneas del material base de análisis, las cuales se enviarán debidamente codificadas a los laboratorios participantes. Igualmente, las muestras (ítems) deben disponer de cantidades suficientes del material base (en este caso azúcar crudo) para que en una determinada fecha, común a todos los laboratorios, se les realicen los análisis seleccionados por duplicado, en lo que se conoce como réplicas. Un segundo aspecto relacionado con los ítems es que la cantidad de material base disponible permita la realización de los ensayos previstos, pero no posibilite a los analistas participantes efectuar pruebas adicionales para validar los resultados obtenidos. Este aspecto se garantiza, por ejemplo, en el caso de los EA donde se realizan simultáneamente a las técnicas analíticas de Pol y humedad (4, 5) en azúcar crudo, al colocar en cada ítem 190 g del material base, que como se ilustra en la tabla 1, proporciona un margen de cuatro gramos para pérdidas en las pesadas, pero no permite ninguna prueba extra. Tabla 1. Cantidades requeridas de azúcar crudo para cada prueba Ensayo

Cantidad (g)/ensayo

DESARROLLO

Pol Humedad

52 10

Requisitos para el desarrollo de un Ensayo de Aptitud Aspectos generales De acuerdo con las regulaciones internacionales establecidas (3), el Coordinador de un EA debe disponer de un Sistema de Gestión de Calidad que garantice el cumplimiento de un conjunto de requisitos, los

Homogeneidad Otro requisito que deben satisfacer las muestras, es que las mismas presenten la mayor similitud posible por lo cual, antes de enviarlas a los participantes, requieren de una prueba de homogeneidad. 4

Analistas 3 3 Total

Total (g) 156 30 186

Para cumplir con esta exigencia, se seleccionan al azar entre 10 y 15 muestras y se les realizan los análisis como parte del ensayo. Al concluir, se procede a la eliminación de los valores atípicos, medinate la aplicación de las dócimas de Cochran y Grubbs ISO (4). Se realizan los cálculos necesarios para estimar la desviación típica entre las muestras (SL), la cual se compara con la desviación típica para la evaluación de la aptitud σ (repetibilidad del método internacionalmente aceptada, disponibles para los ensayos de azúcar crudo) de forma tal que si SL ≤ 0,3 σ, las muestras se consideran homogéneas.

por los laboratorios puede dividirse en dos etapas. En un primer momento, se procede a la determinación de valores anómalos (valores que se encuentran fuera del universo del experimento) y su exclusión de los datos, para lo cual se utilizan las pruebas estadísticas de Cochran y Grubbs (simple y doble) (6), según el algoritmo mostrado en la figura 1 (7). Concluido el proceso de identificación de anómalos y eliminados los datos correspondientes a dichos laboratorios, se procede a calificar el desempeño de los laboratorios cuyos resultados fueron aceptados de acuerdo con los criterios relacionados en la tabla 2, que emplean con índice de discriminación el estadígrafo Z-Score (6) definido a través de la expresión:

Estabilidad Otro aspecto importante para garantizar la validez de los resultados obtenidos en el EA es el relacionado con la estabilidad de las muestras desde su elaboración hasta el momento de realización del EA. Para la evaluación del cumplimento de este requisito se repiten, en tres ocasiones (antes de la fecha del EA, durante el período de realización del EA y posterior a la misma) en el laboratorio donde se elaboraron los ítems, los análisis que se seleccionaron para el EA. Estos análisis tienen las mismas características que las determinaciones realizadas para establecer la homogeneidad de las muestras, excepto que se realizará a un número de estas entre 3 y 15. La muestra se considera estable si la diferencia absoluta entre el promedio general de la magnitud ensayada en las muestras de estabilidad y el promedio general de las muestras de la prueba de homogeneidad es menor o igual que 0,3 σ. Procesamiento de los resultados El procesamiento de los resultados reportados

Figura 1. Diagrama de flujo. Detección de anómalos. 5

donde xi es el valor reportado por el laboratorio i-ésimo, en tanto: y σ representan, respectivamente, el valor medio y desviación estándar de los valores indicados por todos los laboratorios.

procesos: planificación, organización, realización y evaluación, como se ilustra en la figura 3. Diagramas de Flujo del proceso del Ensayo de Aptitud • Subproceso de Planificación El subproceso de planificación es aquel donde se realiza la planificación de las actividades que deben ejecutarse en un EA. En la práctica las actividades de este subproceso son: selección de los laboratorios participantes y de los ensayos a realizar, establecimiento de la fecha más conveniente de acuerdo con la zafra, elaboración del programa del ensayo que incluye el cronograma de tareas y su envío a la ONARC para su aprobación, las cuales se muestran en el Diagrama de Flujo de la figura 4.

Tabla 2. Criterios de calificación (1,6) V alo r

C a l i fi c a c i ó n

Satisfactorio Cuestionable No satisfactorio

Metodología para la organización y realización de un Ensayo de Aptitud Esquemas de procesos La metodología desarrollada para la realización de los Ensayos de Aptitud se basa en el Enfoque de Procesos (8), que en el caso del EA se puede representar mediante el esquema de la figura 2, donde se muestran los cuatro elementos que lo componen: entradas, salidas, registros y recursos. No obstante, dada la complejidad del proceso, resulta conveniente para su mejor caracterización la división en cuatro sub

• Subproceso de Organización El subproceso de organización es aquel en el cual se desarrollan las actividades relacionadas con la preparación de las muestras y abarca, desde la obtención del material base hasta la elaboración de las muestras y las indicaciones a los participantes, las cuales se detallan a continuación.

Figura 2. Esquema general del proceso de Ensayo de Aptitud. Registros. 6

Figura 3. Esquema de los subprocesos del Ensayo de Aptitud.

Figura 4. Diagrama de flujo. Subproceso de planificación. La primera acción es la elaboración de las indicaciones a los participantes, posterior a lo cual se procede a solicitar por parte del Coordinador del EA, a una o varias Empresas Azucareras, la cantidad necesaria teniendo en consideración el intervalo de los parámetros objeto de ensayo (bajo, medio y alto), así como que se conserven en un lugar apropiado donde no se afecten las especificaciones de calidad. Una vez obtenido el material base, se procede a la preparación de los ítems de ensayo (seis muestras de azúcar para cada laboratorio participante), los cuales se elaboran bajo la dirección del coordinador, para garantizar el cumplimiento de todas las condiciones que puedan afectar la integridad de la comparación interlaboratorios, según lo establecido (1). Se dedi-

cará especial atención a los aspectos siguientes: • Homogeneidad y estabilidad. • Utilización de utensilios y cristalería que garanticen la no contaminación de la muestra. • Estabilidad de las muestras y condiciones ambientales. Es importante señalar que el sistema de identificación único e inequívoco de las muestras, se garantiza a través del número de la tarjeta que se le incorpora a cada una y cuya codificación solamente es de conocimiento del coordinador del EA. Otro aspecto de relevancia para asegurar la estabilidad de las muestras es su envasado. Esta característica tiene dos aspectos: el relativo al proceso de preparación de las muestras individuales y otro asociado a su 7

distribución. Para garantizar el primero, estas se envasan en bolsas plásticas cerradas, para minimizar el contenido de aire. Para el traslado, se introducen las seis muestras que se enviarán al laboratorio participante en otra bolsa de nylon de tamaño adecuado, la cual es cerrada por la parte superior con algún medio que permita abrir y cerrar el envase todas las veces que sea necesario, sin sufrir deterioro. De igual forma, en los sobres que contienen las muestras se envían las instrucciones de forma detallada, con las precisiones siguientes: • Número de muestras que debe recibir cada laboratorio. • Análisis que se ejecutarán y las réplicas que deben realizarse a cada uno de los métodos considerados. • Número máximo de analistas que pueden participar en el ensayo, los cuales deben estar vinculados a la realización de los análisis. Igualmente, se especifica el contenido que debe reportarse en observaciones.

• Especificación de los resultados analíticos que emitirán los laboratorios participantes. • Se establece que cuando los analistas obtengan sus resultados, deben ser entregados al jefe de laboratorio, sin consultarlos con otros técnicos. • Personal autorizado a dar la orden de inicio de la ejecución del ensayo o la fecha de inicio. • Período de tiempo durante el cual deben realizarse los análisis. • Cantidad de muestra enviada, la cual no permite que los analistas seleccionados realicen análisis comprobatorios adicionales. • A quién y cuándo se deben reportar los resultados analíticos de los laboratorios participantes. • Ejemplo hipotético de ensayo que especifique cómo debe el jefe de laboratorio enviar los resultados del EA. Después de preparados los ítems y evidenciado que son homogéneas las muestras, estas se almacenan y distribuyen a los laboratorios participantes, de forma tal que lle-

Figura 5. Diagrama de flujo. Subproceso Organización.

Figura 6. Diagrama de flujo. Subproceso realización. 8

guen con suficiente antelación al período de realización del Ensayo de Aptitud y sin deterioro de los envases. En la figura 5 se muestra el Diagrama de Flujo de este proceso.

tendencias o errores sistemáticos. Las actividades antes mencionadas pueden resumirse de la forma que se ilustra en el diagrama de flujo de la figura 7.

• Subproceso de Realización El subproceso de realización se corresponde con las actividades relacionadas con el envío de las muestras a los laboratorios, la realización de los ensayos previstos, las pruebas de estabilidad de las muestras y el envío de los resultados por parte de los laboratorios participantes al Coordinador. La figura 6 muestra el diagrama de flujo correspondiente.

RESULTADOS Una vez descrita la metodología desarrollada, a continuación se desglosan los resultados obtenidos de su aplicación desde 1994, divididos en dos categorías que se detallan: metodológicos y organizacionales. Aspectos metodológicos Como primer resultado de este trabajo, se dispone del desarrollo de la metodología expuesta, mejorada continuamente desde el comienzo de su aplicación en 1994 hasta 2011.

• Subproceso de Evaluación El último subproceso, el de Evaluación, corresponde al procesamiento de los resultados y a la elaboración de los documentos del EA: Informe de Resultados a la ONARC y reportes individuales de los resultados a los laboratorios participantes. Con los resultados obtenidos del procesamiento estadístico, el coordinador del EA elabora un informe final. En él se señalan los laboratorios con tendencias y errores sistemáticos, los resultados analíticos atípicos eliminados por las dócimas estadísticas, la incertidumbre, la repetibilidad y reproducibilidad del Ensayo de Aptitud, así como la evaluación de los analistas y los laboratorios. Una vez concluido el informe final de los resultados del Ensayo de Aptitud, este se envía a la ONARC para su aprobación. Una vez aprobado por la ONARC el informe final, se prepara una comunicación por carta a cada laboratorio participante, en el que se detalla el desempeño de su laboratorio y de los analisFigura 7. Diagrama de flujo. Subproceso Evaluación. tas, y se señala si tuvo o no 9

Un segundo aspecto, no menos importante, es que la metodología descrita ha sido aplicada a ensayos físico-químicos en muestras de azúcar crudo, no obstante la generalidad alcanzada en su formulación, que se evidencia en la presentación realizada, permite su empleo en determinaciones de otros materiales base, propios del sector azucarero tales como cal y azúcar refino u otras ramas como los ensayos de aguas. En tercer lugar, como parte de la mejora continua, se han desarrollado cinco aplicaciones sucesivas (YOUDEN, INTERLAB 2000, ANALAB, INTERLAB y SAPEA), que utilizan las tecnologías de la información para la automatización del procesamiento de los resultados del EA reportados por los participantes. En el caso de YOUDEN, fue la primera aplicación elaborada utilizando la hoja de cálculo SUPERCALL, la cual realizaba los cálculos asociados a las pruebas estadísticas, pasando a una versión con un interfaz de usuario más cómoda (INTERLAB 2000) desarrollada en lenguaje BASIC. Esta aplicación solo fue utilizada en el año 2000, pues se continuó su mejora pasando al ANALAB utilizada entre los años 1998-2003 y permitía la realización de las pruebas de Cochran y Grubbs para determinar los valores anómalos. Continuando la mejora del sistema, el programa ANALAB se sustituyó por el INTERLAB desarrollado en Microsoft ACCESS y Visual Basic (Havasoft) a partir del conocimiento y experiencia aportado por el colectivo del EA, el cual hacía más flexible la interfaz con el usuario, al mismo tiempo que incorporaba los cálculos asociados a los algoritmos para la determinación de la homogeneidad y la estabilidad de las muestras. Finalmente, a partir de la zafra 2010-11 se desarrolló, validó y comenzó a utilizarse en lugar del INTERLAB el SAPEA, el cual proporciona la misma información que el INTERLAB y además automatiza la emisión de los reportes de resultados a los participantes, tanto en el caso de los laboratorios, como de los analistas y en cuya elaboración solo utiliza las funciones estándares de la Hoja de Cálculo Electrónico Microsoft EXCEL sin macros de Visual BASIC, lo cual permite que sea auditado y mejorado por personal con conocimientos básicos de EXCEL.

Figura 8. Participación de los EA. Aspectos organizacionales Desde el punto de vista del sector azucarero, la aplicación de la metodología desa-rrollada ha permitido la sistematización de la realización de Ensayos de Aptitud en el sector azucarero de la República de Cuba, que ya suman 16, con una participación de alrededor de 20 laboratorios hasta la zafra 2008-2009, a partir de la cual alcanza niveles de presencia superior al 90 % de los laboratorios del sector, tanto en analistas como entidades. En la zafra 2009 2010 se arribó a un máximo de analistas (168) y de laboratorios (53), como se aprecia en la figura 8. Otro aspecto a resaltar es la participación, aunque discreta (entre dos y tres laboratorios), de entidades extranjeras en los últimos cuatro años y más aislada en los anteriores, lo que unido al reconocimiento por parte de la ONARC de la categoría de coordinador, constituyen índices del reconocimiento alcanzado en esta actividad por el sector azucarero cubano. CONCLUSIONES Como conclusiones de este trabajo pueden expresarse las siguientes: Se elaboró una metodología, validada en la práctica durante 17 años, para el desarrollo de Ensayos de Aptitud de azúcar crudo en el sector azucarero. Dado el nivel de generalidad alcanzado en la formulación de la metodología desarrollada, esta puede aplicarse a otras producciones del sector (cal, miel, alcohol, rones, agua de uso en el proceso y azúcar refino) u otras ramas. 10

La mejora continua de la metodología ha abarcado el desarrollo de cinco aplicaciones (YOUDEN, INTERLAB 2000, ANALAB, INTERLAB y SAPEA) utilizando las tecnologías de la información para el procesamiento automatizado de los resultados reportados por los participantes, como resultado de lo cual, en la actualidad se dispone de una versión en Microsoft EXCEL que puede ser auditada y mejorada por personal con conocimientos básicos de EXCEL. Entre 1994 y 2011 se ha logrado la realización de 16 Ensayos de Aptitud en el sector azucarero, con una participación superior al 90 % de los laboratorios del sector, tanto en analistas como en entidades. En los últimos tres años se constató una discreta presencia internacional de estas últimas. Los resultados de los Ensayos de Aptitud pueden ser utilizados como herramientas del control interno y para la evaluación del desempeño de los analistas y los laboratorios de las entidades participantes.

3. 4. 5. 6.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Ensayos de Aptitud. Metodología de trabajo para la organización y desarrollo de

comparaciones interlaboratorios, Cuba, ONARC, 2007. NC ISO/IEC 17025:2006 Requisitos generales para la competencia de los laboratorios de ensayo y calibración + Corrigendum técnico 1: 2006. NC ISO/IEC 17043:2010, Evaluación de la conformidad - Requisitos generales para los ensayos de aptitud. NC 83:2000. Determinación del Pol en Azúcar. Método polarimétrico. NC 81:2000. Determinación de la Humedad en Azúcar Crudo. Método gravimétrico. NC ISO/IEC 5725-2:1994 Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results - Part 2: Basic method for the determination of repeatability and reproducibility of a standard measurement method. International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis, Report of the Proceedings of the Twentieth Session, p. 158, Colorado Springs, june 1990. NC ISO/ 9001:2008. Sistemas de gestión de la calidad - Requisitos.

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 3 (sept.-dic.), pp. 12 - 20

Adolfo Brown-Gómez1, Humberto Vázquez-Torres2, Cristian Jacques-Bolner3, Liván Alba-Gutiérrez1, Jorge L. García-González1. 1. Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba adolfo.brown@icidca.edu.cu 2. Universidad Autónoma Metropolitana (UAM). Prof. Canal de Miramontes No. 3855, col. Ex-Hda. San Juan de Dios del Tlalpan, México, DF. 3. Universidad Estadual Paulista, UNESP, Río Claro, Brasil

RESUMEN Se estudiaron nuevos métodos para la síntesis de ácido poliláctico empleando irradiación ultrasónica y de microondas. Los resultados alcanzados permitieron disminuir los tiempos de reacción sin el empleo de catalizadores metálicos, con rendimientos entre 8590 %. Se obtuvieron dos productos cuyas masas moleculares superaron los 6000 Da, caracterizados por FTIR, RMN y DSC. Se constató un comportamiento típico de la estructura de los polilactatos. Este último análisis demostró la correlación entre las temperaturas de fusión y transición vítrea registradas con la proporción de cristalinidad alcanzada para el producto final. Adicionalmente, estos resultados sugieren la necesidad de perfeccionar el método de separación, concentración y purificación para el AL(D-) producido por fermentación mediante el uso de fuentes renovables de energía como los carbohidratos. Palabras clave: ácido láctico, síntesis no convencional, irradiación ultrasónica y microondas. ABSTRACT New methods were studied for the synthesis of poly-lactic acids using the ultrasonic irradiation and of microwaves. The reached results allowed to reduce the reaction time without the use of metallic catalysts, with yields between 85 to 90 %. Two products were obtained both with molecular weights above 6000 Da. These products were characterized by FTIR, RMN and DSC, showing the typical structure of the PLA. This last analysis demonstrated the correlation between melting and vitreous temperatures and crystallinity proportion in final product. In addition, these results suggest that separation, concentration and purification steps for AL (D-) produced by fermentation have to be improved by means of renewable sources like carbohydrates. Keywords: lactic acid, unconventional synthesis, ultrasonic irradiation and microwave. 12

INTRODUCCIÓN

entre 50 y 80 ºC, mientras que la temperatura de fusión se mueve en un intervalo que puede abarcar de 130 a 180 ºC en función del largo de la cadena. Como parte del trabajo investigativo relacionado con los derivados del AL se diseñaron y sintetizaron diferentes PLA partiendo del AL (mezcla racémica isómeros DL y el AL isómero L+) variando los métodos de síntesis. Los nuevos métodos incorporan la influencia de ondas ultrasónicas (IU) y de microondas (MO), con el objetivo de minimizar los tiempos de reacción y obtener mejores resultados sintéticos que los que aparecen reportados por algunos autores en la literatura consultada (3-6), a partir de métodos tradicionales y garantizar, además, condiciones de reacción menos drásticas y más controladas. Muchos de los plásticos tradicionales son polímeros demasiado largos y compactos como para ser atacados y degradados. Las potencialidades de los PLA y sus copolímeros en el campo medicinal, farmacéutico y alimenticio abarcan desde el empleo de dispositivos quirúrgicos, tales como las fibras sintéticas para suturas reabsorbibles por el organismo y su capacidad para formar películas, hasta su posible uso en sistemas de liberación controlada a partir de microesferas. Todas las ventajas unidas a la biodegradabilidad de los PLA justifican el estudio y desarrollo de estos nuevos materiales y la importancia de evaluar su obtención a partir de sustratos azucareros. Los trabajos llevados a cabo en el Departamento de Polímeros del ICIDCA evidenciaron materiales con diversas morfologías, caracterizados por Espectroscopía Infrarroja (FTIR), Resonancia Magnética Nuclear (RMN), Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y masa. Aportaron información valiosa sobre parámetros que potencian la posible formación de PLA y su empleo como biomateriales. Diferentes propiedades de los PLA como el punto de fusión, la resistencia mecánica y su cristalinidad están determinadas por la arquitectura del polímero (contenido de L, D lacturos y meso-lacturo) y por su peso molecular. Paralelo a este trabajo de obtención de PLA, un grupo de investigadores de la Dirección de Biotecnología optimiza la obtención y purificación de AL obtenido a

El ácido láctico (AL) o 2 hidroxi-propiónico [C3H6O3] es un ácido orgánico que se encuentra en la naturaleza en sus formas L(+) o D(-). El ácido láctico es un ácido carboxílico, con un grupo hidroxilo en el carbono adyacente al funcional, lo que lo convierte en un ácido α-hidroxílico. En solución puede perder el hidrógeno unido al grupo carboxilo y convertirse en el anión lactato. Tiene una masa molar de 90,08 g/mol. Muchos autores han utilizado para la síntesis de polilactatos ácidos de Lewis como catalizadores (sales de estaño, óxido hierro, ácido bórico), en tanto otros han incluido sustancias como el ácido p-toluensulfónico y el alcohol polivinílico. El objetivo siempre ha sido obtener derivados de ácido láctico o polilactatos (PLA) de alto peso molecular. La mayoría de estos métodos utilizan reacciones drásticas, alto vacío y dejan trazas de metales pesados en la composición de los nuevos materiales, aspecto que se revierte a largo o mediano plazo en daños ecológicos o para el organismo humano. Estas reacciones presentan inconvenientes desde el punto de vista práctico, ya que para la obtención de macromoléculas de alto peso molecular se hacen necesarios largos tiempos de reacción, pero también demandan la implementación de un sistema eficaz para eliminar el agua desprendida durante el proceso de síntesis (1, 2). En este estudio, las reacciones involucradas en el proceso de síntesis del PLA clasifican dentro de las denominadas reacciones de policondensación. El AL (90 %) es fuertemente higroscópico y la presencia de dos grupos funcionales en su estructura (-OH, -COOH) justifican su marcada tendencia a formar dímeros y polímeros de AL con gran facilidad. Se reporta que la temperatura de transición vítrea de algunos PLA está en un rango

Figura 1. Transformación del ácido láctico en PLA. 13

partir de los sustratos azucareros como fuentes de bacterias lácticas D (-). Para lograr su objetivo, emplean la sacarosa como fuente de carbono y el extracto de levadura como fuente de nitrógeno orgánico seleccionando una cepa adecuada para garantizar la formación del AL D (-). La finalidad común de ambos grupos de trabajo es llegar a producir un PLA a partir del AL(D-) obtenido por vía fermentativa a partir de estos sustratos, luego de lograr niveles de pureza adecuados para la formación del polímero. El isómero D(-) del AL no es asimilable por el organismo humano; sin embargo, su polímero (el PLA) presenta excelentes propiedades físico-mecánicas y carácter biodegradable (2). El trabajo radica en diseñar varias rutas sintéticas a partir de las potencialidades que brindan la IU y de MO, seleccionando la vía más adecuada para la síntesis de PLA en condiciones menos drásticas que las reportadas hasta el momento a partir de métodos tradicionales.

tiempos reportados oscilan entre 10 y 30 horas para lograr buenos rendimientos, en condiciones de reacción mucho más drásticas (2, 7, 8).

Figura 3. PLA por MO. Se utilizó un AL (DL) Fluka FEINBIOCHEMICA GmBH, HEIDELBERG, Alemania, con 90 % de pureza, AL (L+) Panreac con una pureza entre 88-90 %. Se incluyó dentro del proceso de síntesis una carbodiimida, compuesto orgánico caracterizado por el grupo funcional RN=C=NR. Las carbodiimidas se hidratan fácilmente formando ureas, lo que las hace raras en la naturaleza y muy útiles en los procesos de síntesis donde se requiere eliminar agua. La N,N'-diisopropilcarbodiimida (DIC, figura 4) fue desarrollada como una alternativa a la diciclohexilcarbodiimida (DCC), es funcionalmente idéntica a esta última, pero presenta algunas ventajas que amparan su selección: • Al ser un líquido, la DIC es más fácil de manipular que la DCC (que es un sólido cerúleo). • El producto N,N'-diisopropilurea es soluble en solventes orgánicos y se elimina fácilmente por extracción. De ahí que la DIC se use más frecuentemente en síntesis en fase sólida. • La DIC tiende mucho menos a ocasionar reacciones alérgicas que la DCC.

MATERIALES Y MÉTODOS Como métodos de síntesis empleados para la obtención de los PLA figuraron: 1. Irradiación ultrasónica (IU, figura 2) Elma Transsonic T 460/H, frecuencia 35 kHz. 2. Síntesis asistida por microondas (M.O, figura 3). (Microwave System MLS GMBH, MILESTONE).

Figura 2. PLA por IU. Dentro del estudio se comparó la eficiencia de los procesos y los tiempos de reacción, teniendo en cuenta que en trabajos similares para la obtención de PLA, los

Figura 4. Estructura de Diisopropilcarbodiimida (DIC). 14

N,N'-

La DIC no solo es un reactivo activante, sino que además su transformación en diisopropilurea elimina el desprendimiento de agua. Este es un punto muy importante, ya que precisamente el rendimiento de estas reacciones se ve afectado por la formación y presencia del agua. Buscando otra ruta sintética estudiamos la síntesis del AL con alcohol polivinílico (PVA, figura 5) teniendo en cuenta que firmas como DuPont comercializan actualmente ELVANOL. El acetato de polivinilo o PVA, más conocido como cola o adhesivo vinílico, es un polímero obtenido mediante la polimerización del acetato de vinilo. Para preparar alcohol de polivinilo se usa la hidrólisis del polímero (ya sea parcial o total).

do PVA se emplea un balón con agitación magnética, se adicionan 2,5 ml de AL (L+) y 2,2 g de PVA. Se programa la síntesis de MO estableciendo los siguientes parámetros (500 W, 50 °C, 10 min). Para el desarrollo de los ensayos por Espectroscopía Infrarroja se utilizó un (FTIR 4100 Tipo A, JULABO) resolución 4 cm -1 provisto de detector TGS. El rango analizado fue de 3500-600 cm -1. Resonancia Magnética Nuclear (RMN BRUCKER, 1H y 13C) 250 mHz, DMSO deuterado. Los estudios de DSC se desarrollaron en la Universidad Autónoma Metropolitana de México (UAM) con la ayuda de un Calorímetro Diferencial de Barrido (DSC, 2920 de TA Instruments), con temperatura modulada (1,062 °C de amplitud de modulación en temperatura, período de 40 s, velocidad de calentamiento de 10 ºC/min y flujo de nitrógeno de 50 ml/min). Los estudios preliminares de masa se llevaron a cabo en la UNESP, Río Claro, Brasil, con el empleo de un equipo Shimadzu Biotech, sistema MALDI-TOF.

Figura 5. Alcohol polivinílico PVA.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Método general de síntesis de PLA Con el empleo de la IU y de MO las relaciones molares no varían, debido a esto se expone aquí el método general de síntesis de homopolímeros de AL, PLA-DL y PLAL(+). PLA-DL: AL (DL) + DIC + benceno (Método IU y MO) PLA-L(+): AL (L+) + DIC + benceno (Método IU y MO) PLA-L(+): AL L(+) + PVA (Método IU y MO)

El término de la reacción se verifica con la aparición de un sólido cristalino casi incoloro que, al ser caracterizado por FTIR y RMN, reporta señales que indican la presencia de los grupos característicos en los homopolímeros sintetizados. El PLA puede obtenerse por condensación directa del AL o bien por polimerización tras la apertura del anillo de L-lactida. Puesto que la condensación es una reacción de equilibrio, existen dificultades para eliminar cierta cantidad de agua durante las últimas etapas de la polimerización a la hora de obtener un PLA, lo cual limita el peso molecular de los PLA obtenidos con este método. El nuevo procedimiento estudiado ha permitido alcanzar rendimientos que oscilan entre el 85-90 % aplicando IU y de MO, tiempos de reacción de 8 horas para la síntesis asistida por IU y de 30 min para la MO, reducción notable respecto a los tiempos reportados en la literatura que oscilan entre 8 y 30 horas, incluyendo la reducción hasta 80 °C de la temperatura a la cual se logran

Descripción de la metodología síntesis En un balón de 100 ml equipado con trampa de Dean-Stark, se mezclan 10 ml (0,12 mol) de AL, 12 ml de benceno, 20 ml (0,12 mol) trietilamina y 8 ml (0,2 mol) de DIC. El producto obtenido se filtra y se lava con agua fría. A continuación, en horno de microondas, la síntesis se realiza a 80 °C y se energiza durante 30 min a potencia 500 W. La policondensación de AL por IU de reflujo se sitúa sobre un baño ultrasónico, pero el tiempo de reacción es de 8 horas. En la síntesis de PLA utilizan15

los PLA. La sustitución de catalizadores metálicos por la DIC, además de activar la reacción permitió su transformación en diisopropilurea al eliminar agua e incrementar el rendimiento final del proceso de síntesis (figuras 6 y 7). Las propiedades cristalinas observadas en los productos pueden ser atribuidas a la configuración molecular. Por ambos méto-

dos y para las reacciones de obtención de PLA(DL) y PLA(L+), se forman materiales parcialmente cristalinos; sin embargo, es válido destacar diferencias entre unos y otros productos en dependencia del AL de partida y el método de síntesis involucrado durante el proceso de síntesis. Para el PLA-DL: AL(DL) + DIC + benceno, se muestra por IU una menor cristalinidad que cuando se sintetiza por MO, lo cual puede tender a la mejor formación de filmes]. Para el PLA-L(+): AL(L+) + DIC + benceno (Método IU y MO), se muestra por MO una variación en el porcentaje de cristalinidad con respecto al PLA-DL obtenido por IU, debido a que el PLA sintetizado a partir de AL (L+) tiende a comportarse con mayor cristalinidad, teniendo en cuenta su estereoregularidad (37 % o más en los reportes consultados). Las tablas 1 y 2 resumen las asignacioFigura 6. PLA DL con DIC (UI). nes características por FTIR y RMN. Otra ventaja de los métodos de síntesis estudiados fue que no se emplearon excesos de disolventes. Esta última condición si bien favorece que la reacción ocurra más rápidamente, puede limitar que se alcancen elevadas masas moleculares en algunos casos, pues una vez que se ha llegado a cierto valor crítico de viscosidad, la reacción no puede continuar. Tomando en consideración reportes consultados (2, 7, 8) y los termogramas alcanzados por DSC empleando ambos métodos, seleccionamos algunos de los productos finales (PLA) con el fin de comparar los resultados que muestran los DSC. El termograma de la figura 8 evidencia para el PLA Figura 7. PLA DL y L(+) con DIC (MO). obtenido a partir de AL (L+) y DIC por IU, una transición endotérmica por encima de los 150 °C hasta los Tabla 1. Asignación de grupos funcionales 188,83 °C, temperatura a la cual se característicos registra una fusión (Tm) con descomposición de la muestra. Técnica. C= O -C O O R -CH 3 -C H El valor elevado de Tm indica FTIR (cm - 1) 1742 1225 2986 2363 una mayor rigidez en la cadena y demuestra que conforme aumenta la cristalinidad Tabla 2. Asignaciones características por RMN de la en el polímero se increunidad lactato menta su resistencia al calor. Todo parece indicar Técnica. CH3a CH 3b -CH a -CH b -COO que la estereoregularidad RMN 1H 1,02 1,15 3,85 4,75 del AL (L+) y posiblemenRMN 13 C 22,52 23,40 40,73 43,73 169,85 te, su mejor empaquetaa Unidad 2- hidroxil terminal. b Unidad lactato. miento cristalino, son las 16

causas del valor elevado de la cristalinidad (47,88 %).

ción vítrea propia de la estructura amorfa del polímero. Este mismo análisis fue repetido para la muestra de PLA: AL(DL) + DIC + benceno [IU]. Los resultados se muestran en la figura 9. El D,L-poliláctico es un polímero que adopta una estructura amorfa, ya que está constituído por las dos formas isoméricas del ácido láctico. Como se puede apreciar, se registra un cambio en la capacidad calorífica del polímero y en el calor latente de fusión. La Tm de este PLA se registra en una transición endotérmica hacia los 127,62 °C; disminuye la proporción de cristalinidad del producto hasta 7,216 %, lo cual evidencia un polímero que incorpora una mayor fracción amorfa que el anterior. En este caso, se exhibe una sola transición en un rango de temperatura más estrecho para la transición de primer orden. Cuando se analiza la variante de la síntesis del PLA (L+) con PVA (por IU y MO), se logra registrar una Tg hacia los 19,31 cuando el método de síntesis utilizado es la MO (figura 10). Este cambio viene indicado por un aumento de la capacidad calórica del PLA obtenido por encima del valor de la Tg, debido a que la transición vítrea involucra un cambio en la capacidad calorífica, pero no un calor latente por constituir una transición de segundo orden.

Figura 8. DSC del producto PLA: AL(L+) + DIC + benceno [IU]. La estructura táctica es importante para la determinación de las propiedades de un polímero e influye también en la tendencia del polímero a cristalizar. Si tenemos en cuenta que incluso los polímeros cristalinos presentan alguna porción amorfa, esto explica por qué una misma muestra puede experimentar valores asociados a su temperatura de transición vítrea (Tg) y a su temperatura de fusión (Tm), sin que esto implique que las cadenas que funden sean las mismas que experimenten Tg. Los resultados del análisis sugieren que la fracción amorfa del producto obtenido es en extremo pequeña o inexistente (cadena principal muy rígida), así no es registrada en las condiciones de la síntesis con DIC, la Tg del mismo. De existir esta en una proporción significativa, se habría detectado la transi-

Figura 10. DSC del producto PLA: AL(L+) + PVA [IU y MO]. Sin embargo, la cristalinidad final alcanzada por MO no permite que se registre una Tg para el PLA(L+), lo cual indica un mayor porcentaje de cristalinidad que el logrado por IU. Esto se evidencia en la figura 11.

Figura 9. DSC del producto PLA: AL(DL) + DIC + benceno [IU]. 17

purificación del AL(D-) obtenido por vía fermentativa. A partir de la colaboración establecida con la UNESP, Brasil, se pudieron ensayar algunas muestras para la determinación de la masa molecular de los PLA sintetizados para definir su posible prestación futura. Se conoce que las mejores propiedades en cuanto a la resistencia física y química de un polímero se alcanzan a valores elevados de su peso molecular. Es por esto que a partir de macromoléculas formadas con un alto grado de polimerización, puede resultar una vía más segura para obtener materiales con estas propiedades. Las figuras 13 y 14 muestran los valores de la relación m/z y evidencian una masa molecular promedio que demuestra la formación del polímero (6633 y 6327 Da).

Figura 11. PLA a partir de AL(L+) y PVA. La mayoría de los polímeros que cristalizan son semicristalinos, con cristalinidad más o menos elevada en función de su estructura química y existe un orden a nivel molecular y supramolecular (estructuras cristalinas formadas por agrupamiento de muchas cadenas, la denominada morfología cristalina). Este resultado fue corroborado por análisis termogravimétrico (ATG), donde en el intervalo de temperatura que se registra la transición en DSC asociada a un salto en el calor específico (Cp= 0,1382 J/g), no se observan cambios o pérdidas de masa en ATG. Esta temperatura supera la del AL (D-) obtenido a partir de sustratos azucareros (concentrado entre 80-85 %) cuyo valor de Tg resulta inferior. Esto se observa en la figura 12, lo cual indica que se está en presencia de un polímero más flexible.

Figura 13. Determinación de peso molecular por el sistema MALDI-TOF.

Figura 14. Determinación de peso molecular por el sistema MALDI-TOF. PLA: AL (DL) + DIC+ benceno [IU]. La afirmación anterior puede observarse con la aparición de un pico muy ancho que se extiende entre 5000 y 9000 Da, con máximos en 6632 y 6327 Da, respectivamente. Este pico indica polimerización y nos orienta a continuar optimizando estas nuevas metodologías de síntesis. Ambos PLA exhi-

Figura 12. DSC del producto AL (D-) obtenido por fermentación (80-85 %). Este resultado orienta a perfeccionar el método de separación, concentración y 18

ben masas molares comparables al reporte de algunos autores.(9) También pudimos corroborar que para el caso del PLA obtenido a partir de AL (L+) con PVA por IU, no se logra un polímero de alta masa molecular (figura 15), aspecto que se evidencia con la no aparición de un máximo de polimerización y que explica el bajo valor de Tg reportado (19,31 ºC), cuando esa misma muestra fue analizada por DSC en la figura 10, aunque tengamos en cuenta que el hecho de que aparezca una Tg, involucra movimientos de cadena molecular entre 50-100 átomos.

3. Las señales asignadas han mostrado la presencia de grupos característicos de las unidades de lactato como son: -CH, -CH3 y los grupos -COOR (FTIR), lo cual confirma la presencia de estos grupos en la molécula de los polímeros por RMN 1H y 13C particularmente en la zona correspondiente a los 169,85 ppm. Esta última es de gran importancia porque permite estimar la formación del grupo éster del poli-lactato. 4. El PLA obtenido a partir de DIC + AL (L+) + benceno evidencia por MO un incremento en el porcentaje de cristalinidad con respecto al PLA-DL obtenido por IU, gracias a la estereoregularidad del AL (L+). 5. Se logran relaciones m/z para dos muestras de PLA que evidencian pesos moleculares adecuados para su posible empleo en biomateriales. RECOMENDACIONES

Figura 15. Determinación de peso molecular por el sistema MALDI-TOF. PLA: AL(L+) + PVA [IU].

• Perfeccionar el método de separación, concentración y purificación del AL (D-) obtenido por vía fermentativa, para su empleo en la formación de PLA, bajo las condiciones de reacción desarrolladas. • Trabajar en la formación de PLA utilizando solventes como el tolueno.

Se debe tener en cuenta que en los materiales poliméricos un pequeño cambio en la estructura puede significar un notable cambio en la Tg, pues la flexibilidad del material polimérico depende del movimiento segmental de rango largo y este movimiento se detiene cuando la temperatura cae por debajo del valor de Tg.

AGRADECIMIENTOS Se agradece a los Doctores Humberto Vázquez, de la UAM y a Cristian Jacques, de la UNESP, el apoyo brindado para la correcta caracterización de los PLA, así como los citerios aportados a partir de sus experiencias personales en la temática de materiales poliméricos.

CONCLUSIONES 1. Se logran condiciones menos drásticas y reducciones apreciables en los tiempos de reacción para la obtención de PLA, empleando como métodos de síntesis la irradiación ultrasónica (8 horas) y de MO (30 min) con rendimientos satisfactorios entre 85-90 % 2. La sustitución de catalizadores metálicos por la DIC demuestra ser apropiada ya que, además de activar la reacción, mejora los rendimientos alcanzados cuando se transforma en diisopropilurea eliminando agua.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Kanamori, K.; Koseki, H.; Takagi, J.; Terada, S.C. Poly (lactic acid)-based polymeric composition and its molded-product. Patente: JP1999-05-11. 2. Bello, D. Revisión sobre plásticos biodegradables con especial énfasis en los polilactatos. ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 38 (3): pp.15-23, 2004. 19

3. Timothy, J.M. Ultrasound in synthetic organic chemistry. Chem Soc Rev. 26: pp.443-451. 1997 4. Alba, L.; Brown, A.; Lamí, L.; Reyna, M. Ésteres de sacarosa para la producción de poliuretanos modificados. Vías innovadoras de obtención. Rev. Española de Ingeniería Química 440: pp.120-125, 2006. 5. Sung-L.M.; Chan-Woo, L.; Masatoshi, M.; Yoshiharu, K. Melt polycondensation of L-Lactic acid with Sn (II) catalysts activated by various proton acids: A direct manufacturing route to high molecular wight poly(L-lactic acid). J Polym Sci: Polymer Chem, 38: pp. 1673-1679, 2000

6. Haugaard, V.K.; Danielsen, B.; Bertelsen, G. Impact of polylactate and poly (hydroxybutyrate) on food quality. Eur Food Res Technol 216: pp. 233-240, 2003 7. The method of production of biodegradable lactic acid polymers and the use of lactic acid polymers produced using such a method. Patentes: EE200100181 A, 2002-12-16; EP1397501 A1, 2004-03-17. 8. Fukuzaki, H.; Okada, T.; Nagaoka, Y. Biodegradable polymer. Patente: JP5039347, 1993-02-19. 9. Kim-Hyun, S., Kim-Ha, Y. Direct Condensation polymerization of lactic acid. Macromol. Symp. 144, pp. 277-287, 1999.

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 3 (sept.-dic.), pp. 21 - 25

Tania García-Martínez, José Villar-Delgado, Marlen Ramil-Mesa, Mabel Viñals-Verde, Marlén Lorenzo-Maíquez Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba tania.garcia@icidca.edu.cu

RESUMEN La puesta en marcha de una planta constituye la etapa final en la culminación de una inversión. Su preparación y organización son fundamentales para el éxito de la misma. Se describe la organización de la puesta en marcha de una planta para la producción del bionutriente FitoMas-E, mediante varios programas elaborados. Se utilizó la herramienta Mindmanager X5 para organizar el trabajo. Palabras clave: puesta en marcha, FitoMas-E, inversión industrial. ABSTRACT A plant starting up of constitutes a final stage of an inversion process; its preparation and organization are fundamentals for the success of this stage. In the present paper start up organization for a bio-nutrient FitoMas-E plant, using several programs prepared for this purpose was described. Mindmanager X5 software was used for work organization. Keywords: plant start up, FitoMas-E, industrial inversion.

INTRODUCCIÓN

aplica en cualquier fase fenológica del cultivo: germinación, semillero, vivero, fase de crecimiento vegetativo, prefloración, formación y cuajado del fruto. Puede usarse sobre las más variadas especies botánicas: caña de azúcar, frutales, granos, cereales, tubérculos y raíces, plantas medicinales, tabaco, remolacha, hortícola de fruto (tomate, pimiento, pepino, melón, sandia), hortícola de hoja (col, lechuga, apio), frutales tropicales

El FitoMas-E es un bionutriente para la agricultura (1) que estimula y vigoriza a las plantas desde la germinación hasta la fructificación. Estimula el desarrollo de las raíces, tallos y hojas, y mejora también la nutrición, la floración y el cuajado de los frutos. Frecuentemente reduce el ciclo del cultivo e incrementa el rendimiento. Este producto se 21

(banano y plátano, papayo, piña), oleaginosas y leguminosas en general, forestales, pastos, ornamentales y flores. El ICIDCA cuenta con una instalación para la producción de este bionutriente. Para lograr su funcionamiento adecuado fue necesaria una etapa de puesta en marcha. Durante esta etapa se comprueban las condiciones de los equipos, la hermeticidad de las líneas, los servicios auxiliares, el funcionamiento de la instrumentación y de los sistemas de control. Se realizan las reparaciones y modificaciones necesarias, se comprueba si se alcanza la capacidad de producción prevista y se capacita al personal que laborará en ella (2-4). La organización de la puesta en marcha es fundamental para su éxito.

ceso y llevar a cabo los ensayos de laboratorio. Se elaboraron los modelos de registros que proporcionan las evidencias de las actividades que se ejecutaron. Para la formación del personal se elaboró un programa de entrenamiento, que incluyó la capacitación teórica y práctica en la planta. En la capacitación teórica se imparten cursos sobre la descripción de la planta, el equipamiento, el proceso, la automatización, la operación, aspectos sobre seguridad del trabajo, aspectos de gestión de la calidad y manuales de operación. Para cada área de trabajo se imparten cursos específicos. Durante la capacitación práctica se entrena al personal en la operación de los equipos, el proceso, las medidas de seguridad, emergencias y cómo actuar. En esta etapa se deben garantizar los recursos para la puesta en marcha, como son la disponibilidad de las materias primas y materiales necesarios, piezas de repuesto, entre otros. Durante la organización del laboratorio se comprobó la existencia del equipamiento necesario, reactivos, medios de protección y la documentación exigida (manual de técnicas analíticas, documentación de calidad). Se realizó la verificación y calibración de los equipos de medición. Para la puesta en marcha de las unidades de proceso, los servicios auxiliares deben estar disponibles, por lo que estos deben ponerse en marcha primero (2). Para ello se elaboraron programas para la revisión de la instalación del equipamiento, de los accesorios y de la instrumentación necesaria de

DESARROLLO Para la organización de la puesta en marcha se elaboró un plan general que se muestra en la figura 1. Se utilizó el software Mindmanager X5, que es una herramienta útil para organizar el trabajo en grupo y seguir el cumplimiento de los objetivos en el tiempo planificado. Para la organización de la información se estableció un centro de información y documentación, que permitió organizar toda la información disponible en torno al proyecto, la planta, los equipos y la puesta en marcha, así como un acceso rápido a dichos datos. Se elaboraron los procedimientos normalizados de operación, que permiten realizar las actividades necesarias para cada pro-

Figura 1. Esquema del plan general para la puesta en marcha. 22

los servicios auxiliares, así como de las tuberías y accesorios para el transporte de los mismos hacia el área de producción. Una vez concluida la revisión se elabora el informe correspondiente donde se resumen todos los elementos revisados, se reflejan las dificultades encontradas y se proponen soluciones. Posteriormente se verifica el funcionamiento de estos servicios, o sea, el funcionamiento de los equipos, la instrumentación y la hermeticidad de las tuberías para el transporte hacia el área de producción. Con vistas a la puesta en marcha de los procesos se elaboró un programa que se aprecia en la figura 2. Este programa permitió la arrancada de la instalación y detección de dificultades presentadas en esta etapa.

El programa de revisión de las áreas productivas tiene en cuenta la revisión del acabado civil de pisos, techos, puertas, ventanas, pintura, iluminación, ventilación, desagües y mobiliario. A continuación se muestran, a modo de ejemplos, registros que se diseñaron para las etapas de revisión. En la tabla 1 se muestra el registro que se diseñó para el programa de revisión del montaje del equipamiento tecnológico, sus accesorios y elementos de accionamiento, se listan los equipos y sus accesorios y así se comprueba: • La existencia de cada equipo en el lugar previsto según proyecto (columna 5). Se describe su función (columna 4). • Si trabaja con electricidad: se comprueba su encendido y apagado, ya sea local y remoto (columna 6). • Finalmente, se declara si el equipo está listo o no (columna 7).

Figura 2. Esquema del programa para la puesta en marcha de los procesos.

En la tabla 2 se muestra el registro que se diseñó para el programa de revisión de tuberías y elementos de línea. Este incluye la revisión de una serie de elementos. Se comprueban todas las interconexiones entre equipos o partes de la instalación (columna 3). En esta columna se especifica la sección de tubería correspondiente. En la columna 4 se describe su función, es decir si es de descarga, de enfriamiento, calentamiento, suministro de una materia prima, etc. Se confirma la presencia de los accesorios y elementos de

Tabla 1. Revisión del montaje y la instalación del equipamiento tecnológico (ejemplo) No.

Fecha

Equipos y sus accesorios

9/2008

Bomba 1

9/2008

Filtro 1

Función

Ubicación Energizado según proyecto

Bombeo de la corriente 1 del reactor 1 al reactor 2 Filtrado de la corriente1 23

Listo

Observ.

Instalación eléctrica incompleta

Tabla 2. Revisión de tuberías, accesorios y elementos de accionamiento (ejemplo) No.

Fecha

9/2008

Tubería

Función

Paso de la Tubería corriente 1 del 1 reactor 1 al reactor 2 Paso del agua de Tubería enfriamiento 2 del reactor 1 a la torre de enfriamiento

Elementos en la línea

Ubicación según proyecto

Listo

Observ.

Filtro 1 Válvula 1 Toma muestra

Válvula 2 Válvula 3

Tabla 3. Revisión del montaje de instrumentos de medición (ejemplos) No. Fecha 1 2

Elementos de medición

Función

Tubería Ubicación o según equipo proyecto

Medición de Termómetro Tubería temperatura 1 2 tubería 2 Medición del Tubería 9/2008 Flujómetro caudal de la 4 corriente 4 9/2008

accionamiento (columna 5). En esta columna se listan los elementos que deben estar en la línea y en la columna 6 si están ubicados según el proyecto. También se verifica si están colocados correctamente, cualquier observación al respecto o de otro tipo se anota en la columna 8. Finalmente se declara si la sección de tubería está lista o no (columna 7). En la tabla 3 se muestra el registro que se diseñó para el programa de revisión del montaje de sensores e instrumentos de medición. Se revisa la ubicación de los sensores e instrumentos de medición. En la columna 3 se especifica el elemento de medición a comprobar, en la columna 4 su función, en la columna 5 la sección de tubería o equipo donde se ubica y en la columna 6, se verifica si la ubicación se corresponde con el proyecto. Se revisa si los instrumentos de medición tienen el rango establecido (columna 7) y si los instrumentos están calibrados y

Rango de Calib./ Observ. medición verif.

0-100 0C

0-100 l/min

verificados (columna 8). Cualquier observación al respecto se anota en la columna 9. Los problemas detectados durante cada revisión y las acciones necesarias a realizar se recogen en un informe de resultados, correspondiente a cada una. También se refleja en el informe, si es necesaria otra revisión, y la fecha de la misma. Pruebas de puesta en marcha con agua Una vez realizadas estas revisiones, se procede a realizar las pruebas con agua para verificar el funcionamiento de los equipos y la hermeticidad de las interconexiones. En esta etapa se simulan, con agua, las operaciones, bajo condiciones de presión y temperatura cercanas a las de operación. Se comprueba el sistema de medición y control. Se verifica, además, la integridad mecánica de ciertos elementos de los equipos, así como la fiabilidad de los sellos en los equipos que lo posean. Se comprueban las limitaciones y deficiencias. 24

Los resultados se recogen en un informe, en el cual se reflejan, además, los problemas detectados, las acciones necesarias para su solución y la fecha de la próxima verificación, si fuera necesaria.

de la instalación, realizar los ajustes necesarios, preparar el personal técnico y caracterizar el producto. Su gran utilidad consiste en revisar gradualmente los elementos y sistemas de la instalación, detectar problemas y solucionarlos con tiempo antes de proceder a la puesta en marcha con carga, además poder organizar el trabajo en grupo con el empleo de una herramienta como el Mindmanager X5.

Pruebas de puesta en marcha con carga Una vez realizadas todas las modificaciones o reparaciones recomendadas en la prueba anterior se realiza la prueba con carga. Esta prueba permite comprobar el funcionamiento de la instalación en el trabajo con las materias primas, materiales y servicios auxiliares, para las condiciones de operación establecidas. Se comprueba, además, que el sistema de medición y control funcione según fue diseñado y que el producto cumple con los requisitos establecidos. En cada operación del proceso de producción se lleva un registro donde se reflejan los datos de la misma y las incidencias que puedan ocurrir. De esta forma se realiza el seguimiento y la medición del proceso. La medición y el seguimiento de las características del producto se realizan a través de los ensayos de laboratorio. Una vez concluida la prueba con carga, con todas las comprobaciones y modificaciones necesarias, se considera que se ha alcanzado la puesta en marcha definitiva.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Montano, R; Zuaznábar, R.; García, A.; Viñals, M. y Villar, J. FitoMas E. Bionutriente Derivado de la Industria Azucarera. ICIDCA sobre los derivados de la caña e azúcar. 41(3): pp.14-21, 2007. 2. Alamo, H. ; Storch de Gracia, J.M. Puesta en marcha y entrega de plantas químicas y petroleras (I): La puesta en marcha como sucesión de etapas: comprobaciones previas. Ingeniería Química (España) 34 (394): 335-342, 2002. 3. Alamo, H.; Storch de Gracia, J.M. Puesta en marcha y entrega de plantas químicas y petroleras (II): La puesta en marcha como sucesión de etapas: Puesta en marcha y entrega definitiva. Algunos aspectos no secuenciales. Ingeniería Química (España) 34 (395): 120-131, 2002. 4. Alamo, H.; Storch de Gracia, J.M. Puesta en marcha y entrega de plantas químicas y petroleras (III): Otros aspectos no secuenciales. Ingeniería Química (España) 34 (396): 69-76, 2002.

CONCLUSIONES La aplicación del programa de puesta en marcha permite llevar a cabo la arrancada

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 3 (sept.-dic.), pp. 26 - 35

Evelyn Faife-Pérez , Miguel A. Otero-Rambla, Amaury Alvarez-Delgado Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba evelyn.faife@icidca.edu.cu

RESUMEN Entre los microorganismos capaces de incorporar en su biomasa cantidades significativas de lípidos, con un perfil de ácidos grasos adecuado para la producción de biodiesel, se encuentran las microalgas. El uso de ellas para este fin resulta una alternativa atractiva, debido a su elevado contenido de lípidos; presentan el perfil idóneo y una elevada eficiencia fotosintética, son capaces de crecer a velocidades relativamente altas, en aguas de diferente origen y composición. No obstante, los sistemas de cultivos microalgales aún presentan algunas limitaciones, como las dificultades de mantenimiento y escalado, los elevados costos de operación para la producción y recolección de la biomasa microalgal. Se proporciona una revisión del tema de producción de biodiesel, a partir del cultivo de microalgas, como una vía alternativa bioenergética que atenuaría la elevada demanda de combustibles fósiles en el mercado mundial. Palabras clave: lípidos, biodiesel, microalgas. ABSTRACT Microalgae are microorganisms able to accumulate considerable oils in the biomass with appropriate fatty acids profiles for biodiesel production. Use of microalgae cultures is very attractive for this purpose because their high lipids content, acceptable fatty acids composition, high photosynthetic efficiency and ability to grow at sustained moderate rates in water of different origin and composition. Never the less, these cultures have some limitations as maintaining and scale up problems and high operation cost for the production and harvesting of microalgal biomass. This work present a review of biodiesel production from microalgae culture as a bioenergetic alternative to help to decrease the demand of fossil fuel oils on the word market. Keywords: oils, biodiesel, microalgae.

INTRODUCCIÓN

Empleo de las microalgas para la producción de aceites El interés en el potencial biotecnológico de las microalgas surgió en las décadas de los años 50 y 60 en Alemania, al ser consideradas como una fuente abundante de proteínas de bajo costo para la alimentación humana. A partir de estas experiencias, se extendió a todos los continentes. Posteriormente, la aplicación de las algas se diversificó a la acuicultura, el tratamiento de aguas residuales, la obtención de sustancias químicas finas, las producciones farmacéuticas y los procesos de bioconversión energética. A partir de la crisis energética de 1973, algunos países como EE.UU., Japón y Australia reconocen la producción de microalgas como una fuente bioenergética con potencial económico (17,18). Las microalgas son un conjunto heterogéneo de microorganismos fotosintéticos unicelulares procariontes (cianobacterias) y eucariontes que pueden encontrarse en diversas aguas marinas, dulces, salobres, residuales y en el suelo bajo un amplio rango de temperaturas, pH y nutrientes. Se les considera las responsables del 50 % de la producción de O2 y de la fijación del 50 % del carbono en el planeta. Se estima que existen más de 100 000 especies de microalgas que pueden ser clasificadas de acuerdo con diversos parámetros como: pigmentación, ciclo de vida, morfología y estructura celular. Las especies más estudiadas con fines biotecnológicos son las algas verdes y las diatomeas (17, 19, 20). En las microalgas, los principales componentes de la fracción lipídica son triacilglicéridos, ácidos grasos libres, ceras, esteroles, hidrocarburos, glicolípidos, fosfolípidos y pigmentos. También se encuentran compuestos inusuales como ácidos grasos halogenados o hidroxilados, alquenonas de cadena larga, y otros (17, 20-24). La acumulación de lípidos en especies oleaginosas, a pesar de la atenuación de la división celular, es consecuencia de la asimilación continua de carbono y su orientación hacia la síntesis activa de ácidos grasos. Los lípidos bajo estas circunstancias fungen como una reserva de carbono y energía, además de proteger al organismo del estrés fotooxidativo (3, 4, 20, 25-27). Las algas autótrofas pueden utilizar el dióxido de carbono como fuente de carbono

El uso de biocombustibles como el biodiesel constituye una fuente alternativa bioenergética renovable y biodegradable que ha ganado especial interés, producto de las ventajas que aporta desde el punto de vista medioambiental, social, económico y político (1-4). Aunque existen diversos métodos para la producción de biodiesel (uso de mezclas de aceites con diesel fósil, microemulsiones, pirólisis y transesterificación), la mayor parte del biodiesel es producido en la actualidad mediante la transesterificación alcalina, a causa de la rapidez y condiciones moderadas de su reacción (59). Los aceites vegetales son la principal materia prima para esta producción; sin embargo, el mercado creciente de producción de biodiesel a partir de ellos requiere del uso de enormes extensiones de tierra fértil que conllevaría a la crisis alimentaria, por lo que se emplean aceites no comestibles procedentes de cultivos marginales como Colza, palma africana, Jatropha curcas (Piñón), Ricinos communis (higuerilla), Mostaza (Brassica nigra), los cuales son capaces de proliferar en suelos áridos, pobres en nutrientes, con altos niveles de radiación y baja precipitación pluvial (7, 8, 10, 11). Se considera que entre 60 y 80 % del costo de producción corresponde a los aceites empleados como materia prima, por lo que el uso de aceites y grasas de desecho es una alternativa productiva que, sin embargo, no ha sido satisfactoria debido a los gastos adicionales de refinamiento que se requieren (3, 6, 7, 8). De acuerdo con reportes estadísticos realizados (12,13), estas fuentes son incapaces de suplir la demanda actual y futura del combustible, por lo que es urgente encontrar materias primas alternativas que permitan operar continuamente y superen las limitaciones asociadas al rendimiento agrícola, como son: los largos períodos de producción de las cosechas, el rendimiento lipídico restringido del material vegetal, la dependencia de las condiciones climáticas, la fertilidad de los suelos y la variedad cultivada, así como el enorme volumen de agua requerida para el riego (13-16). 27

y la luz solar como fuente de energía para la acumulación de grasas bajo condiciones especiales de cultivo. Se ha demostrado que varias microalgas autótrofas pueden acumular aceites (27, 28). El cultivo de microalgas y la obtención de aceites de esta forma ofrecen muchas ventajas con respecto a los cultivos terrestres. Por un lado presentan una mayor eficiencia fotosintética, una eficacia superior en la asimilación de nutrientes y períodos cortos de producción sostenida durante todo el año, debido a una tasa de crecimiento mucho mayor y por otro lado, la producción de aceite por área está estimada entre 4,6 y 18,4 l/m2, esto es, de 7 a 30 veces mayor que los mayores cultivos terrestres. Por otra parte, los cultivos microalgales son independientes de las estaciones del tiempo y de la fertilidad del suelo, prescinden del uso de herbicidas y pesticidas, permiten el empleo de territorios marginales y zonas no aptas para la agricultura o la ganadería y no requieren de grandes superficies para su producción. En una superficie de 52.000 km2, se pueden obtener 95 millones de barriles de biodiesel al día a un precio sensiblemente inferior al del petróleo actual. Se trata de una fuente de producción de energía en continuo, inagotable y no contaminante porque no moviliza carbono fósil, sino que utiliza el exceso de carbono (CO2). Contribuye de esta forma a paliar el efecto invernadero y a restablecer el equilibrio térmico del planeta. En comparación con otros vegetales utilizados para la producción de biodiesel, el fitoplancton parece ser el de mayor rendimiento. Algunos estudios señalan los siguientes niveles de producción anual de volumen de aceite por km2: • Colza: de 100 a 140 m3/km2. • Mostaza (Brassica nigra): 130 m3/km2. • Piñón (Jatropha curcas): 160 m3/km2. • Aceite de palma: 610 m3/km2. • Algas: de 10 000 a 20 000 m3/km2.

frente a distintas condiciones de cultivo, el crecimiento en ambientes desfavorables o bajo situaciones de estrés generalmente conlleva al incremento de la fracción lipídica, aunque en detrimento de la productividad del cultivo. El contenido de lípidos en las microalgas puede exceder en 80 % el peso de la biomasa seca (28, 29) aunque los niveles más comunes oscilan entre 20-50 % (17, 19, 21, 22, 30-34). De manera general, se puede decir que las microalgas oleaginosas eucariontes presentan una fracción lipídica promedio de 25,1 % en condiciones normales de cultivo y alcanzan hasta 45 % de su peso como lípidos bajo condiciones de estrés nutricional (20). Las cianobacterias solo alcanzan un contenido lipídico promedio de 9,8 %; sin embargo, se ha sugerido su empleo en la producción de biodiesel debido a que la producción de lípidos está asociada al crecimiento y a su sencillez para la manipulación genética respecto a las eucariontes (35). La productividad de ellas depende de la velocidad de crecimiento y del contenido de lípidos en la biomasa. En dependencia de la especie, se producen lípidos específicos, hidrocarburos y otros aceites complejos (36). No todos los lípidos de microalgas son satisfactorios para producir biodiesel; no obstante, los más apropiados para ello (ácidos grasos libres o unidos al glicerol y sus derivados) constituyen la mayor fracción de los lípidos totales, usualmente entre el 20 y 40 % (27, 33). El género de microalga más empleado para la producción de lípidos ha sido la Chlorella, por el alto contenido de triglicéridos (TGC) disponibles para la producción de biodiesel. Varias especies de este género cultivadas en ambientes específicos han sido identificadas como oleaginosas (más de 30 % en peso de material lipídico): C. fusca, C. protothecoides, C. pyrenoidosa, C. kessleri, C. vulgaris, C. saccharophila, C. sorokiniana y C. ellipsoidea (7, 28, 36). Algunos investigadores han logrado densidades celulares de 108 g/l de masa seca con una cepa de Chlorella protothecoides con 61 % de contenido de aceite en un proceso continuo en presencia de soluciones de carbohidratos después de 213 horas de cultivo (29). En general, las especies de algas más estudiadas para las aplicaciones biotecnológicas son las algas verdes y las diatomeas (19, 20, 31, 37).

En la tabla 1 aparecen varias especies de microalgas y su capacidad de producción de lípidos. De forma general, el rendimiento del cultivo de las mismas en tanques alcanzan los 140 625 l de aceite/ha, lo que se considera entre 10 y 40 % superior al alcanzado por el aceite de palma. La determinación del contenido lipídico de las microalgas lípidos resulta complicada debido a su variación 28

Independientemente de que la especie, su constitución genética, el nutriente limitado y la magnitud de esta limitación influyan en la acumulación de lípidos, los parámetros de cultivo como la temperatura, el tipo de fuente carbonada, la intensidad de la luz, el pH, la salinidad, la fuente de minerales y de nitrógeno también influyen en la producción de lípidos de las microalgas (38, 39). La aclimatación de las microalgas a la restricción de nutrientes se caracteriza por la manifestación de respuestas específicas para el elemento limitado como la inducción de sistemas de transporte de alta afinidad y de la síntesis de enzimas hidrolíticas para la liberación intra- o extra-celular del nutriente, así como cambios morfológicos, cese de la división celular, alteración de la permeabilidad de las membranas, acumulación de lípidos y/o polisacáridos, reducción de la actividad fotosintética y modificaciones de los procesos metabólicos. La limitación de nitrógeno es considerada la estrategia más eficiente para incrementar el contenido de lípidos neutros, en particular el de triglicéridos conformados por ácidos grasos con un elevado grado de saturación. También existen informes que demuestran que la deficiencia de fósforo, azufre y silicio (este último específico para las diatomeas), induce una respuesta similar. La concentración de Fe3+ también afecta la acumulación de lípidos, aunque aún se desconoce el mecanismo de acción (26). La temperatura, por su parte, afecta notablemente el perfil lipídico de las microalgas, de manera que bajas temperaturas incrementa el grado de instauración. Las altas intensidades luminosas también favorecen sustancialmente la acumulación de triglicéridos con un elevado perfil de saturación, donde intensidades bajas a su vez promueven la síntesis de lípidos polares altamente insaturados, estructural y funcionalmente asociados a las membranas. El pH y la salinidad son otros factores que modifican la síntesis de lípidos de diversas microalgas; sin embargo,el tipo y cantidad de lípidos producidos también dependen de la especie de la magnitud del cambio de estas variables (4, 17, 20, 21, 23, 24, 40) No es posible establecer una tendencia generalizada entre las diferentes especies microalgales ya que el comportamiento de

las mismas ante la limitación de nutrientes es variado (4, 17-21, 23, 25, 26, 41-44) Producción industrial de biodiesel a partir de microalgas De manera general, el proceso de producción de biodiesel de microalgas está conformado por etapas similares a la producción a partir de biomasa oleaginosa: cosecha y recuperación de la biomasa, extracción y transesterificación (2, 27). Los sistemas empleados con mayor frecuencia en la propagación de microalgas para la producción de biodiesel son del tipo abiertos que asemejan el entorno natural de las microalgas como lagos, lagunas y estanques. Las producciones y productividades de biomasa posibles en estos sistemas son bajas, cercanas a 1 g/l y 10-25 g/m2/d, respectivamente. Con estos bajos niveles productivos, los costos de producción son elevados, a pesar de la sencillez y el bajo costo de inversión en infraestructura, si se compara con sistemas cerrados. El mayor riesgo de este tipo de sistemas de cultivos es la alta probabilidad a la contaminación por otros tipos de algas. Las algas capaces de acumular mayores contenidos de aceite no son en general, las de más rápido crecimiento, por lo que algunas cepas de algas contaminantes pueden invadir masivamente el cultivo. Por otro lado, estos sistemas presentan otros inconvenientes como la pérdida de agua por evaporación, la transferencia limitada de CO2 al cultivo, el requerimiento de grandes superficies, los amplios períodos de producción, el control limitado frente a condiciones ambientales como la temperatura del agua, la intensidad de la luz, entre otras, por lo que el crecimiento del cultivo depende de las condiciones del medio y en general se produce en los meses más cálidos. Para el cultivo en sistemas abiertos se buscan cepas que puedan crecer bajo condiciones en las que otros organismos les resultaría difícil desarrollarse como pH altos o bajos, temperaturas específicas, requerimientos nutritivos muy particulares, además. Es por esta razón que solo algunas especies se han cultivado de manera extensiva, con éxito en este tipo de sistemas. La ventaja que tienen los sistemas abiertos es que son muy baratos y fáciles de construir ya que son estanques sencillos en el suelo. 29

Tabla 1. Acumulación de aceite en diferentes microalgas E s p ec i e

Ankistrodesmus sp (22,32,45) Botryococcus brauii var (33, 21) Botryococcus brauii var (33, 21) Chaetocerus gracilis (33) Characium polymorphum (33) Chlorella emersonii (34, 20) Chlorella minutissima (33,21) Chlorella vulgaris (34) Chlorococcum oleofaciens (33) Chroomonas salina (35) Chrysochrom. polylepsis (33, 35) Crypthecodinium cohnii (45) Cyclotela sp. (33) Cylindrotheca sp. (45) Dunal. primolecta (45, 33, 35) Dunaliella salina (33, 21, 35) Euglena gracillis (33) Hantzchia sp. (33)

L í pi d o s (% )

E s p ec i e

L í pi d o s (% )

24,5-40,3 43-63 53-86 46 42 63 57 5,1-56 44,3 44 47,6 20 54 16-37 23–53,8 9,2–47,2 55 61

Hormotilopsis gelatinosa (33) Isochrysis sp. (22, 35) Monallantus salina (45, 33) Monodus subterraneus (45, 33) Nannochloris sp.(45, 35) Nannochloropsis salina (21) Naviculla pelliculosa (33, 35) Neochloris oleobundans (33, 31) Nitzschia. Laevis (20) Nitzschia.sp. (45, 22) Ochromonas danica (33, 35) Ourococcus sp. (33, 35) Parietochlorosis incisa (20) Radiosphaera nagevensis (33, 35) Scenedesmus dimorphus (33, 35,34) Scenedesmus obliquus (34) Scotiella sp. (33, 31) Schizochytrium sp. (45)

49,1 7,1-47 20-72 39,3-40 20 – 47,8 40,8-72,2 22–44.8 18,9–88,8 69,1 22,1-47 39–71 27–49,5 62 43 6-0 11-55 34,5-48 50-77

Un sistema alternativo para el crecimiento de algas es mediante invernaderos, también en estanques. Aunque se reduce el área de cultivo, se solucionan muchos problemas que poseen los sistemas abiertos como una menor probabilidad de contaminación por especies no deseadas, puede cultivarse una mayor variedad de especies; el período de cultivo es mayor, ya que hay control de la temperatura y puede incrementarse la cantidad de CO2 en el ambiente, entre otras. Estas instalaciones poseen sistemas que permiten a las algas mantenerse en movimiento en el medio, de forma que todas reciban la misma cantidad de luz y nutrientes. Por otro lado, se renueva continuamente la cantidad de CO2 y otros nutrientes. Otro tipo de sistemas cerrados de cultivos son los foto-biorreactores donde factores como la intensidad de la luz, la razón CO2/O2, la temperatura, los nutrientes, la salinidad, el pH, entre otros, son más controlados que en los sistemas abiertos. Las altas productividades inherentes a estos sistemas precisan de una penetración y distribución óptima de la luz, por lo que se requieren materiales de construcción transparentes y de una relación superficie/volumen elevada; sin embargo, la intensidad de la luz debe ser moderada, de lo contrario, se producen fenómenos de foto-inhibición y

foto-blanqueo. Asimismo, la relación CO2/O2 debe ser tal que la proporción de O2 sea mínima y por tanto se impidan los procesos de foto respiración y daño foto-oxidativo. Por otra parte, estos sistemas son muy costosos debido, en gran medida, a la energía invertida en la agitación mecánica de los cultivos con la finalidad de evitar la sedimentación y favorecer la transferencia de gases (2, 14, 27, 35). Los sistemas híbridos han sido propuestos como una alternativa económica para la producción a gran escala. Estos sistemas consisten en una etapa inicial de producción de biomasa en foto-biorreactores cerrados, en los cuales los microorganismos son mantenidos en crecimiento continuo bajo condiciones de suficiencia de nutrientes, seguida por una fase de acumulación de producto (lípidos) en estanques abiertos, inducida mediante la deficiencia de nutrientes (2). Una vez que la biomasa de microalgas se ha producido en algunos de estos sistemas se procede a la cosecha o recolección. La centrifugación, sedimentación, filtración y floculación individualmente o combinadas son los procedimientos más comunes y su aplicación depende de la microalga cultivada (2, 43). Esta etapa influye notablemente en los costos de producción del biodiesel, por lo que la selección de una técnica de 30

recolección eficiente y de bajo costo es trascendental. La aplicación de estos procedimientos depende del tipo de especie de microalga cultivada. En la tabla 2 aparece de forma resumida la especie y las desventajas de estos procedimientos. Alternativamente a estos métodos se ha propuesto el empleo de floculación microbiana o co-biofloculación, en el cual se adicionan microorganismos autofloculantes (como levaduras) al cultivo microalgal, de forma tal que se propicia la aglomeración conjunta de estos con la biomasa que se desea cosechar (2, 39). Algunos lípidos en las microalgas se encuentran en la membrana celular y otros en la parte no acuosa de la célula; por ello, para aumentar el rendimiento de la reacción de transesterificación, puede ser beneficioso lisar las células para incrementar la accesibilidad de la lipasa a los lípidos. La disrupción puede realizarse mecánicamente mediante la aplicación de vapor presurizado o empleando virus que provoquen la lisis de las células, expresando un gen que produzca una proteína lítica o tratando el cultivo con un agente que hidrolice las células (46). A partir de la biomasa cosechada, se extraen los aceites mediante métodos como la lixiviación con solventes orgánicos, principalmente hexano. Sin embargo, esta técnica trae como desventaja los costos y la energía adicional necesarios para la recuperación del solvente, además de la contaminación de la biomasa microalgal libre de lípidos, lo cual limita las posibilidades de apro-

vechamiento de este subproducto. En los últimos años, se han propuesto variantes de lixiviación con solventes orgánicos, como la extracción in situ a partir de células vivas de microalgas o el acoplamiento de la etapa de extracción lipídica con la transesterificación; no obstante, deben ser reevaluadas tanto su aplicación como su factibilidad económica. Asimismo, la extracción mediante prensado ha sido sugerida a pesar de no implicar el uso de solventes, su eficiencia es menor a la de la lixiviación (47, 16, 2). Aplicación de ingeniería genética Se han realizado ensayos de selección e ingeniería genética en algas y levaduras para expresar las enzimas de la ruta de los lípidos que muestran un nivel alterado comparado con la célula parental de la misma especie. Dentro de estas enzimas se encuentran la piruvato deshidrogenada, la acetilCoA, la carboxilasa, la proteína transportadora de grupos acilo y la glicerol -3 fosfato acil-transferasa. En otros casos, la enzima se expresa a menor nivel que la blanco como la enzima citrato sintasa. Recientemente, se han obtenido reguladores globales de la síntesis de ácidos grasos a niveles de expresión alterados; así, se han obtenido niveles alterados de varios genes sintéticos de ácidos grasos. En algunos casos, la ruta lipídica comprende una enzima que modifica un ácido graso como la estearoil-ACP desaturasa y la glicerolípido desaturasa.

Tabla 2. Métodos empleados en la recolección de microalgas Procedimiento

Especies

Filtración

Forma filamentosa o formadoras de colonias

Sedimentación Centrifugación Floculación con sales inorgánicas Floculación con polímeros orgánicos catiónicos Biofoculación

Desventajas Obstrucción de filtros, formación de tortas de filtración compresibles, altos costos de mantenimiento

Diámetros mayores de 5 ì m y Larga duración paredes celulares gruesas Conveniente solo para productos Diámetros mayores de 5 ì m y de alto valor agregado por su alto paredes celulares gruesas costo y alta demanda de energía Alto costo, contamina la biomasa Disminuye su eficiencia en aguas salobres Con floculación natural o con Altera la composición bioquímica aglomeración inducida con de la microalga y el rendimiento condiciones de estrés lipídico

Se ha informado el empleo de uno o varios genes exógenos en cepas del género Chlorella, que codifican para proteínas seleccionadas del grupo compuesto por la acilACP thioesterasa, la acil-CoA reductasa, la aldehido reductasa, la acil-CoA/aldehido reductasa, la aldehído decarbonilasa y una proteína transportadora de grupos acilo. También se informa el empleo de genes exógenos que codifican para cofactores de la ruta enzimática de los lípidos o de una proteína que participe en la síntesis del cofactor. Es posible que el gen exógeno sea un enlace operable con el promotor, el que es inducido o reprimido en respuesta a determinado estímulo. El estímulo puede provenir de pequeñas moléculas exógenas, el calor o la luz. En otros casos, el gen exógeno puede encontrarse en compartimentos celulares como los cloroplastos o las mitocondrias (48). Mediante las técnicas de ingeniería genética también pueden obtenerse microalgas que produzcan altos niveles de TAGs (triacilglicéridos), que expresen un gen que autolice las células, como un gen portador de un virus autolítico. Este gen puede usar un promotor inducible, de forma tal que primeramente la célula crece hasta una densidad celular deseada en el fermentador y se colecta seguido por la inducción del gen que lisa las células (48). Opcionalmente pueden emplearse lipasas que sean expresadas en compartimentos intracelulares, donde se mantiene separada de la mayor parte del contenido lipídico hasta la transesterificación. En general, es preferible realizar la transesterificación después de eliminar el agua o después que el alcohol ha sido añadido. Para limitar la exposición de la lipasa a los lípidos, la lipasa puede ser expresada en los cloroplastos, las mitocondrias u otros organelos celulares. Esto permite el secuestro de la lipasa hasta después de la disrupción celular. Estos microorganismos productores de altos niveles de lípidos pueden transformarse genéticamente para expresar la acil-ACP tioesterasa exógena, la cual facilita el enlace de los ácidos grasos de la proteína transportadora Acil (ACP) durante la síntesis de lípidos. Estos ácidos grasos pueden recuperarse mediante procesos enzimáticos posteriores dentro de la célula y nuevos compuestos hidrocarbonados. Opcionalmente, la acilACP tioesterasa puede ser expresada desde

un gen operable enlazado a un promotor inducible o ser expresada en un compartimiento intracelular (48). La acil-ACP tioesterasa puede seleccionarse basado en su especificidad para un incremento de ácidos grasos, según el largo de la cadena carbonada. Por ejemplo, la acil-ACP tioesterasa puede tener especificidad por un rango de 8-34 átomos de la cadena de C, preferiblemente de 8-18, y con más preferencia aun de 10-14. La más utilizada es la específica para los ácidos grasos de 12 átomos de C. De acuerdo con los enfoques utilizados hasta el momento, se pueden aplicar diversas estrategias de ingeniería genética para alcanzar un incremento en la producción de aceites en los microorganismos oleaginosos (48), a saber: 1- Expresar uno o varios genes exógenos, por ejemplo, expresión de dos genes: uno que exprese una lipasa, la cual facilitaría la transesterificación de los tricilgliceroles y otro gen autolítico para incrementar la accesibilidad de la lipasa a los lípidos. Estos genes pueden ser expresados empleando promotores inducibles, lo que permite una relativa retención en el tiempo de expresión del gen, para controlar el incremento del rendimiento lipídico y la conversión de ácido graso a éster. 2- Modificar, mediante ingeniería, las proporciones de los lípidos de una cepa para incrementar el flujo de carbono en la ruta metabólica de los lípidos, o alternativamente, la composición de los lípidos producidos. 3- Expresar dos genes exógenos: uno que codifique como transportador de la fuente de carbono seleccionada (la sacarosa) y otro para la enzima respectiva (sacarosa invertasa). El microorganismo resultante producirá lípidos u otros compuestos hidrocarbonatos a un menor costo de producción. Este resultado puede combinarse con la disrupción de la biosíntesis de polisacáridos mediante mutagénesis directa, la cual implicará un flujo mayor en la producción de hidrocarbonos. De esta forma, es posible obtener cepas capaces de producir mayor porcentaje de TAGs. Si además, se expresa una lipasa con un promotor inducible se logra facilitar la transesterificación de los TAGs con la presencia de suficiente alcohol y con ello un incremento de la producción de biodiesel. 32

De forma general, la producción de ácidos grasos poli-insaturados (PUFAs) mediante el empleo de microorganismos transformados genéticamente tiene algunas ventajas respecto a la producción a partir de microorganismos aislados naturalmente. Por ejemplo: el perfil de aminoácidos de los microorganismos transformados será estable mientras que el de la cepa nativa puede ser alterado por la introducción de nuevas rutas biosintéticas o la eliminación de alguna ruta metabólica. Esto podría aumentar o disminuir la producción de PUFAs deseada. Además, la producción puede ser regulada mediante el control de las condiciones de cultivo, particularmente, añadiendo fuentes de sustrato específicas para la expresión de enzimas o mediante la adición de compuestos que supriman rutas bioquímicas indeseadas. A partir de la descripción detallada de la ruta de biosíntesis de ácidos grasos insaturados de células de mamíferos, han aparecido informes sobre el empleo de algunos de los genes de las enzimas involucradas en la conversión de los ácidos grasos en cepas de Yarrovia lipolítica. Se ha informado, recientemente, que cepas transformadas genéticamente son capaces de producir un 50 % mayor de ácido eicopentaenoico (EPA) y de w-3 en la fracción total de lípidos. Estas cepas sobreexpresaron las enzimas heterólogas Δ9 elongasa, las desaturasas Δ8, Δ5, Δ17 y Δ12 y la elongasa C16/18 y, opcionalmente, sobreexpresaron también la diacilglicerol choline-phospho-transferasas. Considerando los avances alcanzados en materia de ingeniería genética, pueden desarrollarse diversas estrategias de fermentación cuyo objetivo sea lograr un incremento en la producción de lípidos.

del máximo costo de producción de la biomasa microalgal con un contenido oleaginoso específico, lo cual posibilitaría su competencia con los precios actuales del petróleo. No obstante, la factibilidad económica de esta producción es dudosa debido al elevado costo de la infraestructura necesaria, pues precisan de un complejo equipo técnico de manejo y mantenimiento y además de una fuente industrial de CO2, que debe ser inyectado en los tanques de agua. Para competir con el costo promedio del petróleo (US $ 94,45/barril), el costo de producción de biomasa microalgal con un contenido lipídico del 55 % debe ser de US $ 323/t de biomasa (27). Recientemente, algunas compañías productoras de biomasa microalgal han reportado costos de producción de US$ 370/t o inferiores, por lo que la tecnología aplicada en estos casos podría ser económicamente viable (2). Sin embargo, las fluctuaciones en el precio del petróleo deben ser consideradas en el transcurso del tiempo, pues una reducción de los mismos, demandaría la disminución de los costos de producción de la biomasa. CONCLUSIONES Las algas tienen entre sus ventajas la capacidad de acumular el mayor porciento de lípidos a partir del aprovechamiento de la energía solar y el dióxido de carbono (record: productividad promedio de 20 000 l/ha-año), por lo que son ecológicamente más atractivas. Aunque se piensa que los biocombustibles en base a la producción industrial de microalgas son los únicos que pueden reemplazar los combustibles fósiles, por su alto rendimiento por área de cultivo y su independencia de la calidad de los suelos, aún faltan algunos aspectos por desarrollar para la producción masiva de biodiesel por esta vía, como son: la identificación de cepas de alta producción de aceites que no necesiten muchos requerimientos nutricionales para su crecimiento, el mantenimiento de monocultivos con altos rendimientos de biomasa; definir los mejores métodos para su cultivo y la tecnología para extraer el aceite a gran escala, ya que las algas no son lo suficientemente fibrosas como para prensarlas y la extracción más viable es de forma química. El futuro del cultivo intensivo de algas para biodiesel está vinculado a grandes

Factibilidad económica del biodiesel de algas La ventaja competitiva más importante del biodiesel de microalgas consiste en los rendimientos lipídicos por unidad de área, considerablemente superiores a los obtenidos con plantas oleaginosas (2, 3, 14, 17, 19, 20, 35, 43, 44, 47, 50). La factibilidad de la producción de biodiesel de microalgas depende de su competitividad con los combustibles fósiles, de manera que los costos de producción resultan decisivos. La estimación de la viabilidad de esta tecnología es posible mediante la determinación 33

industrias productoras de CO2, que puedan asumir el alto costo de las instalaciones, no sólo para producir combustible, sino también para disminuir la contaminación ambiental y mejorar su imagen pública. Desde el punto de vista energético, es más beneficioso secar las algas, antes de la extracción del aceite para la producción de biodiesel y después de los procesos de extracción de los aceites, utilizarla como combustible en la generación de vapor. Una ventaja adicional resulta la posibilidad de obtener subproductos (proteínas, carbohidratos, biopolímeros, pigmentos, biogás o metano, etc.), a partir de la biomasa microalgal residual una vez que los lípidos hayan sido extraídos. Inclusive, en algunos casos, es factible el empleo de estos residuos en la alimentación humana o animal y en la producción de fertilizantes o de otros combustibles.

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ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 3 (sept.-dic.), pp. 36 - 44

Jorge Leiva-Mas1, Pastora de la C. Martínez-Nodal2, Guillermo Esperanza-Pérez2, Iván L. Rodríguez-Rico1, Carlos E. Gordiz-García3 1 Departamento de Ingeniería Química. Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas. Carretera a Camajuaní km 5.5. Santa Clara, c/p 54830, Villa Clara, Cuba jorgelm@uclv.edu.cu 2 Centro de Estudio de Química Aplicada (CEQA). Universidad Central"Marta Abreu" de Las Villas. Carretera a Camajuaní km 5.5. Santa Clara, c/p 54830, Villa Clara, Cuba 3 Oficina Territorial de Normalización, CITMA Villa Clara, Cuba RESUMEN Se evaluó el empleo del bagazo de caña de azúcar como biomaterial adsorbente de hidrocarburos en una columna de lecho fijo, para el tratamiento de las aguas oleosas provenientes de la estación de generación de vapor del campus de la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas, Cuba. Se evaluó el proceso de biosorción del diesel presente en aguas residuales utilizando bagazo de caña, a partir del establecimiento de las condiciones experimentales a nivel de laboratorio. En función de los resultados obtenidos a escala de laboratorio, se realizó el escalado de una columna rellena con bagazo natural como absorbente de grasas e hidrocarburos. Se muestran los resultados experimentales obtenidos con el prototipo a escala piloto. Estos demuestran que la solución tecnológica para el tratamiento de las aguas oleosas generadas en estaciones de vapor, mediante columnas empacadas con bagazo natural, es una opción tecnológica y ambientalmente factible que permite obtener aguas con bajos contenidos de grasas, aceites e hidrocarburos. Palabras clave: aguas oleosas, absorción, columnas rellenas. ABSTRACT Present paper assess the use of sugarcane bagasse as an hydrocarbon-adsorbent biomaterial in a fixed bed column for the treatment of oily water from the steam generating station located in the Central University "Marta Abreu" of Las Villas campus, Cuba. This process evaluated the biosorption of diesel present in wastewater using bagasse, from the experimental conditions established in the lab. Based on the results obtained at laboratory scale the scaling up of a column filled with natural bagasse for the adsorbance of fats and hydrocarbons was performed. The experimental results obtained with the pilot-scale prototype are shown. that the results demonstrated that the technology solution, for treatment of oily water generated in vapor stations by means of columns packed with natural bagasse is technologically and environmentally feasible which allows the obtainment of wastewater with low content of fats, oils and hydrocarbons. Keywords: oleaginous water, absorption, packed column.

INTRODUCCIÓN

• Tratamiento secundario: Eliminación de los hidrocarburos emulsionados y sólidos suspendidos de tamaño muy pequeño. • Tratamiento terciario: Eliminación de hidrocarburos disueltos, oxidación del posiblemente presente H2S residual, y en caso necesario, la realización de nitrificación/desnitrificación. • Tratamiento cuaternario: Esta fase de tratamiento se aplica a las aguas a reutilizar en los procesos. La adsorción involucra la acumulación o concentración de sustancias en una superficie o interfase. El proceso puede ocurrir en la interfase de un sistema bifásico como el líquido-líquido, gas-sólido o líquido-sólido. Esta última es de suma importancia en la purificación de aguas residuales. La sustancia que se desea concentrar o adsorber se denomina adsorbato, mientras que el adsorbente constituye la otra fase. La adsorción es un proceso mediante el cual las moléculas o átomos de una fase se interpenetran con la otra formando una solución (por ejemplo, adsorción de oxígeno dentro de agua). El término sorción, que incluye tanto la adsorción como la absorción, es una expresión general del proceso en el que un componente se mueve de una fase para acumularse en otra, particularmente para aquellos casos en que la segunda fase es un sólido. Actualmente, una de las aplicaciones más importantes de la adsorción es en la remoción de compuestos orgánicos e inorgánicos presentes en aguas potables y descargas residuales municipales e industriales.

Una de las consecuencias inevitables que trae consigo la tecnología basada en el petróleo como fuente de energía, es la contaminación de las aguas. Este compuesto es una mezcla compleja que contiene mayormente hidrocarburos que, al estar presentes en una alta concentración, resulta muy difícil separarlos e identificarlos. Entre las principales desventajas de los métodos tradicionales de tratamiento se encuentran las bajas eficiencias que generalmente alcanzan, los altos costos operacionales y los gastos por insumos y otros requerimientos energéticos (1). La mayor parte de la contaminación por hidrocarburos en cuerpos de agua proviene de fuentes terrestres como aguas residuales industriales, derrames de petróleo, así como por el arrastre de hidrocarburos, motivado por las lluvias a través de los sistemas de alcantarillado y drenaje fluvial de las ciudades. En entidades de servicio es común la existencia de calderas generadoras de vapor, ubicadas en comedores, escuelas, hospitales y fábricas; muchas de ellas están localizadas en zonas urbanas, donde no se permite verter residuales contaminados con hidrocarburos a la red de alcantarillado. En estos casos, se requieren soluciones para el tratamiento in situ. Los objetivos del tratamiento de aguas residuales son básicamente dos: proteger los cuerpos de agua evitando la descarga de aguas residuales contaminadas y obtener un agua de calidad adecuada para su reutilización o vertimiento, teniendo en cuenta la legislación vigente del país en cuestión (2 - 4). El tratamiento del agua oleosa es, por tanto, una tarea difícil. Dependiendo de la fuente y la calidad del residual, cada caso de agua oleosa puede requerir de una solución técnica propia (5, 6). La sedimentación por gravedad es lenta y frecuentemente una operación inefectiva que requiere mucho espacio y algunas veces cantidades excesivas de productos químicos. Los filtros prens, por su parte, pueden separar solamente sólidos de líquidos y tienen una baja capacidad y un tratamiento químico generalmente costoso. El proceso de tratamiento de las aguas residuales consta de cuatro etapas principales: • Tratamiento primario: Separación de los hidrocarburos y sólidos en suspensión.

MATERIALES Y MÉTODOS La caracterización del sistema de tratamiento es un paso esencial. Esto se logra mediante la determinación de su composición y de los flujos y concentraciones máximas, mínimas y medias del mismo. En el caso de los residuales líquidos de las estaciones de generación de vapor, pueden presentar grandes variaciones referidas a flujos y composiciones en dependencia de la tecnología empleada y las materias primas, entre otros (7, 9). Al bagazo de caña natural se le realizó la caracterización física. Entre las propiedades físicas determinadas están la humedad, 37

RESULTADOS

densidad aparente, flotabilidad y textura de las fibras (obtenidas por microscopía electrónica de barrido). El diseño de columnas de adsorción se inicia con las pruebas de laboratorio, en condiciones lo más cercanas posible a lo que se espera tener a nivel industrial. Tanto las pruebas de columna como el procedimiento de diseño se facilitan mediante el empleo de un método de cálculo que se basa fundamentalmente en el tiempo de servicio de la columna. En la adsorción en lecho fijo, mientras el agua fluye a través de la columna, el contaminante adsorbible es gradualmente removido y el líquido se purifica en la medida en que se mueve a través de la columna. Los estudios de adsorción en condiciones estáticas se complementan, a menudo con estudios de la cinética de adsorción para determinar la resistencia a la transferencia externa de masa y el coeficiente efectivo de difusión, así como con estudios de adsorción en columna. De estos últimos se determinan los requerimientos de tamaño del sistema, tiempo de contacto y velocidad de uso del sorbente. Estos parámetros se obtienen a partir de las curvas de ruptura o rotura (4, 8). Se realizaron estudios de absorción de hidrocarburo en bagazo natural para determinar las potencialidades de absorción, posteriormente se realizan estudios a escala de laboratorio para buscar las mejores condiciones operacionales de una columna empacada con bagazo natural trabajando de forma continua. Los datos obtenidos a escala de laboratorio fueron utilizados para el escalado de un prototipo patrón al cual se le realizaron pruebas preliminares para determinar la eficiencia en la remoción de grasas, aceites e hidrocarburos en las aguas oleosas originadas en la estación de generación de vapor en el comedor central del campus de la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas.

El caudal promedio de aguas residuales a la salida de la estación de generación es de 72,00 l/día (8,3 x 10-7 m3/s), a este residual se le ha realizado una caracterización completa, pero para los fines prácticos del diseño de una columna de absorción empacada con bagazo natural solo se consideran los contenidos de hidrocarburo y de grasas y aceite, estos parámetros, según la NC 27-1999, no pueden estar presente en los vertimientos al sistema de alcantarillado, así que el objetivo básico de la investigación es el diseño de una columna capaz de eliminar hidrocarburos, grasas y aceites de estas aguas para incorporarlas al sistema de tratamiento de residuales líquidos de la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas. Preparación del bagazo El bagazo fue recolectado, molido y tamizado. El tamaño de las partículas de bagazo se reduce utilizando un molino de rotor de 6 paletas modelo SR-2. La muestra del material granular pesada, se colocó en el sistema de tamizado (Serie Tyler: 4 mm, 2 mm, 1 mm y 0,5 mm) y se sometió a un proceso de vibraciones durante un período de 10 minutos. Posteriormente, se recogieron las fracciones depositadas en cada tamiz y se determinó el rendimiento de cada una de ellas respecto al total procesado. La fracción de interés definida, fue la contenida entre las mallas -2 + 1 mm, dado por el rendimiento en el tamizado (41 %), la homogeneidad de dicha fracción y su capacidad de sorción para estos fines definida en trabajos previos (9). Caracterización física del bagazo • Determinación de humedad Se realizó en una balanza de humedad Sartorius modelo MC 40, a una temperatura de 105 °C. • Determinación de la densidad real. (Método picnométrico)

Tabla 1. Principales contaminantes presentes en el agua oleosa utilizada Contaminantes

Grasas y aceites Hidrocarburos

Unidad de medida (mg/L) (mg/L)

Valor medio

Valor mínimo

Valor máximo

Desviación típica

25,21 49,36

22,00 47,00

28,00 52,00

1,58 1,39

Se empleó un picnómetro de tipo Weld de 50 ml. La técnica consiste en pesar, utilizando una balanza analítica Denver Instrument modelo TB-224ª (d*= 0,0001 g), una masa determinada del material la cual se introduce en el picnómetro, luego se le adiciona el solvente hasta el nivel de enrase del mismo y la densidad se determina por la siguiente ecuación:

ρ r eal =

m part . m V p − so lv . ρ solv .

Tabla 2. Resultados estimados de algunas propiedades físicas del bagazo natural Valor Propiedad física promedio Humedad a 105 0C (%) 7,57 Densidad aparente (g/cm 3) 0,0697 Densidad real (g/cm 3) 0,1656 Porosidad 0,60 Flotabilidad Si

Ec. 1

Donde: mpart.- Masa de sólido (bagazo natural). Vp - Volumen del picnómetro a 20 ºC con el solvente y el sólido. msolv.- Masa del solvente que se añade al picnómetro hasta el enrase. ρsolv. - Densidad del solvente. La densidad real del bagazo ha sido calculada, es de 0,1656 g/cm3 con una desviación típica de 1,53 x 10-4 Figura 1. Microfotografías de partículas de bagazo natural.

• Determinación de la porosidad La porosidad de la partícula de un sólido es una medida de la rugosidad y la capacidad de la superficie y se estimó a partir de su relación con la densidad, según la ecuación:

e = 1−

ρap ρ real − ρ ap = ρ real ρ real

según Ortiz (10), en el cual se determina la masa de hidrocarburo sorbido por gramo de material sorbente, mediante la ecuación:

Ec. 2

Ca =

En la tabla 2 se resumen las propiedades físicas del bagazo natural utilizado en las experiencias.

mt − m0 m0

Ec. 3

Donde: Ca = Capacidad de sorción. mt = Masa de material impregnado (Peso del sorbente e hidrocarburo sorbido) m0 = Masa del material sorbente seco.

Microscopía Electrónica de Barrido Las muestras de bagazo natural, fueron analizadas empleando la microscopía electrónica de barrido (MEB) acoplada a un sistema de energía dispersiva (EDS) (microanálisis elemental), lo cual permite determinar una composición cualitativa y semicuantitativa de muestras a partir de la emisión de rayos X característicos (ver figura 1).

Para los ensayos gravimétricos se utilizó una balanza analítica marca Denver Instrument modelo TB-224ª, d*= 0,0001 g. Directiva No. 90/384/CEE para balanza de funcionamiento no automático aplicable en los estados miembros de la comunidad europea. Los cálculos fueron programados y procesados en Excel y para el análisis estadístico se utilizó el programa Statgraphics Plus.

Capacidad de sorción de la fracción de interés, con el hidrocarburo seleccionado Para determinar la capacidad de sorción, se tuvo en cuenta la metodología aplicada 39

Pruebas de sorción En este método, se pesa aproximadamente 1 gramo de material, se coloca en un recipiente y se le añade el hidrocarburo. Se deja en contacto un tiempo de 15 minutos a presión atmosférica y temperatura ambiente. Luego es filtrado por escurrimiento (1 hora) en un embudo de malla fina y se cuantifica la ganancia en peso por el método gravimétrico.

Tabla 4. Resultados obtenidos a escala de laboratorio para la absorción de hidrocarburos, grasas y aceites Valor medio 1,8093

escala de laboratorio, se lleva a cabo un escalado a nivel de planta piloto para analizar el comportamiento de los parámetros estudiados en esta investigación. Para ello se realizó un esquema tecnológico con apoyo del programa Super Pro Design, se mostró una propuesta del sistema tecnológico para la remoción de hidrocarburos, utilizando columnas rellenas con bagazo de caña. Se exponen las dos posibilidades para el tratamiento secundario al efluente de la columna (figura 3). Metodología para el escalado de torres de adsorción Para aplicar el escalado a nivel de planta piloto se emplea la metodología propuesta por Curbelo (15), la cual toma en consideración los parámetros de operación del modelo en función de las mejores condiciones. En esta metodología se plantea que para el modelo y el prototipo se deben cumplir los siguientes principios: • Similitud geométrica. • Similitud térmica, pues el rango de temperatura de trabajo no varía. • Similitud cinemática. Las propiedades físicas del fluido se mantienen constantes de una escala a otra, para garantizar el régimen de transferencia de masa. • Similitud dinámica, dado que el Reynolds es laminar.

Figura 2. Procedimiento para la prueba de sorción del bagazo. Para corroborar los resultados y para buscar datos de diseño que serán aplicados en el escalado a nivel piloto se realiza el proceso de biosorción en continuo en una columna, permitiendo establecer los parámetros de operación que se muestran en la tabla 4. Los resultados de la capacidad de sorción obtenidos con el material evaluado, son promisorios al compararlos con trabajos de otros autores (11- 14). Ello ofrece resultados satisfactorios para su empleo industrial como producto sorbente nacional con características similares o superiores a los ofertados en el mercado internacional. Escalado Teniendo en cuenta los experimentos realizados en una columna a

Valor Valor Desviación mínimo máximo típica g de diesel/g de bagazo 1,6942 1,8869 0,10

Similitud geométrica El modelo a escala de laboratorio y el de planta piloto serán iguales geométricamen-

Figura 3. Propuesta de escalado a nivel de planta piloto de un sistema para la remoción de hidrocarburos. 40

Tabla 5. Simbología epígrafe de escalado M P e D f (pie2/h) ρ (kg/m3) μ (Pa*s) Q (L/h) Af (m)

υo

(m/s)

K (lib/h*pie2) H (m) D (m) Re Δ P (Pa)

dc (m)

utilizada en el

Re p = 1 = (Re) Relación de parámetro Ec.6 entre el modelo y el proRe m totipo

Modelo experimental (laboratorio) Modelo a escala de planta piloto Porosidad Difusividad agua oleosa Densidad agua oleosa Viscosidad Flujo de la solución Área de la sección transversal Velocidad del fluido a través de la cama Coeficiente de transferencia de masa Altura de la cama Diámetro de la columna Número de Reynold Caída de presión Esfericidad o factor de forma Diámetro de la partícula

Al considerar que los sistemas homólogos son semejantes geométrica y térmicamente, se cumple que:

υo m = υ o p =

υo p = (υ o )= 1 υo m

⎡ 10 ,9 * Q (1 − e) ⎢ D f k= ⎢ Q dp * A f ⎢ dp * A f ⎣

Ec.4

Como Q

Las propiedades físicas del fluido no varían, pues es el mismo tanto, en el laboratorio como en el escalado a planta piloto, por tanto:

ρp ρm

μm μp

Relación de parámetro entre el modelo y el prototipo

Ec.7

Significa que manteniéndose constantes las dimensiones entre el modelo del laboratorio y el de la planta piloto, así como las propiedades del fluido que circula a través de la columna y el tipo de partícula que se emplee como adsorbente, la velocidad superficial tiene que ser la misma para ambos sistemas. (16). A continuación, se observa la influencia de lo anteriormente explicado en la ecuación de escala escogida:

te, por lo que la relación H/D es constante e igual en cada sistema, cumpliéndose que:

HP D p = Hm D m

Constante

⎡ Df ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ dp * υ o ⎦

⎛υ o ⎞ k es función de ⎜⎝ υ o ⎟⎠

El rango de temperatura no varía, por lo que se considera similitud térmica. En operaciones de adsorción, absorción o reacciones catalíticas en lecho fijo o fluidizado, el escalado se efectúa sin variar el tipo de partícula, debido a que la naturaleza, dimensiones y porosidad se mantienen en ambos sistemas, por lo que se cumple que: Rem = Rep = constante.

0,5 0,16

⎡Df * ρ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ μ ⎦ Ec 8

A f =υ o

10 ,9(1 − e )υ o k = dp

Ec.5

⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦

0,5

⎡Df *ρ ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ μ ⎦

0,16

Ec. 9

0 ,5

y como υo= 1,

entonces (k = 1). Relación de parámetro entre el modelo y el prototipo. Esto significa que el prototipo será igual al modelo en lo referente a transferencia de masa, siempre y cuando en esos sistemas sea igual la velocidad superficial υo. Caída de presión Si se selecciona el primer término de la ecuación de Ergun: 41

ΔP 150(1 − e) μ *υ = * 2 o2 3 H e ψ * dp

l/s), sustituyendo y despejando en la ecuación 10:

Ec.10

Δ P 150 (1 − e ) μ *υ o = * 2 3 H e ψ * dp 2 2

Manteniendo constantes ψ, dp, μ y e, se llega a la siguiente relación:

Cálculo de la velocidad:

ΔP es función de υo H

υo =

Lo que implica que el valor de caída de presión por unidad de longitud o altura del lecho, depende solamente de que se mantenga la misma velocidad del fluido, o lo que es lo mismo: ΔP es función de H*υo y como υo = 1, entonces ΔP solo depende de H.

ΔP =

2,77 *10 −7 m −5

2,12 *10 m

s = 0,013 m

−3 m 150 * (1 − 0,6)2 1,*10 Pa * s * 0,013 s * * 0,30 m = 770 Pa 3 2 2 0,6 0,5 * (0,0015) m

Utilizando la relación de escalas para la altura del lecho de 60 cm:

ΔP m ΔP p (Relación de Escala) = Hm H p

ΔPm Δ Pp = Hm Hp (Relación de Escala) Ec.11

770 Pa ΔP p = 0 ,30 m 0, 60 m

Aplicando el procedimiento según los datos del modelo, se pueden obtener los resultados para el prototipo. Las condiciones antes descritas, propician que la cama se mantenga estable, no se fragmente, que no drene cuando cese la operación, y que se logre una caída de presión adecuada. Se define una relación H/D de la columna de 5/1 como criterio de diseño (16).

ΔP = 1540 Pa En la tabla 6 se resumen los datos fundamentales de la columna rellena con bagazo a escala de laboratorio y del prototipo que se utilizará para estudios preliminares con las aguas oleosas provenientes de la estación de generación de vapor del comedor central de la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas. Además, se determinó mediante la relación de escala establecida, la caída de presión que proporciona el lecho. Las caídas de presión son bajas en correspondencia con la baja densidad y alta porosidad del relleno. También se reportan los valores del flujo, tanto en la escala de laboratorio como en la columna piloto. El

Cálculo de los parámetros de la columna a escala piloto Para realizar el escalado de la propuesta a escala de planta piloto de la columna de adsorción rellena con bagazo natural, se toma como referencia la columna a escala de laboratorio, aplicando la metodología establecida. Partiendo que la altura de la cama del modelo es de 30 cm y que como criterio de escalado se trabaja con una relación modelo/prototipo de ½, se tiene que sustituyendo en la ecuación 4 y conociendo que el diámetro del modelo es 5,2 cm y del prototipo es 10,4 cm, se tiene:

Tabla 6. Parámetros b ásicos de diseño de las columnas a escala de laboratorio y piloto

H p 10 , 4 cm = 30 cm 5 , 2 cm

Para solución de Agua Oleosa

Donde Hp = 60 cm Conociendo que la altura del lecho en el modelo es de 30 cm y Q = 1,0 l/h. (2*10-7 42

P a r á m e tr os

L a b or a to r io

P ilo to

H (m) dc (m) ÄP (Pa) Q (m 3/s)

0,30 0,052 770 2*10- 7

0,60 0, 104 1540 8,3*10- 7

tiempo de agotamiento del bagazo para la escala de laboratorio fue de 12 horas, mientras que la escala piloto es de 32 horas.

posición se encuentran hidrocarburos totales, grasas y aceites, considerados sustancias tóxicas y peligrosas, cuyo vertimiento a cualquier cuerpo receptor está prohibido. Teniendo en cuenta los contaminantes presentes en el efluente (agua residual oleosa a la salida de la columna) y los estudios realizados por diferentes autores (17-20), se recomienda como tratamiento final un humedal construido, de flujo subsuperficial, ya que los mismos están considerados como instalaciones de tratamiento biológico de bajo costo tecnológico, fáciles de operar y mantener porque requieren un bajo número de operarios y pocos equipos electromecánicos, además de su sencillez de construcción, consumo energético mínimo y armonía con el medio ambiente. En el caso de utilizar un humedal las aguas pueden ser vertidas directamente al río y no se enviarían al sistema de colección de residuales para su posterior tratamiento junto al resto de los residuales del campus.

Masa de bagazo que se necesita en la planta piloto Para una altura y diámetro del prototipo piloto, y en función de la densidad aparente del bagazo (ρap= 67,7 kg/m3) se determina el volumen de la cama: Vcama= 5,094*10-3 m3 La masa de bagazo a utilizar es de: mbagazo= 345 g DISCUSIÓN Evaluación del prototipo a escala piloto Con el objetivo de evaluar la calidad del efluente (agua residual oleosa a la salida de la columna) y el impacto que las mismas pueden ocasionar al ser vertidas al medio (cuerpo receptor), se determinaron las concentraciones de hidrocarburos y grasas y aceites en el afluente y el efluente de la columna. En la tabla 7 se reportan los resultados obtenidos.

CONCLUSIONES 1. Los estudios realizados demostraron que el bagazo de la caña de azúcar tiene potencialidades como sorbente de hidrocarburos a la granulometría estudiada (- 2 + 1 mm). 2. La solución tecnológica, referida al tratamiento de las aguas oleosas generadas en estaciones de vapor mediante columnas empacadas con bagazo natural, es una opción tecnológica y ambientalmente factible. 3. Los principales parámetros de operación de la columna de absorción a escala piloto han sido calculados: altura de la columna 0,60 m, caída de presión 1540 Pa, volumen de la cama 5,094*10-3 m3 y masa de bagazo 345 g. 4. Las caídas de presión en las columnas utilizadas a nivel de laboratorio y el escalado a planta piloto tienen valores que se corresponden con la alta porosidad y la baja densidad del biosorbente.

Tabla 7. Concentración de hidrocarburos y grasas y aceites antes y después de pasar por la columna. Valor Valor medio medio Contaminantes entrada salida( (mg/l) mg/l) Grasas y 25,21 4,14 aceites Hidrocarburos 49,36 7,00

Como se puede observar, la propuesta tecnológica de utilización de la biosorción para la remoción de hidrocarburos utilizando bagazo de caña disminuye considerablemente el poder contaminante de dichas aguas. Se logra remover el 83,58 % de las grasas y aceites y el 85,82 % de los hidrocarburos totales presentes en el afluente. Aunque los porcientos de remoción obtenidos con la propuesta tecnológica son altos, el efluente no cumple con los LMPP establecidos en la NC 27. 1999 para un cuerpo receptor clase A, ya que en su com-

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Brito, J. Propuesta de una tecnología para obtener un biosorbente de Cr3+ a 43

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ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 3 (sept.-dic.), pp. 45 - 51

Carmen Amarilys Guevara-Rodríguez1, Víctor Rodríguez-Domínguez2, Anais Rodríguez-Medina3, Laura Rodríguez-Acosta3 1. Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba amarilys.guevara@icidca.edu.cu 2. Ministerio de la Agricultura. Ave. Independencia y Conill, Nuevo Vedado, Plaza. La Habana. 3. Empresa Pecuaria Genética Los Naranjos. Caimito. Artemisa

RESUMEN En Cuba, en la cría artificial de terneros, se utilizan reemplazantes lácteos de importación y el de producción nacional. Se tiene como objetivo evaluar la Levadura Torula de vinaza (Candida utilis NRRL Y-660) como componente proteico en el sustituto lácteo "Los Naranjos" que se suministra a partir de los 31días y hasta los 90 días de nacidos a los terneros. La muestra abarcó un total de 30 terneras de líneas de leche (Holstein puro y mestizo), distribuidas al azar en un diseño aleatorio en 3 tratamientos con 10 réplicas cada uno: T1 (control), T2 (50 % de Nuclimix y 50 % Levadura Torula de vinaza (Candida utilis NRRL Y-660) y el T3 (50 % de Nuclimix y 50 % Levadura Torula de miel (Candida utilis NRRL Y-660). El procesamiento de los datos se realizó mediante un método de comparación múltiple de Duncan. Se empleó el sistema de cómputo de datos STATGRAPHIC CENTURION XV. La ganancia media diaria no mostró diferencia significativa entre el tratamiento T2 con respecto al T3, y la ganancia con T2 y T3 fueron superiores al control. Los valores de T2 y T3 son significativamente mayores que los de T1, con un 95 % de confianza. El consumo en el T2 fue superior con relación a T3 y T1 en 0,17 y 25 kg, respectivamente. Se concluyó que con la inclusión en un 50 % de la Levadura Torula de vinaza se obtienen ganancias de peso vivo de 638 g/animal/día, con un potencial de entrega a la industria de 18 MM de litros de leche entera, y un beneficio para el país de 6,3 MM de USD/año. Palabras clave: validación, levaduras, sustitutos lácteos, terneros. ABSTRACT In Cuba, in the artificial breeding of males and females calves substitute of milk are used, some imported and one of local production named "Los Naranjos" The purpose of this research work is to evaluate the use of torula yeast, obtained from vinasses (Candida utilis NRRL Y-660),as a protein source in the milk substitute "Los Naranjos", supplied to calves between day 31 and day 90 after birth.A sample of 30 calves (Holstein and hybrid), distributed at random, with an aleatory design of three treatments, with10 replys each. Treatment T1 as Control, T2 as a mixture of 50% of the imported Nuclimix and 50 % of Torula yeast from vinasses (Candida utilis NRRL Y-660), and T3 a mixture of 50 % of

Nuclimix and 50 % of Torula yeast from cane molasses (Candida utilis NRRL Y-660). The data processing was made by the Duncan multiple comparison method, using the data computing system STATGRAPHIC CENTURION XV. The mean daily gain did not show significant differences between the T2 and T3 and the gains with T2 and T3 are higher than the one with the Control (T1). The treatments T2 and T3 are significantly higher than the T1 with a 95 % confidence. The intake in treatment T2 was superior in relation to T3 and T1 by 0.17 and 25 kg respectively. It was concluded that with the inclusion that with the inclusion of a 50 % of Torula yeast from vinasses it's possible to attain gains of living weighs of 638 g/animal/day, with a potential of supplying the industry of 18 MM liters of whole milk, with a benefits of 6.3 millions USD for the country. Keywords: validation, yeast, milk substitute, calves.

INTRODUCCIÓN

te de altas cargas contaminantes que representan las vinazas (3 y 4). La disminución del costo de producción al emplear un residuo como las vinazas como materia prima, posibilitó la aplicación del proceso en tres plantas del país con disponibilidad del producto. Este trabajo experimental se orienta a evaluar la Levadura Torula de vinaza (Candida utilis NRRL Y-660) como componente proteico de un sustituto lácteo del ternero, para ser utilizado a partir de los 31 días de nacidos.

Es conocido que los terneros en su etapa temprana de vida requieren para su alimentación de leche entera, lo que significa una competencia con el humano por este producto (1). En Cuba, como parte de la tecnología de la cría intensiva del ganado vacuno se introdujo, desde sus inicios, el sistema de cría artificial de terneros (suministro de alimentos líquidos en pozuelos desde los primeros días de nacidos (a partir de 3 días) hasta el destete (90 días), utilizando reemplazantes de importación y el sustituto “Los Naranjos” fabricado en la propia Empresa Pecuaria Genética que lleva su nombre. Los precios de la leche entera presentan una tendencia ascendente; actualmente, superan los 4500 USD por tonelada. Este comportamiento ha estado influido por el incremento en más de 4 veces del consumo de este producto en países como la India y China, unido al crecimiento de la población mundial y al lento incremento de la producción lechera en el mundo. La Levadura Torula a partir de miel ha sido utilizada en Cuba desde hace más de 30 años como fuente de la proteína en reemplazantes lecheros en la alimentación de terneros con resultados satisfactorios (2), pero debido a la inestabilidad y depresión de su producción fue preciso reformular sustitutos lácteos utilizando soya H-20 (empleada como extensor de productos cárnicos). El ICIDCA desarrolló una tecnología de producción de Levadura Torula utilizando como sustrato la vinaza de las destilerías, para disminuir el impacto ambiental que produce la deposición en el medio ambien-

MATERIALES Y MÉTODOS El trabajo experimental se realizó entre febrero-junio de 2011, en la Empresa Pecuaria Genética "Los Naranjos". Se em-plearon 30 terneras de líneas de leche (Holstein puro y mestizo) durante 8 semanas, en tres grupos de 10 animales cada uno en cría artificial por un período de 31-90 días. Se utilizó un diseño de bloques al azar con tres tratamientos y 10 réplicas cada uno. El procesamiento de los datos se realizó mediante el método de comparación múltiple de Duncan (1955) y el sistema de cómputo de datos STATGRAPHIC CENTURION XV (1982-2007). El reemplazante lechero evaluado, nominado Sustituto Los Naranjos TV, se compone de 50 % de Levadura Torula de vinaza (Candida utilis NRRL Y-660), procedente de la Empresa Azucarera “Antonio Guiteras” y 50 % de Nuclimix. La Levadura Torula de miel (Candida utilis NRRL Y-660) se empleó para corroborar la eficacia comparativamente, teniendo en cuenta los resultados obtenidos por otros autores (5). 46

Tratamiento T1 (testigo) Reemplazante de importación. Raltec-2 (d), que consumieron las terneras desde los 11- 90 días a razón de 4 litros diarios en 2 tomas, con una dilución de 115 g/l de agua potable. Este es el sistema actualmente orientado por la Dirección de Ganadería del Ministerio de la Agricultura de Cuba.

•

Tratamiento T2 Sustituto Los Naranjos TV [50 % Levadura Torula de vinaza (Candida utilis NRRL Y-660) + 50 % de Nuclimix]. Estructurado en tres etapas. • Etapa 1. (11- 30 días de edad), sustituto de importación (Raltec- 2), a razón de 4 litros diarios en 2 tomas, con una dilución de 115 g/l de agua potable. • Etapa 2. (31 - 60 días de edad), sustituto importación (Raltec- 2) a razón de 2 litros diarios en 2 tomas, más 2 litros del Sustituto Los Naranjos TV, a razón de 2 litros en dos tomas, con una dilución de 115 g/l de agua potable. • Etapa 3. (61- 90 días de edad), sustituto Los Naranjos TV, a razón de 4 litros diarios en 2 tomas, con una dilución de 115 g/l de agua potable.

•

Tratamiento T3 Sustituto Los Naranjos TM [50 % Levadura Torula de miel (Candida utilis NRRL Y-660)+50 % de Nuclimix]. También estructurado en tres (3) etapas. • Etapa 1. (11- 34 días de edad), sustituto de importación (Raltec- 2) a razón de 4 litros diarios en 2 tomas, con una dilución de 115 g/litro de agua potable. • Etapa 2. (35 - 62 días de edad), sustituto importación (Raltec- 2) a razón de 2 litros diarios en 2 tomas, más 2 litros del sustituto Los Naranjos TM, a razón de 2 litros en dos tomas, con una dilución de 115 g/litro de agua potable. • Etapa 3 (63- 92 días de edad), sustituto Los Naranjos TM a razón de 4 litros diarios en 2 tomas, con una dilución de 115g/litro de agua potable.

ambiente. La composición bromatológica es de 92 % de materia seca y 40 % proteína bruta, originaria de la fábrica radicada en la Empresa Azucarera “Antonio Guiteras” en Las Tunas. Nuclimix. Núcleo de importación compuesto por leche entera en polvo, ortofosfato, carbonato de calcio, grasa vegetal, vitamina A, D3, E y K y mezcla de antioxidante procedente de la firma Campi, productora de alimentos de consumo animal, ubicada en Mérida, México (6). Levadura Torula de miel (Candida utilis NRRL Y-660). Se obtiene a partir de la miel final excedente de la producción de azúcar, con 93 % de materia seca y un aporte de 42 % proteína bruta, procedente de la fábrica radicada en la Empresa Azucarera “Ciro Redondo” en Ciego de Ávila. Raltec-2. Sustituto de importación, compuesto por cereales, grasa vegetal, concentrado proteico, fosfatos, vitaminas, minerales y prebióticos, procedente de la firma Cerverán, radicada en España y representada en Cuba por la firma Novel. En todos los tratamientos el suministro de agua potable y pienso de inicio terneros fue a voluntad, durante todo el tiempo de la validación. El heno se suministró a partir de los 61 días de edad a voluntad y aunque no se pudo medir su consumo por animal, se observó buena aceptación del mismo en todos los tratamientos.

La dilución del sustituto lácteo en el agua potable, se realizó a una temperatura de 4850 °C y se le suministró a las terneras a 36 °C. Evaluación de la estabilidad del producto en condiciones de almacenamiento Se tomaron muestras de las mezclas para los tratamientos T2 y T3 que se conservaron por un período de 30 días en el almacén, para corroborar la ocurrencia de cambios en el producto (coloración y endurecimiento). El análisis del comportamiento de los animales se realizó mediante: • El pesado de las terneras al inicio y final de cada etapa. • Control diario del consumo de pienso de inicio por ternera.

Los componentes evaluados se refieren seguidamente: • Levadura Torula de vinaza (Candida utilis NRRL Y-660). Se obtiene a partir de las vinazas, residual de la producción de alcohol, altamente agresivo al medio 47

• La aceptabilidad y consumo de los sustitutos con Levadura Torula (Candida utilis NRRL Y-660) de miel y de vinaza al inicio de cada etapa y en el período de 31 - 90 días • La ganancia de peso promedio acumulada por animal de 31 - 90 días. • Control diario del estado de salud (enfermos, diarrea, y muertes) durante todo el período evaluado.

Para la ganancia media diaria no se encontró diferencia significativa entre el tratamiento T2 con respecto al T3, (la ganancia en el T2 fue superior en 79 gramos). El T2 y T3 son significativamente mayores que el T1 en un 95 % de confianza, coincidiendo con los resultados obtenidos por otros autores (2, 7), con el uso de la Levadura Torula (Candida utilis NRRL Y660) como suplemento proteico en el reemplazante entre 30 y 90 días de edad. Con el uso de la Levadura Torula de vinaza como RESULTADOS Y DISCUSIÓN fuente proteica en el sustituto lechero se obtienen ganancias de peso vivo de 638 Los resultados fueron objeto de una evag/animal/día, superiores a las obtenidas por luación económica preliminar: Los valores González (2), cuando fue utilizada la de las materias primas e insumos tenidos en Levadura Torula de miel como suplemento cuenta se muestran en las tablas 1 y 2. del alimento lácteo a partir de los 30 días de La ganancia de peso promedio acumulada edad. Según reporte de la literatura (1), la en cada tratamiento se muestra en la tabla 3. levadura también puede utilizarse como suplemento de la leche y obtenerse ganancia Tabla 1. Evolución de los precios en el mercado mundial de en los terneros de 600 cinco alimentos de importación básicos (UM: USD/TM, g/día. PUESTO EN CUBA) (10). En el consumo acumulado no se encontró Precio diferencia significativa Precio promedio Producto Diferencias entre el tratamiento T2 actual 2010 con respecto al T3. Los tratamientos T2 y T3 Trigo 280 411 + 131 (+47 %) son significativamente Maíz 240 388 + 148 (+62 %) mayores que el T1 con un 95 % de confianza. 433 Harina de soya 412 + 21 (+5 %) El consumo en el T2 fue Aceite de soya 992 1442 + 450 (45 %) superior con relación a T3 y T1 en 0,17 y 25 kg, Leche en polvo 3125 4930 Tabla 2. Precios del resto de las materias primas y alimentos utilizados Núcleo de importación (Nuclimix) Sustituto de importación. Raltec-2 Levadura Torula a partir de vinaza. (13) COMPONENTE TOTAL EN PESOS CONVERTIBLES Levadura Torula a partir de mieles. (13) COMPONENTE TOTAL EN PESOS CONVERTIBLES

1600 $ USD/t. (11) 1950 $ USD/t. (12) 915,89 875,15

Tabla 3. Ganancia de peso vivo de las terneras en la etapa de 31 - 90 días Tratamientos T1 T2 T3

Etapa (días) 58 58 59

Peso vivo inicial (kg) 33 40 39

Peso vivo final (kg) 47 77 72

*Letras desiguales, difieren significativamente. (P<0.05).

Ganancia g/día 241 a b 638 559 b

ES 17,2 34,9 48,6

Tabla 4. Comportamiento del consumo de pienso de inicio por etapa (kg) Etapa (días) 31 - 60 días 61 - 90 días 31 - 90 días ES

T1 0,890 2,000 a 1,45 0,09

T2 1,325 2,070 b 1,70 0,055

T3 0,920 2,140 b 1,53 0,048

* Letras desiguales difieren significativamente. (P<0.05).

Tabla 5. Relación de los costos/litros de la leche entera importada, los sustitutos empleados y la utilidad (MM USD). MM litros

Valor (MM USD)

6,12

Leche entera importada

0,4930 USD/litros

Sustituto nacional

0,1572 USD /litros

Diferencia

0,34 USD /litros

Leche entera importada

0,4930 USD/litros

Sustituto importado

0,2437 USD /litros

Diferencia

0,25 USD /litros

4.49

Ahorro por leche entera remplazada por el sustituto lácteo

10,61

respectivamente, correspondiendo con el estado de salud de los animales. En la etapa evaluada de vida del ternero, el alimento concentrado (pienso), y el líquido (sustituto), fueron suministrados según lo recomendado por diferentes autores (8, 9). Se observó que en condiciones de almacén a una temperatura ambiente de 22-33 °C el sustituto lácteo Los Naranjos TV y TM (Nuclimix + Levadura Torula (Candida utilis NRRL Y-660) (vinaza o miel), se mantiene por un período de 30 días sin cambios en la composición ni endurecimiento. La aceptabilidad por los animales del sustituto Los Naranjos TV (levadura Candida utilis NRRL Y-660 de vinaza y la de miel) + 50 % de Nuclimix) fue favorable desde el primer día que se le comenzó a proporcionar en el comedero. Es importante señalar que los eventos diarreicos durante la etapa 11-30 días, con la alimentación exclusiva de Raltec-2, ocasionaron bajas ganancias de peso vivo en las terneras (141-150 g) y se mantuvieron en el tratamiento testigo durante todo el periodo evaluado (88 días) en el 75 % de las terneras.

Diferencia (MM USD)

1,63

Durante la validación se afectaron por neumonía 7 terneras, correspondiendo al 26 % de la población subdividida en: • Etapa de 31-60 días del T1 [2 terneras (7 %)], en igual etapa del T2 [1 ternera (4 %)]. • Etapa de 31-89 días del T3 [4 terneras (15 %)]. Teniendo en cuenta los precios de los productos lácteos y los sustitutos empleados en el trabajo experimental, se relacionan en la tabla 5 los costos por litros y las utilidades obtenidas. El costo del litro de leche entera importada con el 2,6 % de grasa es de: 0,4930 centavos USD. El costo del litro de leche recuperada con el empleo del sustituto lácteo Los Naranjos TV (50 % Levadura Torula Candida utilis NRRL Y-660 de vinaza + 50 % de Nuclimix), es de 0,157 centavos USD. El costo del litro de leche recuperada con el uso del sustituto importado es de 0,25 centavos USD. 49

Con el sustituto de leche Los Naranjos TV (50 % levadura Candida utilis NRRL Y660) de vinaza + 50 % de Nuclimix) se ahorra 0,34 centavos, que en 18 MM de litros de leche con 3,5 % de grasa significa un ahorro de 6,12 MM $ USD. Con el uso del sustituto lácteo de importación (Raltec-2), se ahorra 0,25 centavos que en 18 MM de leche con 3,5 % de grasa significa un ahorro de 4,49 MM $ USD El beneficio neto en 36 MM de litros de leche entera que se sustituyen anualmente representa un ahorro de 10,61 MM $ USD Las utilidades obtenidas con el sustituto lácteo Los Naranjos TV (50 % levadura Candida utilis NRRL Y-660) de vinaza + 50 % de Nuclimix), son superiores a las obtenidas con el sustituto de importación en 1,63 MM $ USD (tabla 3). Los reportes (1 y 2) concluyeron que por el alto consumo que hacen los terneros de leche entera y su alto costo, cuando se incluye la Levadura Torula (Candida utilis NRRL Y-660) en la dieta, siempre se obtiene una respuesta positiva desde el punto de vista económico. En la tabla 6, se detalla el importe en USD/t del sustituto compuesto por 50 % Levadura Torula de vinaza + 50 % de Nuclimix. Tomando como referencia el costo de una tonelada y que el consumo anual para 100 000 terneros con el sustituto lácteo Los Naranjos es de 2000 t/año, representa un importe de 2,5 MM USD/t. En 100 000 terneros a razón de 180 litros/ternero, se podrán sustituir 18 MM de litros de leche anuales por este concepto, con un consumo de 2000t del sustituto Los Naranjos [50 % Levadura Torula (Candida utilis NRRL Y-660)] de vinaza + 50 % de Nuclimix. La importación de esta cantidad de leche en forma de polvo equivale a 1800 t de leche

entera en polvo, que implica erogar divisas en el mercado internacional por un valor de 8,87 MM USD/año. En relación con el costo de producción nacional representa utilidades anuales calculadas en el orden de 6,37 MM $ USD. En relación con el precio de importación de harina de soya y el de la Levadura Torula (Candida utilis NRRL Y-660) de vinaza de producción nacional, se presenta el siguiente escenario. El alza de los precios de la electricidad y en el mercado internacional de los nutrientes que se usan en la fabricación de la Levadura Torula de vinaza, han conllevado a incrementar su precio al doble de la harina de soya, máxime si se tiene en cuenta que la tonelada de ella actualmente en el país se adquiere a 433 USD por tonelada. Para alimentar la población de terneros en cría artificial con el sustituto Los Naranjos (Nuclimix + soya H-20), se demandaría como mínimo 1000 t/año equivalentes a 433 000 USD/año. La sustitución de importaciones por este concepto podría analizarse como una pérdida económica para el país; sin embargo, en conjunto cuando se compara con la tonelada del sustituto Raltec 2 de importación a un costo aproximado de 1950 USD/t, aún con el alto costo de la Levadura Torula de vinaza, representa utilidades en el entorno de 918 USD por tonelada del producto que se deja de importar. CONCLUSIONES 1. Se estudió por primera vez en Cuba la Levadura Torula (Candida utilis NRRL Y660) de vinaza como fuente de proteína en el sustituto lácteo. 2. Los resultados indican que con la Levadura Torula de vinaza se alcanzaron

Tabla 6. Indicadores económicos de la variante T2: Sustituto de producción nacional Los Naranjos TV (50 % Levadura Torula de vinaza + 50 % de Nuclimix). Ingredientes Levadura Torula vinaza (Candida utilis NRRL Y-660). Nuclimix Campi (importado) Total

Cantidad Precio, (t) USD/t

Importe, USD/t

0,5

915,89

457,94

50 100

0,5 1

1600 ---------

800 1257,94

ganancias de peso vivo de 638 g/animal/día y con la de miel 559 g/animal/día. La ganancia en peso obtenida en la totalidad de la población alimentada con el sustituto compuesto por Nuclimix más Levadura Torula de vinaza, resultó 2,6 veces mayor que la obtenida con el sustituto importado. El sustituto lácteo Los Naranjos, compuesto por Nuclimix más Levadura Torula de vinaza, tuvo buena aceptación y consumo desde el primer día que se le suministró a las terneras. No hubo incidencias de diarrea, ni muertes a partir de los 31 días de edad, desde que se inició el suministro del sustituto lácteo Los Naranjos, compuesto por Nuclimix más Levadura Torula de vinaza. En condiciones de almacenamiento por un período de 30 días mínimo, no se observaron cambios en la coloración y endurecimiento del sustituto lácteo Los Naranjos. compuesto por Levadura Torula de vinaza y/o miel más Nuclimix. Según los costos/litros de la leche entera importada y los sustitutos empleados con el uso del sustituto de producción nacional, compuesto por 50 % Levadura Torula de vinaza (Candida utilis NRRL Y660) + 50 % de Nuclimix, hay una utilidad de 1,6 MM USD con relación al sustituto importado. Con el sustituto de producción nacional compuesto por 50 % Levadura Torula vinaza (Candida utilis NRRL Y-660) + 50 % de Nuclimix, se pueden entregar a la industria, 18 MM de litros de leche entera, con un beneficio para el país de 6,3 MM de USD/año.

los terneros. Rev. Cubana Cienc.Agric.20: p. 33. 1986. 2. González, I. Métodos de utilización de Levadura Torula en terneros lactantes. Resumen Tesis cand. Dr. en Ciencias Veterinaria. ISCA. La Habana.1990. 3. Saura, G.; Otero, M. A.; MartínezValdivieso, J. A. Esquema integrado azúcar, alcohol y levadura forrajera a partir de la caña de azúcar. ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar. (La Habana), 39 (2): pp. 35-41, 2005. 4. Otero, M.A.; Saura, G.; MartínezValdivielso, J.A.; Almazán, O. Fodder yeast production: A new approach for distillery vinasse treatment. Inter Sugar J 110 (1319): pp.693-696, 2008 5. Simón, L. R; Lamela, L; González, E. I.; Álvarez, J. Sustitución parcial de la leche por Levadura Torula. ACPA. 1: p. 51.1984. 6. Rodríguez, V. Nuclimix, concentrado lácteo para su uso en terneros. Campi. Alimentos Balanceados. Mérida. México. 2009. 7. Chongo, B.; Suau, E. Digestibilidad de nutrientes en terneros alimentados con diferentes niveles de Levadura Torula (Torulopsis utilis) en la leche. Rev. Cubana Cienc.Agric.17:p. 137,1983. 8. Nutrient requirements of Sheep National Academic Press, Washington, D.C. NRC, 1988. 9. Plaza, J. Crianza del ternero. Manual Agro- Red para la Ganadería. Tomo III. Tecnologías para la producción de leche y carne vacuna. 2003. 10. Leyva, A.I. Evolución de los precios en el mercado mundial de cinco alimentos de importación básicos (UM: USD/TM, PUESTO EN CUBA) Granma Internacional Digital. La Habana, 15 de abril del 2011. <http://www.granma. cu/>.[Consultado el 20 mayo del 2011]. 11. Firma Campi. Alimentos Balanceados. Comunicación verbal de proveedor. Consultado el 30 de mayo de 2011. 12. Alimport. MINCEX. Comunicación verbal de especialista de la actividad. Consultado el 10 de mayo de 2011. 13. Fichas de costo. Dirección de Contabilidad y Finanzas del MINAZ. 2011.

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Jeannette Marrero-Coto1, Isis Amores-Sánchez2, Orquídea Coto-Pérez1 1. Laboratorio Biotecnología de los Metales. Departamento de Microbiología, Facultad de Biología. Universidad de La Habana. Cuba 2. Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba isis.amores@icidca.edu.cu .RESUMEN Uno de los rasgos distintivos de la sociedad moderna es la creciente generación de contaminantes ambientales, lo que trae consigo daños considerables a la salud humana y a la diversidad biológica. Los metales pesados son contaminantes que necesitan especial atención porque pueden permanecer varias décadas en el suelo y concentrarse en las cadenas tróficas. Las tecnologías desarrolladas para el saneamiento de ambientes contaminados con metales pesados son costosas y requieren un largo período de tiempo para su ejecución. La fitorremediación es una vertiente de la biorremediación que surge recientemente como alternativa ante esta problemática ambiental, y se basa en el uso de plantas que acumulan elevadas concentraciones de metales en sus tejidos para contener, remover o neutralizar contaminantes, mediante mecanismos de captura de metales propios de estas plantas y/o por los microorganismos que se desarrollan en la rizosfera. Estudios previos sugieren que los microorganismos rizosféricos poseen mecanismos capaces de alterar la circulación de metales en el medio ambiente, con efectos subsecuentes en el potencial de la planta para su captación en la raíz. En la actualidad, la fitorremediación no es una tecnología disponible comercialmente. Los progresos en el campo son limitados por falta de conocimiento de las interacciones complejas en la rizosfera y los mecanismos de plantas hiperacumuladoras que permiten la translocación del metal y su acumulación. Esta revisión responde a la necesidad de brindar mayores conocimientos que aumenten la rentabilidad y eficacia de estas plantas, debido a que su aplicación resulta muy importante en la protección del medio ambiente. Palabras clave: biorremediación, fitorremediación, fitoextracción, plantas, medio ambiente ABSTRACT One of the major features of the modern world is the increased formation of environmental pollutants that bring about remarkable damages on health and biological diversity. The non-biodegradable heavy metals are pollutants that require special attention because they can remain several decades in the soil and then accumulate themselves in the trophic chains. Current technologies for cleaning up heavy metals in contaminated 52

ecosystems usually do not show immediate effect as well as expensive. Phytoremediation seems to be a feasible option against environmental pollution. Such a strategy for amendment is one of the alternatives in bioremediation, which is based on the use of certain hyperacumulative plants in order to withhold, remove and/or neutralize the pollution, either by themselves or by means of some microorganism growing on rizosphera. Several evidences suggest that some soil-microorganisms are able to alter the environmental recycling of these metals, affecting subsequently their uptake into the roots. Nowadays, phytoremediation is not a commercially available technology. The progress in this field are still limited due to the insufficient understanding of both, the complex interactions at the rizosphera and the mechanisms of metal translocation and accumulation derived from plants. This review responds to the need to provide more knowledge to help increase the efficiency and profitability of these plants, because its applicability is of great importance in different areas, but it is particularly relevant in the protection of the environment. Keywords: bioremediation, fitoremediation, fitoextraction, plants, environment.

INTRODUCCIÓN

Esta técnica se basa en el uso de plantas verdes, incluidas las especies leñosas, que contienen, remueven o neutralizan compuestos orgánicos, metales pesados o radionucleidos (3, 4). Esta definición incluye cualquier proceso biológico, químico o físico inducido por las plantas, que ayude en la absorción, secuestro, degradación y metabolismo de los contaminantes, ya sea por las plantas mismas y/o por los microorganismos que se desarrollan en la rizosfera. Ciertos microorganismos del suelo producen sideróforos y quelatos de hierro que aseguran la disponibilidad del hierro en la rizosfera, reducen el pH del suelo y/o solubilizan metal-fosfatos, lo que afecta la movilidad y disponibilidad de metales para las plantas (5, 6). En la zona del Caribe, la presencia de plantas terrestres capaces de hiperacumular metales pesados es elevada. Se han encontrado 12 familias, 30 géneros y 157 especies con esta propiedad; de ellas 122 especies son hiperacumuladoras y 35 son acumuladoras. Las familias mejor representadas son: Asteraceae, Euphorbiaceae y Rubiaceae, y los géneros con mayor contribución en especies: Buxus, Leucocroton, Phyllanthus, Pentacalia, Mosiera, Psychotria, Gochnatia y Tetralix. Cuba es la isla de mayor superficie de serpentina y mayor desarrollo de la flora serpentinícola, por lo que posee la mayor cantidad de especies de este tipo (7). El posible uso de plantas hiperacumuladoras, especialmente para destoxificar ambientes contaminados (fitorremedio) potencia actualmente la investigación con-

El desarrollo tecnológico, la explotación masiva e indiscriminada de los recursos naturales y la producción de desechos principalmente urbanos han determinado la presencia de metales en cantidades importantes en el ambiente, que han provocado numerosos efectos sobre la salud y el equilibrio de los ecosistemas. Los metales se distinguen de los contaminantes orgánicos en que no son biodegradables (1). El contenido de metales pesados en suelos, debería ser únicamente función de la composición del material original y de los procesos edafogenéticos que dan lugar al mismo. La actividad antropogénica ha ejercido un efecto considerable en la concentración y movilidad de los metales en los suelos con la emisión de grandes cantidades de partículas, que después de permanecer cierto tiempo en la atmósfera, precipitan en los suelos cerca del lugar donde fueron vertidos (2). Desde finales del siglo XX, diversas tecnologías han sido desarrolladas con el fin de mitigar el riesgo de contaminación con metales pesados o para sanear las aguas y suelos contaminados. Muchas de estas son costosas y de moderada eficacia, a la vez que exigen largos períodos de desarrollo e investigación, por lo que se ha trabajado intensamente en la búsqueda de alternativas nuevas y mejoradas que sustituyan a las actuales estrategias de saneamiento. En este sentido resalta la fitorremediación, una tecnología barata y con gran potencialidad en el saneamiento y recuperación de suelos. 53

junta de diversos campos. En este sentido, el estudio de los microorganismos asociados a plantas hiperacumuladoras de metal y sus relaciones puede aportar importantes conocimientos.

específicos sobre un sistema biológico dependen de reacciones con ligandos que son esenciales para la función normal de ese sistema. Los metales muestran gran afinidad por grupos sulfidrilo y por grupos amino, fosfato, carboxilo, imidazol e hidroxilo, que forman parte de enzimas y otras proteínas esenciales. Los ácidos nucleicos también pueden afectarse por los metales pesados, lo que ocasiona determinado efecto genotóxico: mutaciones genéticas; aberraciones cromosómicas; alteraciones en la síntesis y reparación de ácidos nucleicos y transformaciones celulares (12). Por otra parte, los metales pesados no pueden ser destruidos No es posible un cambio en la estructura nuclear del elemento, solamente es transformado de un estado de oxidación o complejo orgánico a otro (1). Como consecuencia de estos cambios, el metal puede: • eliminarse por lixiviación, • ser menos tóxico, • ser menos soluble en agua hasta precipitar y, por tanto, menos biodisponible, • ser volatilizado y aislado a partir del área contaminada. A los metales pesados se le atribuyen determinados efectos de contaminación ambiental y toxicidad. Las altas concentraciones de metales pesados en el suelo pueden provocar cambios evolutivos, debido a sus efectos dañinos. Son potencialmente contaminantes devastadores, ya que contaminan el aire, el agua y el suelo, y son utilizados por las plantas y demás eslabones de la cadena trófica (13).

METALES PESADOS COMO CONTAMINANTES AMBIENTALES Los metales pesados constituyen un grupo de 65 elementos con una densidad mayor de 5 g/cm3 y poseen diversas características físicas, químicas y biológicas (8). Varios elementos resultan esenciales para el crecimiento, reproducción y/o supervivencia de los organismos vivos; otros, son de gran importancia económica e industrial y pueden ocasionar efectos perjudiciales. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (E.P.A.) ha definido al Hg (un metal traza pesado) como peligroso, una ligera exposición a este metal puede causar daños a la salud humana. Otros nueve metales han sido definidos como posibles elementos peligrosos: Ba, Cd, Cu, Pb, Mn, Ni, Zn, Vn, Sn; su peligrosidad es potencial y deben mantenerse bajo control. Todos estos, excepto el manganeso son metales traza, y todos, excepto el bario, son metales pesados (9). En los suelos, los metales más abundantes son: el Mn, Zn, Ni y Pb (1-1.500 µg/g); el Mn puede llegar a 10 000 µg/g. Los metales pesados pueden encontrarse en altas concentraciones en los suelos por causas naturales. Las rocas ígneas ultrabásicas (como las peridotitas y las serpentinas) presentan los más altos contenidos en metales pesados, seguidas de las ígneas básicas (como los gabros y basaltos) (10). Los metales pesados incorporados al suelo pueden pasar a las aguas superficiales o subterráneas, a la atmósfera por volatilización, a las cadenas tróficas al ser absorbidos por las plantas o quedar retenidos, por lo que representan una amenaza biológica para todos los organismos. Los procesos de bioacumulación se deben básicamente a la imposibilidad del organismo afectado de mantener los niveles necesarios de excreción del contaminante, por lo que sufre una retención en el interior del mismo (11). Una vez incorporados a los tejidos, los metales son capaces de reaccionar con una gran variedad de sustancias. Sus efectos tóxicos

FITORREMEDIACIÓN Los avances tecnológicos para sanear ambientes contaminados por metales tóxicos han conducido al desarrollo de alternativas que se basan en el empleo de organismos vivos para prevenir o restaurar daños provocados por acciones antropogénicas que alteran la estabilidad de los diferentes ecosistemas. En este sentido, resalta la biorremediación, procedimiento natural que consiste en el empleo de sistemas biológicos capaces de eliminar los contaminantes orgánicos e inorgánicos de un determinado medio, dada su capacidad de utilizar compuestos presentes en su entorno y transfor54

marlos en precursores de sus constituyentes celulares (14). La fitorremediación es una de las vertientes de la biorremediación que puede considerarse una tecnología alternativa rentable y sostenible (15). En ella se emplean plantas (flora arbórea, arbustiva, herbácea) (16, 17) y algas (18) que tienen la capacidad de almacenar y eliminar sustancias tóxicas mediante sus procesos metabólicos, principalmente metales pesados, por lo que son denominadas plantas hiperacumuladoras. Existen varias técnicas de fitorremediación aplicables a suelos contaminados con metales pesados: fitoextracción, fitoestabilización, fitodegradación, fitovolatilización, fitorrestauración. La fitoextracción, también conocida como fitoacumulación, consiste en la absorción y translocación de los metales desde las raíces hasta las partes aéreas de las plantas; estas posteriormente se cortan y se incineran o son acumuladas con el objetivo de reciclar los metales. La fitoestabilización se basa en el uso de plantas tolerantes a los metales para inmovilizarlos a través de su absorción y acumulación en las raíces o precipitación en la rizosfera, y disminuir su movilidad y biodisponibilidad para otras plantas o microorganismos en suelos donde la gran cantidad de contaminantes imposibilita la fitoextracción (14). La fitodegradación y rizodegradación se refieren a la degradación de contaminantes orgánicos a través de las enzimas de las plantas, sus productos o por la acción de microorgnismos rizosféricos; la fitorrestauración está referida a la reforestación de áreas contaminadas con especies resistentes de rápido crecimiento, que previenen la migración de partículas contaminantes y la erosión de los suelos (15, 19). Las plantas realizan la captura de elementos tóxicos mediante diversos mecanismos. Esto ocurre a través de transportadores altamente específicos presentes en sus raíces con una gran capacidad para absorber distintos contaminantes (20). El potencial de empleo de las plantas hiperacumuladoras de metales pesados en el saneamiento de suelos contaminados se encuentra limitado por ciertos factores. Generalmente, acumulan un elemento metálico y no han sido identificadas para otros elementos de interés, la mayoría crece lentamente y produce biomasa reducida;

son especies endémicas y poco se conoce sobre ellas, como sus características agronómicas de cultivo y su fisiología. De forma general, los metales de mayor biodisponibilidad para la absorción por las plantas acumuladoras son: el Cd, Ni, Zn, As, Se y Cu. Con un comportamiento moderado están el Co, Mn y Fe, mientras que el Pb, Cr y U prácticamente no son biodisponibles (1). PLANTAS HIPERACUMULADORAS Las plantas que pueden crecer y desarrollarse en suelos con altas concentraciones de metales pesados pertenecen a una flora especializada, que coloniza suelos originarios de serpentina o ultramáficos ricos en Ni y calamina (mineral que contiene altas concentraciones de Zn y Cd), naturales o contaminados por la actividad antrópica como la actividad minera. Esas plantas son seleccionadas naturalmente por su alta tolerancia a un determinado metal (hipertolerancia) (21). Se han identificado alrededor de 415 especies de plantas hiperacumuladoras distribuidas en 45 familias botánicas con capacidad para acumular selectivamente alguna sustancia. Los hiperacumuladores son especies capaces de acumular metales a niveles de 100 veces más que aquellos típicamente medidos en retoños de plantas no acumuladoras comunes. Un hiperacumulador concentrará más de 10 µg/g-1 Hg; 100 µg/g-1 Cd; 1000 µg/g-1 Co, Cr, Cu, y Pb; 10 000 µg/g-1 Zn y Ni (3). En la mayoría de los casos no se trata de especies raras, sino de cultivos bien conocidos, tal es el caso del girasol (Heliantus annus) capaz de absorber grandes cantidades de uranio depositado en el suelo y el maíz (Sea mays) con un gran potencial para la acumulación de cadmio y plomo (22). Se han distinguido tres tipos de mecanismos fisiológicos relacionado con este proceso: acumulación, indicador, y exclusión. Estos mecanismos le permiten tolerar altos valores de elementos metálicos que son tóxicos para otras especies vegetales (23). El tipo y composición del suelo, las características de las sustancias orgánicas e inorgánicas y su poder quelante, el valor y rango de pH, el estado redox, así como las interacciones suelo/planta de la rizosfera 55

ocupan un lugar central en las relaciones de disponibilidad, toxicidad y respuesta de las plantas a metales pesados (24). No todos los órganos de la planta tienen la misma significación en la acumulación de metales pesados. Normalmente, la raíz es el órgano prioritario de entrada y acumulación. En muchas especies se ha comprobado una fina compartimentación subcelular, especialmente en vacuola y pared celular (25). Varias especies serpentinícolas, como Streptanthus polygaloides (Cruciferaceae) y Allyssum bertolonii se comportan como hiperacumuladoras de níquel con concentraciones superiores a 1000 µg/g-1 en sus órganos aéreos, por lo que resulta muy atractivo su uso en la fitorremediación (26). Stackhousia tryonii es una planta hiperacumuladora de Ni que crece al este de Australia; esta planta puede acumular en sus frutos 4433 µg/g-1 del metal (27). La región de Cataluña (noreste de España) presenta suelos con elevado contenido de cobre y exhibe plantas como Hirschfeldia incana y Sedum sediforme, que toleran concentraciones de Cu entre 5000-16800 µg/g-1 (28). Las plantas hiperacumuladoras de Ni son capaces de compensar el aumento en los niveles de Ni con el incremento en la absorción de Ca. Los contenidos de Ni en las hojas se correlacionan positivamente con sideróforos, elementos de la familia del Fe, tales como el Co, Cr y Mn, así como con Na y Zn (1). El estudio de sustratos de serpentina en América Central (Guatemala y Costa Rica),

Antillas Mayores (Cuba, La Española, Puerto Rico) y América del Sur (Venezuela, Brasil) informa la presencia de plantas hiperacumuladoras de metales pesados, principalmente níquel, que pueden contener entre 100-1000 µg/g-1 de materia seca del metal (acumuladoras) o más de 1000 µg/g-1 (hiperacumuladoras) (29). El 79 % de las especies reconocidas están distribuidas mayormente en Cuba y el 18 % en Puerto Rico y La Española, de ellas el 79 % son hiperacumuladoras con valores más frecuentes entre 1000 y 10 000 µg/g-1. Las familias que más se destacan son: Euphorbiaceae, Asteraceae, Buxaceae, Acanthaceae, Ochnaceae, Clusiaceae, Tiliaceaea, Turmeraceae, Boraginaceae, Scrophulariaceae y Violaceae. La hiperacumulación de níquel de la planta Senecio coronatus se ha estudiado en suelos ultramáficos de Sudáfrica por la importancia que tiene como mecanismo de defensa contra herbívoros y microorganismos patógenos (3). Cuba presenta diversas zonas con afloramientos de serpentina, que se caracterizan por presentar un gran número de especies vegetales endémicas (figura 1). Los estudios de la hiperacumulación de Ni por plantas ha sido muy estudiada en los suelos de serpentina cubanos. Se destacan las plantas del género Psychotria colectadas en Cajálbana, Nipe, y Baracoa, las cuales acumulan entre 25 480 µg/g-1 y 38 530 µg/g-1, mientras que en las de la región de serpentina de Villa Clara se informan valores de

Figura 1. Suelos ultramáficos de Cuba.Las barras en la parte superior representan: el número de plantas endémicas y el número de plantas hiperacumuladoras de níquel. 56

13 000 µg/g-1 en Rondetelia camarioca (30). El género Mosiera tiene la capacidad de acumular concentraciones de Ni de 1001000 µg/g-1 en suelos de serpentina, aunque se han informado concentraciones superiores a 1000 µg/g-1 en especies como: M. bullata subsp. leiophloea, M. cabanasensis subsp. flavicans, M. havanensis y M. moaensi. Los géneros Buxus Phyllanthus, y Leucocroton presentan un alto endemismo en Cuba. Las especies del género Phyllanthus cultivadas en Moa (Cuba) pueden acumular 540 ± 1140 µg/g-1 de Co y 2000 ± 4200 µg/g-1 de Mn, además del níquel (31). La fitorremediación representa un futuro promisorio. Es importante resaltar que la capacidad "limpiadora" de las plantas no se limita a los metales pesados. Muchos compuestos orgánicos son absorbidos fácilmente por las raíces de los vegetales, incluyendo contaminantes como pesticidas organoclorados, hidrocarburos poliaromáticos, tricloroetilenos, explosivos orgánicos y fertilizantes. Se han realizado estudios para absorber el petróleo de vertidos terrestres superficiales, donde los microorganismos asociados a las raíces de las plantas fueron los responsables de degradar el petróleo.

metales, así como la fertilidad de las plantas, protección frente a patógenos, degradación de compuestos y producción de fitohormonas (33). La capacidad degradativa de la microbiota de la zona rizosférica puede ser empleada en la biorremediación de suelos como una tecnología atractiva por su bajo costo (34). Las técnicas de biorremediación que emplean microorganismos pueden combinarse con el uso de plantas (fitorremediación). Esta combinación resulta de gran interés para incrementar la eficiencia en la extracción de los contaminantes. Estas técnicas son denominadas rizorremediación (35). En general, al grupo de bacterias que favorecen el crecimiento de las plantas se les denomina Rizobacterias Promotoras del Crecimiento Vegetal (RPCV). Este término ha sido aceptado para describir a las bacterias que tienen la capacidad de colonizar las raíces de forma intensa y pueden ejercer un efecto positivo sobre los cultivos (36). Los mecanismos microbianos que benefician el crecimiento vegetal incluyen promoción directa o indirecta. La promoción directa se manifiesta a través de un aumento de la disponibilidad y captación de nutrientes minerales o provisión de sustancias estimuladoras del crecimiento y la promoción indirecta se produce a través de la supresión de los microorganismos deletéreos de la rizosfera (37). Las RPCV pueden aumentar el crecimiento de la planta de diferentes maneras: por fijación asociativa del nitrógeno (38), solubilización de fosfatos (39), estimulación de las funciones de las micorrizas (40), regulación de la producción de etileno en las raíces (2), liberación de fitohormonas (41) y por disminución de la toxicidad de metales pesados (42). Un nicho especial para la asociación microorganismo-planta está constituido por las plantas acumuladoras de metales pesados. En este sentido, la asociación de las bacterias rizosféricas y endófitas requiere de adaptaciones específicas como la de altos niveles de metales pesados (43). Entre las funciones de los microorganismos simbióticos con las raíces de plantas acumuladoras de metales se destacan: promover la movilidad y disponibilidad de los metales a las plantas, mediante la producción de sideróforos (6), reducir el pH del

Microorganismos del suelo y fitoextracción de metales La fitorremediación demanda del estudio de las comunidades microbianas del suelo donde habitan las plantas hiperacumuladoras de metales pesados y de sus interacciones. Los microorganismos del suelo son muy importantes porque intervienen en las funciones de los ciclos de los elementos traza, o son responsables de la movilización de metales y de su acumulación. Los microorganismos son sensibles tanto a las deficiencias como a excesivas concentraciones de elementos metálicos, reducen su crecimiento y actividad enzimática, pero a su vez tienen la capacidad de adaptarse a ellas. (4). La rizosfera se define como la estrecha zona de suelo que rodea la raíz (aproximadamente 1-2 mm de distancia) (32). Los microorganismos de la rizosfera desempeñan disímiles funciones de importancia en relación con los procesos edáficos, ciclos biogeoquímicos de elementos como carbono, nitrógeno, fósforo, azufre, hierro y otros 57

suelo por acción de los ácidos orgánicos sintetizados, solubilizar fosfatos, producir sustancias promotoras del crecimiento vegetal (fitohormonas) y ser resistentes a metales pesados y antibióticos (5, 24). Varias evidencias sugieren que los microorganismos del suelo poseen mecanismos que alteran la movilidad de metales contaminantes en el medio ambiente, con efectos subsecuentes en el potencial para la captación en la raíz. Los microorganismos pueden destoxificar metales por transformación en su número de oxidación, precipitación química extracelular o volatilización. Algunos microorganismos pueden reducir enzimáticamente una variedad de metales en procesos metabólicos que no están relacionados con la asimilación de metales. Ciertas bacterias obtienen la energía para su crecimiento por acoplamiento de la oxidación de ácidos orgánicos simples, alcoholes, hidrógeno o compuestos aromáticos, a partir de la reducción del Fe (III) o Mn (IV) (44). Los microorganismos del suelo también pueden influir directamente en la solubilidad del metal y alterando sus propiedades químicas. Por ejemplo, Xanthomonas maltophyla catalizó la reducción y precipitación de Cr6+ a Cr3+, compuesto menos dañino para los ecosistemas (45). La misma cepa también fue capaz de inducir la transformación de otros iones de metales tóxicos (Pb2+, Hg2+, Au3+, Te4+, Ag+) y oxianiones, como SeO-4. Penicillium ochrochloron posee la habilidad de precipitar una variedad de metales pesados como Cu, Ni, Pb, y Cd (46). Estas propiedades han incitado a algunos investigadores a proponer el uso de microorganismos para remover metales tóxicos de suelos contaminados. Muchos datos indican que los microorganismos del suelo tienen el potencial para alterar el rango de captación del metal y la acumulación en plantas. Se han informado microorganismos que catalizan transformaciones redox que conllevan a cambios en la biodisponibilidad de metales en el suelo y en el potencial para la fitoextracción (24). La microbiota de suelos de serpentina presentan excepcionales adaptaciones en sus sistemas enzimáticos y membranas que les permiten tolerar el tipo y la composición de ese suelo (2, 47, 48). Estudios realizados en las comunidades bacterianas aisladas de áreas de suelos de

serpentina de la rizosfera de Alyssum bertolonii, indicaron la presencia de bacterias representantes del grupo de las α proteobacterias que poseen gran diversidad genética y heterogeneidad en las poblaciones bacterianas que viven bajo estas condiciones desfavorables. Los valores más altos de diversidad genética se encontraron a 5 y 10 cm de distancia de la planta. Se demostró su rol en la movilización de metales pesados y su disponibilidad para la acumularlos las plantas endémicas de estos suelos (49). En Cuba la caracterización microbiológica de los suelos de serpentina es escasa (50). Pocos aislamientos microbianos de áreas de serpentina se han realizado, y menos aún de la rizosfera de plantas hiperacumuladoras de metales. El primero fue el estudio en la formación de serpentina de la Sierra de Cajálbana, Pinar del Río, de donde se aislaron 34 cepas bacterianas de la rizosfera de tres plantas hiperacumuladoras de Ni, Phyllanthus orbicularis, Leucocroton sp. y Phyllomelia sp. y de suelo no rizoférico. La mayoría de los aislamientos fueron bacilos Gram negativos (97,06 %) y se demostró la presencia de los géneros Pseudomonas, Azospirillum, Azotobacter, Dexia, Bacillus, Beijerinkia y Herbaspirillum. Siete cepas de Pseudomonas, entre estas, cinco de la especie P. fluorescens fueron capaces de producir sideróforos tipo pioverdin en concentraciones superiores a los 5µM l-1. Los aislamientos que fueron más resistentes a Ni 2+ pertenecieron a los géneros Pseudomonas, Azotobacter, Beijerinkia y Herbaspirillum (51, 52). Otros estudios informan sobre la resistencia bacteriana a Ni2+ y Co2+ de bacterias aisladas de la formación de serpentina de Punta Gorda (Moa, Holguín) de donde se aislaron 24 bacterias heterótrofas con elevada resistencia a estos metales, y se encontró un predominio de las poblaciones bacterianas (73 %), seguido en orden decreciente por las poblaciones de hongos filamentosas (18 %) y de levaduras (9 %). Los géneros bacterianos más representados fueron Bacillus y Pseudomonas y entre los hongos filamentosos el género Aspergillus (53). Las interacciones metal- microbiota son estudiadas a profundidad en el contexto de la biotecnología ambiental, con el objetivo de implementar métodos de remoción, recuperación o destoxificación de metales pesados y radionucleidos (54). Dentro de la amplia diversidad microbiana, existen 58

microorganismos resistentes y microorganismos tolerantes a metales. Los resistentes se caracterizan por poseer mecanismos de detoxificación codificados genéticamente, inducidos por la presencia del metal (55). En cambio, los tolerantes son indiferentes a la presencia del metal. Tanto los microorganismos resistentes como los tolerantes son de particular interés como captadores de metales en sitios contaminados, debido a que ambos pueden extraer los contaminantes.

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CONCLUSIONES La fitorremediación es una técnica sumamente promisoria para el saneamiento y restauración de suelos con concentraciones elevadas de metales pesados. Los hábitats ultramáficos o serpentinícolas donde se encuentran plantas acumuladoras de metales pesados, se caracterizan por un alto nivel de diversidad y elevado índice de endemismo. El uso de estas plantas y microorganismos rizosféricos puede ser una estrategia de saneamiento ambiental factible en cualquier país. Diseminar este interesante y novedoso enfoque de saneamiento de suelos contribuye a la búsqueda de nuevas tecnologías que contribuyan al estado óptimo de los ecosistemas. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Valdés, R.; Balbín, M.I. Fitorremediación para metales pesados. Principios de una tecnología en desarrollo. Conferencia de la Universidad Agraria de La Habana. Fructuoso Rodríguez Pérez. Grupo de Fitoremediación. Red Temática Fitorem, 2008. 2. Rajkumar, M.; Narasimha, M.; Vara, P.F.; Noriharu, A. Biotechnological applications of serpentine soil bacteria for phytoremediation of trace metals. Biotechnology. 29 (2): pp. 120-130, 2009. 3. Boyd, R. S.; Davis, M. A.; Balkwill, K. Elemental patterns in Ni hyperaccumulating and non-hyperaccumulating ultramafic soil populations of Senecio coronatus. South African Journal of Botany. 74: pp. 158-162, 2008. 4. Mengoni, A.; Henk, S.; Vangronsveld, J. Plants as extreme environments? Ni59

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ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 3 (sept.-dic.), pp. 62 - 70

Grisel M. Ortega- Arias-Carbajal, Grizel Delgado-Arrieta, Julio Santo-Tomas-Valdés, Evelyn Faife-Pérez, Felipe Eng-Sánchez Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba grisel.ortega@icidca.edu.cu RESUMEN Se dan a conocer las acciones realizadas en la implementación de un sistema de gestión de la calidad en las actividades de investigación en Biotecnología, según la norma NC -ISO 9001: 2008. Esto incluyó la ejecución de un programa de capacitación, acciones de aseguramiento metrológico, así como el establecimiento e implementación de la documentación requerida para el sistema y un enfoque de procesos. La evaluación y verificación de la implementación del sistema de gestión y la conformidad con dicha norma, se llevó a cabo mediante una auditoría interna, en la que se obtuvieron resultados satisfactorios, evidenciándose su implementación. Este sistema garantiza una mejor planificación, ejecución y control de las acciones encaminadas a lograr la excelencia en los productos de investigación desarrollados por Biotecnología, para asegurar la satisfacción de las necesidades de los clientes, la mejora continua de las prácticas de investigación, la trazabilidad de los procesos e investigaciones y la creación de un conocimiento científico fiable, con valor agregado. Palabras clave: sistema, gestión, calidad, biotecnología. ABSTRACT Present paper shows all actions carried out during the implementation of a quality managing system in research activities in Biotechnology Division according to NC -ISO 9001: 2008 (Cuban Standard), performing a training program, some action of metrological assurance, settling down and implementing of the required documentation for the system as well as, a processes approach. The system implementation assessment and checking up according and in conformity of the Standard, were carried out through an internal audit, where satisfactory results that substantiated the implementation were obtained. This system guarantees a better planning, execution and control of actions aimed to the achievement of excellence in research outputs of Biotechnology Division, assuring to met client needs and leading to a continuous improvement research practices, guaranteeing process and research trazability and at the same time the creation of a reliable and upgraded knowledge. Keywords: system, management, quality, biotechnology.

INTRODUCCIÓN

También se brindan, servicios científicotécnicos y se realizan transferencias de tecnologías y negociaciones, por lo que se consideró conveniente la implementación de un sistema de gestión de la calidad (SGC), según la norma NC- ISO 9001: 2008. El presente trabajo muestra las acciones realizadas en la implementación del sistema de gestión de la calidad en las actividades de investigación de la Dirección Biotecnología de acuerdo con la Norma NC -ISO 9001: 2008.

La calidad se ha convertido en el mundo globalizado de hoy, en una necesidad insoslayable para permanecer en el mercado (1-3) y por eso, los sistemas de gestión de la calidad han cobrado gran importancia y muchas organizaciones han trazado estrategias para lograr implantarlos. Un Sistema de Gestión de la Calidad es una forma de trabajar, mediante el cual una organización asegura la satisfacción de las necesidades de sus clientes, a través de lo que planifica, mantiene y mejora continuamente el desempeño de sus procesos. Todo lo anterior conduce al logro de ventajas competitivas y se ponen en práctica dos paradigmas: primero, desarrollar la permanente satisfacción de los clientes y segundo, dar las bases para hacer realidad la mejora continua de sus procesos, lo que se evidencia al adoptar la NC- ISO 9001:08 en una organización (4). La actividad de investigación implica la manipulación de información y conocimientos. Los conocimientos y la información que los sustentan, son a la vez recursos y resultados (5, 6). La calidad en la investigación concierne a la calidad de los métodos empleados por los investigadores para obtener sus resultados, por lo que la adopción de un sistema de gestión de la calidad en la investigación permite mejorar de forma continua sus prácticas, garantiza sus resultados y productos y asegura la trazabilidad de sus procesos y actividades, y ofrece garantías y confianza. La Dirección de Biotecnología del Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA) lleva a cabo diversas actividades de investigación-desarrollo, entre las que figuran las que abordan las temátias de los biofertilizantes, bioplaguicidas, fitohormonas y maduradores biológicos, con aplicación en la agricultura, derivados de levadura y enzimas con aplicación en la alimentación animal y humana; producciones más limpias, diagnóstico ambiental, tratamiento de residuales, optimización del uso del agua, así como investigaciones sobre la optimización de la producción de alcohol, derivados de dextrana y otros biopolímeros, todas ejecutadas como proyectos de I+D.

MATERIALES Y MÉTODOS Se tomaron como base los principios de gestión de la calidad en la investigación científica, las fases o etapas de la investigación (5, 6), la política de calidad del ICIDCA (7), así como las líneas de investigación y proyección estratégica, en la Dirección de Biotecnología (8), así como el diseño del Sistema de Gestión de la Calidad en Biotecnología según se ha reportado (9). Para llevar a cabo la implementación del SGC, se tuvo en cuenta la estructura organizativa para gestionar la calidad, que contempla a los cuatro Departamentos de dicha Dirección. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La Norma NC- ISO 9001:08 establece los requisitos para implantar un sistema de gestión de la calidad y cada organización construye e implementa su propio sistema, a la medida, en función del tipo y tamaño de la organización (4). Con vistas a implementar el sistema de gestión de la calidad diseñado por los autores (12) en Biotecnología, el primer paso fue ejecutar un programa de capacitación para entender un amplio espectro de ideas y de lenguaje que debe aprender la organización, desde la alta dirección hasta el último trabajador que se involucre en el SGC. Es necesario comprender y manejar el significado de términos, tales como: calidad, gestión, medición, procesos, control de procesos, retroalimentación del cliente, mejora continua del sistema, auditoria de calidad, producto no conforme, procedimiento, verificación, validación, revisión, satisfacción, cliente, entre 63

una variedad de ideas que, llevadas a la práctica, permiten a la organización modelar la nueva cultura organizacional.

Tabla 2. Cursos recibidos en el ININ por el personal de Biotecnología Cursos recibidos en ININ Sistema Integrado de Gestión Sistema de gestión de seguridad de la información 27001 Sistema de Gestión de la Calidad ISO 9001:08 Documentación del Sistema de Gestión de la Calidad Mejora continua Sistema de Gestión Ambiental ISO 14000 Sistema Gestión Integrada del Capital Humano NC- 3001 Formación de auditores ambientales internos ISO 14 000 Gestión de proyectos NC 9004 : 2009 Modelo de Competitividad para la gestión del éxito sostenido Formación de auditor interno Formación de auditor líder Materiales de referencia en laboratorio de ensayos

Acciones de capacitación Se dirigió un proceso de cambio encaminado a crear una cultura de calidad en la Dirección de Biotecnología. Primero se detectó la necesidad de cambiar al planificar y ejecutar las actividades de investigación, con la posterior ejecución de diferentes acciones. En la tabla 1 se muestran las acciones realizadas para la capacitación del personal vinculado a la investigación en la Dirección de Biotecnología en el período 2009-2010. Tabla 1. Capacitación en gestión de la calidad impartida en el ICIDCA para el personal de Biotecnología Acciones de capacitación Seminario Sistema de gestión de la calidad, según NC- ISO 9001:08 para la alta dirección de Biotecnología. Curso Sistema de Gestión de la Calidad para las investigaciones en Biotecnología, según NC- ISO 9001:08, para todo el personal vinculado a la investigación. Seminarios para la elaboración de la documentación del SGC y para su posterior implementación.

Estos cursos permitieron la actualización de conocimientos en gestión de la calidad, de personal de cada uno de los Departamentos de la Dirección de Biotecnología, para el desempeño de funciones generales y específicas en cada caso. La capacitación permitió educar al personal, haciéndole menos resistente a los cambios que se generan, a ensamblar los procesos de manera más eficiente y permitir, a la vez, sensibilizar a la organización para crear un sistema, capaz de adaptarse rápidamente al requerimiento del cliente. En el SGC para las investigaciones en la Dirección de Biotecnología están establecidas las necesidades y expectativas de los clientes. La política y el alcance del sistema reportado en trabajos previos (9) han sido revisados sistemáticamente por la alta dirección, así como se han establecido objetivos de calidad anuales, que de igual forma han sido revisados, con un 100 % de cumplimiento en cada caso. La estructura organizativa para gestionar la calidad, de acuerdo con el SGC diseñado (9) fue implementada. Se cuenta con un

Los seminarios y el curso fueron impartidos por especialistas en gestión de calidad pertenecientes al ICIDCA. Posteriormente a la ejecución de estas acciones, se realizó la evaluación del personal participante, para medir la asimilación de la materia recibida; las calificaciones obtenidas fueron satisfactorias. Estas acciones permitieron capacitar al 100 % de la alta dirección y al 98 % del personal profesional y técnico vinculado a las investigaciones biotecnológicas. En la tabla 2 se muestran acciones de capacitación, en este caso, cursos recibidos en el Instituto Nacional de Investigaciones en Normalización (ININ), por el personal vinculado a la investigación en Biotecnología, durante 2010. 64

Representante de Calidad por la Dirección, cuatro Responsables de Calidad, uno por cada Departamento [Bioquímica, Microbiología, Bioingeniería - Planta de Fermentaciones y Centro Nacional de Gestión del Medio Ambiente, que dispone de un Laboratorio de aguas y aguas residuales azucareras (CENGMA-LAGUAZUR)], los cuales se interrelacionan, y realizan un trabajo conjunto con los jefes de proyectos de investigación y jefes de departamento en cuestión, para el desempeño de la gestión de la calidad en Biotecnología. Los responsables de calidad por Departamento controlan tanto la calidad como la documentación requerida por el sistema de gestión. A través del representante de la Dirección, que tiene la responsabilidad y autoridad de asegurarse del establecimiento, implementación y mantenimiento de los procesos necesarios del sistema de gestión de la calidad, se informa a la alta dirección sobre el desempeño y funcionamiento del sistema y de cualquier necesidad de mejora. Como parte de la estrategia trazada para lograr implementar el sistema de gestión de la calidad en la actividad de investigación

de la Dirección de Biotecnología, de acuerdo con la NC- ISO 9001:08 (4), se estableció un cronograma, el cual se ejecutó como se muestra en la tabla 3. Aseguramiento metrológico Teniendo en cuenta que para la implementación de un Sistema de Gestión de la Calidad, la metrología es considerada un paso importante e inicial, siendo aplicada en este caso a la investigación científica en los campos de la Biotecnología. Se considera que la calibración/verificación de instrumentos de medición garantiza la veracidad de las mediciones y por ende, de los resultados y conclusiones a que se arriben en los proyectos de investigación. El equipamiento con que cuenta la Dirección de Biotecnología es muy diverso. Se cuenta con equipamiento clasificado como no metrológico y metrológico, a este último corresponde una alta proporción del total de equipos (45 %), que a su vez contempla un variado rango de magnitudes de medición (masa, presión, temperatura, dimensionales, físico-químico, tiempo, etc. Como parte de las acciones de implementación del SGC en Biotecnología, se

Tabla 3. Cronograma de implementación del SGC en la dirección Biotecnología Cronograma de implementación del SGC Ejecución del aseguramiento metrológico Implementación del Manual de Procedimientos y Registros en los Dptos (Microbiología; BioingenieríaPlanta Fermentación; Microbiología, Bioquímica; CENGMA- LAGUAZUR). Implementación del Manual de Procedimientos de Gestión de Biotecnología Elaboración e implementación de fichas de procesos Elaboración del Manual de Calidad para la Dirección Biotecnología. Implementación del Sistema de Gestión de la Calidad. Auditoría interna al SGC Revisión por Dirección del SGC Investigación de las causas y Cierre de No Conformidades detectadas en auditoria Oportunidades de mejora continua Mantenimiento del SGC 65

Fecha de implementación abril 2009- diciemb re 2010 septiembre 2009-junio 2010 enero -junio 2010 enero - junio 2010 enero - julio 2010 enero- diciembre 2010 diciembre 2010 diciembre 2010 a partir de 2011

llevó a cabo un aseguramiento metrológico de la calidad en esta Dirección, que consistió en: • Designación por departamento de responsables para cada equipo. • Elaboración de un plan anual de calibración/ verificación de equipos e instrumentos de medición para la Dirección. • Ejecución de servicios de calibración/ verificación de equipos y/o instrumentos de medición. • Estrategia de adquisición y recambio de equipos, de acuerdo con la disponibilidad de financiamiento. • Elaboración e implementación de Procedimientos Normalizados de Operación (PNOs) relativos a equipamiento. La Dirección de Biotecnología cuenta con un control y planificación anual para la calibración/ verificación de equipos y/o instrumentos de seguimiento y medición que son utilizados en los laboratorios de los departamentos, con los cuales se realizan los ensayos de los proyectos de investigación. La figura 1 muestra la situación del equipamiento metrológico en la Dirección Biotecnología entre 2009 y 2010.

Sin embargo, al finalizar 2010, se destacó el incremento de la gestión en la calibración y/o verificación del equipamiento, realizada por los responsables de calidad de las áreas con las entidades autorizadas para estos servicios, lo cual permitió alcanzar más del 90 % de equipos e instrumentos calibrados y/o verificados, lo que conlleva a un incremento en la confiabilidad de los resultados obtenidos en los ensayos realizados. Además, se confeccionaron e implementaron todos los procedimientos normalizados de operación de los equipos metrológicos existentes en cada Dpto., con sus correspondientes registros, para un 100 % en cada caso. Los equipos cuentan con un certificado de calibración y/o verificación así como con un sello emitido al respecto, en cada caso, por las entidades autorizadas. Hay que destacar que la alta dirección de Biotecnología trazó una estrategia para la adquisición y recambio de equipamiento, y definió prioridades para gestionar el financiamiento y lograr su ejecución respondiendo a las necesidades de las investigaciones biotecnológicas, se incrementó la gestión de compras de equipamiento en los últimos dos años. Para consolidar los resultados obtenidos se prevén las siguientes acciones a corto plazo. • Mantener la ejecución del plan de calibración/verificación. • Adquisición y recambio de equipamiento según aprobación y ejecución del plan estratégico. • Confección e implementación de PNOs y registros para nuevos equipos comprados.

Figura 1. Estado del equipamiento metrológico en la Dirección de Biotecnología en 2009 y 2010.

Acciones de documentación La documentación es el soporte del sistema de gestión de la calidad, pues en esta no solo se plasman las formas de operar, sino toda la información que permite el desarrollo de todas las actividades relacionadas con la investigación en Biotecnología y la toma de decisiones. La elaboración de la documentación se considera una etapa básica, fundamental e importante, pues garantiza que se pueda garantizar el buen funcionamiento del sistema documental, representa una herramienta eficaz para la gestión de la calidad.

Se puede observar en la figura que en 2009, sólo fue posible calibrar y/o verificar un 25 % del equipamiento metrológico; en esto incidió en gran medida que la ejecución de los servicios de calibración/verificación solo pudo efectuarse por parte de las entidades autorizadas, durante el segundo semestre de dicho año, no pudieron incluirse todos los servicios correspondientes a las magnitudes del equipamiento existente. 66

La documentación del sistema de gestión, cumple los siguientes objetivos: • Servir como una herramienta para la comunicación de la información • Aportar evidencias. • Gestionar correctamente la trazabilidad. • Preservar las experiencias de la organización y evaluar la eficacia e idoneidad continua del SGC. • Lograr la conformidad con los requisitos del cliente y la mejora de la calidad.

• PNO- G - Biotec- 06. Gestión del proceso de categorización del personal de Investigaciones de Biotecnología. • PNO- G - Biotec- 07. Gestión de evaluación del desempeño del personal de Investigaciones de Biotecnología. • PNO- G - Biotec- 08. Gestión de Compras. • PNO- G - Biotec- 09. Solicitud de patentes. • PNO- G - Biotec- 10. Solicitud de marcas. • PNO- G - Biotec- 11. Solicitud de derecho de autor. • PNO- G - Biotec- 12. Control y planificación de la calibración/ verificación de los equipos e instrumentos de seguimiento y medición. • PNO- G - Biotec- 13. Satisfacción de clientes. • PNO- G - Biotec- 14. Tratamiento a las quejas o reclamaciones. • PNO- G - Biotec- 15. Realización de auditorias de la calidad. • PNO- G- Biotec- 16. Control de producto no conforme en Biotecnología. • PNO- G- Biotec- 17. Acciones correctivas y preventivas.

Además de la política de calidad del SGC, del alcance del sistema y de los objetivos anuales, dentro del sistema de documentación se encuentran implantados, en los cuatro Departamentos de la Dirección de Biotecnología, procedimientos normalizados de operación (PNOs), que se conforman en un Manual de Procedimientos por Departamento. En cada caso incluye, PNOs generales, de métodos de ensayos y de operación de equipos. También se cuenta con los registros correspondientes implantados. Resulta oportuno expresar que el laboratorio LAGUAZUR se encuentra trabajando para la acreditación por la norma NCISO/IEC 17 025:06 (13) y presenta, además, elaborado e implantado un manual de calidad, según dicha norma. Se confeccionó e implementó también un Manual de Procedimientos de gestión en la Dirección de Biotecnología (MPG-Biotec01), de acuerdo con la NC- ISO 9001:08 (4), que contiene los documentos que se relacionan a continuación, los mismos fueron codificados como sigue: PNO-G-Biotec-XX donde PNO: Procedimiento Normalizado de Operación, G: Gestión, Biotec (Biotecnología) y XX:(Número consecutivo): • PNO- G - Biotec- 01. Requisitos para la Documentación en la Dirección Biotecnología. • PNO- G - Biotec- 02. Control de los Registros de Calidad. • PNO- G - Biotec- 03. Revisión por la Dirección. • PNO- G - Biotec- 04. Gestión del proceso de inserción de trabajadores en la investigación de la Dirección de Biotecnología. • PNO- G - Biotec- 05. Gestión de la formación y capacitación del personal de investigaciones de la Dirección de Biotecnología.

Los registros respectivos a estos PNOs se encuentran confeccionados e implantados. En la Dirección de Biotecnología los procesos identificados, teniendo en cuenta el enfoque de procesos según NC- ISO 9001:08 (4), se describen a continuación. Procesos estratégicos: 1. Planificación y control estratégico. 2. Gestión de los recursos humanos. 3. Medición, análisis y mejora. Procesos claves: 4. Gestión de la calidad. 5. Gestión de proyectos de investigacióndesarrollo. 6. Gestión de la propiedad intelectual. 7. Gestión - desarrollo de los servicios. científicos- técnicos. Procesos de apoyo: 8. Gestión de servicios de transporte. 9. Gestión de compras. 10. Gestión de la información científica. 11. Gestión de mantenimiento de las áreas. El mapa de proceso fue reportado previamente por Ortega et al. (12) y la descrip67

ción de estos procesos está establecida en el Manual de Calidad de la Dirección de Biotecnología (MC -BIOTEC - 01), a través de fichas de proceso. Se implementó una ficha para cada proceso que contiene los siguientes aspectos: • Nombre del proceso • Dueño del proceso • Objetivos relacionados con el proceso • Interrelaciones con otros procesos • Entradas del proceso • Salidas del proceso • Especificación de las entradas, acciones o actividades a realizar y salidas para cada etapa del ciclo de mejora (planearhacer- verificar -actuar) • Indicadores de desempeño para medir la eficacia

ción-desarrollo. En los expedientes de los proyectos están establecidos los objetivos de cada proyecto y la planificación de las tareas a realizar. Dicha planificación es coherente con los procesos del sistema de gestión de la calidad. Están planificadas y se ejecutan actividades de verificación, validación, seguimiento y medición para la realización de las investigaciones en cada proyecto. Auditoría interna En Biotecnología está establecida la realización de auditorías internas a intervalos planificados para determinar si el SGC es conforme con las disposiciones planificadas, con los requisitos de la norma NC- ISO 9001:08 y con los requisitos reglamentarios del sistema. Para esto se encuentra establecido e implantado un programa de auditorías internas, teniendo en consideración el estado y la importancia de los 11 procesos identificados, sus interrelaciones, así como las áreas a auditar. El programa de auditoria es aprobado por el Director del área y en el mismo se encuentran definidos los criterios de auditoría, su alcance y frecuencia, y cómo se realiza. La evidencia de la realización de la auditoría se obtiene a través de los registros correspondientes. El SGC implantado para las investigaciones en la Dirección de Biotecnología fue auditado por primera vez en enero de 2011. Los resultados de la auditoria interna se muestran en la tabla 4. La auditoría interna realizada evidenció la implementación del SGC en la Dirección de Biotecnología y permitió establecer oportunidades para la mejora continua y para el mantenimiento del sistema.

El ciclo Planificar - Hacer - Verificar y Actuar (PHVA) se aplica a cada proceso que conforma el sistema de gestión de la calidad. Los indicadores para medir la eficacia de ellos se establecen en las fichas de proceso. El Manual de Calidad de la Dirección Biotecnología (MC -BIOTEC - 01), como documento rector del sistema SGC, está en correspondencia con los requisitos de la norma NC-ISO 9001: 08 y se encuentra implantado. Incluye el alcance del SGC, la política y los objetivos de calidad, la estructura organizativa, las referencias normativas, los términos y definiciones, los procesos con sus interacciones, los requisitos del sistema de gestión, de responsabilidad de la dirección, de gestión de los recursos, así como de medición, análisis y mejora. Toda la documentación del sistema de gestión se llevó a la práctica, se implementó, de modo que el trabajo se organizó adecuadamente. El Sistema de Gestión de la Calidad en Biotecnología cuenta entre uno de sus procesos con el de Gestión de Proyectos de Investigación-Desarrollo. Como parte de la documentación de dicho proceso, cada proyecto presenta un expediente que establece un cronograma de ejecución para cada una de las actividades planificadas por el proyecto. Este expediente es controlado, custodiado y protegido por el respectivo jefe del proyecto y una copia de este se encuentra bajo la custodia del dueño del proceso gestión de proyectos de investiga-

Revisión del SGC La alta dirección de Biotecnología en su carácter de máximo líder del Sistema de Gestión de la Calidad, ha establecido su compromiso para garantizar el desarrollo, implementación y mejoramiento continuo del mismo. Garantiza también el enfoque al cliente, para satisfacer las necesidades y expectativas de estos, a través de las investigaciones que se ejecutan. De igual forma, revisa el sistema de gestión de la calidad de la organización, a inter68

Tabla 4. Resultados de la auditoría interna al SGC de Biotecnología Aspectos evaluados Implementación del sistema de gestión de la calidad según NC -ISO 9001: 08. Se tuvo en cuenta la conformidad con los requisitos de la NC -ISO 9001: 08, con los requisitos reglamentarios, además de los procesos del SGC. Dominio del SGC por el personal entrevistado.

Resultados

Está implementado el SGC en Biotecnología.

Acceso del personal al Manual de Calidad. Acceso del personal al Manual de Procedimientos de Gestión y a los Manuales de Procedimientos de los Dptos. Conclusiones de la auditoría

El personal entrevistado posee dominio del SGC en Biotecnología. Está establecido el personal autorizado con acceso al Manual de Calidad. Está establecido el personal autorizado con acceso al Manual de Procedimientos de Gestión, así como en cada Dpto. está establecido el personal autorizado con acceso a los Manuales de Procedimientos en cada Dpto. Resultados satisfactorios. El equipo auditor la consideró exitosa .

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

valos planificados, asegurándose de su conveniencia, adecuación y eficacia continua. La alta dirección permanentemente ha monitoreado la implementación del SGC, así como asegura y establece los procesos y actividades necesarios para la planificación de la gestión de la calidad en el área, para la realización de las investigaciones. Se tienen en cuenta los objetivos así como procesos de realización, los recursos, se determinan los requisitos en cada proyecto de investigación y se comprueba el funcionamiento satisfactorio del sistema, así como su implementación.

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CONCLUSIONES La implementación del Sistema de Gestión de la Calidad garantiza una mejor planificación, ejecución y control de las acciones encaminadas a lograr la calidad, cada vez más necesaria en los productos de investigación desarrollados por Biotecnología, con un enfoque de procesos. Permite establecer buenas prácticas que garanticen la trazabilidad y validez de los resultados obtenidos en las actividades de investigación, para lograr la excelencia en las investigaciones, con un alto valor agregado. 69

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