1) El documento presenta el tema de investigación "Biorrefinería de Nopal, para la obtención de bioproductos y bioenergéticos". 2) Revisa los antecedentes sobre la composición química y aplicaciones del nopal, así como tecnologías para la obtención de jugos de nopal. 3) Analiza estudios previos sobre la producción de biogás y biofertilizantes a partir de la digestión anaerobia de residuos de nopal.
Biorrefinería de nopal para bioproductos y bioenergía
1. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE HIDALGO
Doctorado en Ciencias Ambientales
A 28 de Febrero del 2022
Sergio Reyes Rosas
PRESENTA:
TEMA DE INVESTIGACIÓN:
“Biorrefinería de Nopal, para la obtención de
bioproductos y bioenergéticos”.
Dra. Gabriela Marisol Vázquez Cuevas
Dr. Martín Hernández Juárez
SEMINARIO DE AVANCES:
2. INTRODUCCIÓN
(Honorato-Salazar et al., 2021; Pinales-Márquez et al., 2021)
Transición
Energética
Residuos Agrícolas
Cambio Climático
(Katakojwala y Mohan, 2021; Liu et al., 2021)
Biomasa
Recursos Fósiles
3. PROCESO DE INVESTIGACIÓN
Bioenergía
(Digestión Anaerobia)
Bioproductos
(Operaciones Unitarias)
Biocombustible
Harina
Fracción
Sólida
Fracción
Líquida
Jugo
Residuos
Biofertilizante
Biorrefinería
Análisis de Ciclo de Vida
Opuntia spp.
(Fuente de Biomasa)
4. MARCO TEÓRICO
Recopilación de datos
• Recolección de la literatura, bases de datos y procesos de análisis.
• Especificación de la composición química de la materia prima, rendimientos, composiciones de corrientes,
propiedades físicas y caudales de corrientes, entre otros.
Estrategias de diseño
• Diseño conceptual y estructura
• Optimización
• Combinación
Modelado
• Operación y secuencia de procesos
• Supuestos (rendimientos, eficiencia y factores de procesos operativos)
• Selección de Herramientas - software (ASPEN, GAMS, otros)
Balances de
masa y energía
• Suposición de estado estacionario
• Insumos de proceso (materias primas, reactivos energía, otros)
• Salidas de proceso (residuos, productos, subproductos, energía, otros)
Integración de
masa y energía
• Recuperación y/o valorización de corrientes
• Análisis de riesgo
Escalamiento
• Escalado (dependiendo de la materia prima disponible, mano de obra, volumen de productos, entre otros)
• Implementación de micro, pequeña, mediana y gran escala
Pasos para un proceso de biorrefinería
(Alibardi et al., 2020)
5. MARCO TEÓRICO
Áreas de
aplicación del
ACV
(Ubando et al., 2019; França et al., 2021)
Definición de
Objetivos y Alcances
Análisis
de Inventario
Análisis
de Impacto
Interpretación
Aplicaciones Directas
Planificación
Estratégica
Desarrollo y
Mejora de
Productos
Formulación
de Políticas
Públicas
Marketing
Estructura del Análisis de Ciclo de Vida (ACV)
6. MARCO TEÓRICO
• En México se encuentran entre 83 a
104 especies, de los cuáles el 50%
son endémicas.
Opuntia spp.
• En el mundo existen 191 – 250 especies.
• Está distribuido en el continente
Americano, y también en Australia, India,
Argelia, Angola, Italia y Sudáfrica.
(Quintanar-Orozco et al., 2018 ; Honorato-Salazar et al., 2021)
• En Hidalgo, la producción y el manejo de cultivos de nopal generan
de 4 a 8 ton/año de desperdicio orgánico
8. ANTECEDENTES
Especies/edad MS PC FDN FDA FC CSF DMSIV Referencia/Ubicación
g/kg
O. stricta 107 47 311 167 - 521 852 Pessoa et al. (2020)/Brasil
O. stricta/4 años 140 33 202 200 202 667 - Silva et al. (2017)/Brasil
O. stricta - 59 397 - - - 834 Dubeux et al (2019)/Madagascar
N. cochenillifera 156 39 217 - - 659 - Inacio et al. (2020)/Brasil
N. cochenillifera 123 40 252 137 253 564 - Lopes et al. (2020)/Brasil
O. ficus-indica cv. Gigante/2 años 91 49 318 203 340 500 - Wanderley et al. (2012)/Brasil
O. ficus-indica/1 año 137 74 185 107 - 638 - Rodrigues et al. (2016)/Portugal
O. ficus-indica f. Inermis 97 44 306 - - - - Rekik et al. (2010)/Túnez
O. ficus-indica (Miller, TX 1279)/4 year - 71 260 211 - - - Mayer y Cushman (2019)
O. ficus-indica/90 días 63 104 319 27 - - 667 Pinos-Rodriguez et al. (2010)/México
O. ficus-indica 135 38 351 - 85 582 865 Nefzaoui y Ben Salem (2001)/Túnez
Opuntia spp. 92 116 - - 93 689 754 Tegegne (2001)/Etiopía
Opuntia spp. 100 38 197 - 154 - 900 Azócar (2001)/Chile
O. ficus-indica cv. Italiana/455 días 37 73 252 235 - - - Ramos et al. (2011)/Brasil
O. ficus.indica cv. Gigante 126 44 262 200 - 618 - Wanderley et al. (2002)/Brasil
O. ficus-indica cv. IPA-20 138 60 284 194 - 467 - Batista et al. (2003)/Brazil
O. imbricate 930 33 513 147 - - - Cerrillo y Juárez (2004)/Argentina
O. leptocaulis 940 34 448 164 - - - Cerrillo y Juárez (2004)/Argentina
N.cochenillifera 120 62 269 165 - 462 - Batista et al. (2003)/Brazil
N. cochenillifera/2 años 103 55 373 202 - 424 - Torres et al. (2009)
MS=Materia Seca PC=Proteína Cruda FDN=Fibra Detergente Neutro
FCA=Fibra Detergente Ácido FC=Fibra Cruda CSF=Carbohidratos Sin Fibra
DMSIV=Digestibilidad de la Materia Seca In-Vitro
Composición química de cladodios de acuerdo a autores y ubicación (Dubeux et al., 2021).
9. ANTECEDENTES
Composición Química Valor Medio /
Desviación Estándar
Carbohidratos Totales
(mg/gMS)
532.06 ± 0.33
Ácidos Urónicos Totales
(mg/gMS
2.1 ± 0.6
Proteínas Totales (mg/gMS) 24.54 ± 15.00
Polifenoles Totales (mg/gMS) 19:40 ± 0.02
Capacidad Antioxidante
(µmol/gMS)
22.5 ± 0.5
% Masa Seca 3.30 ± 0.20
% Cenizas 29.30 ± 4.00
Caracterización química de los cladodios de Opuntia ficus-indica
(Procacci et al., 2021).
Mucílago en la Opuntia spp.
En forma de harina es recurso para
elaboración de biopelículas para uso en la
industria de envasado de alimentos (Kurek
et al., 2021).
Elaboración de jugos, caramelos, y panes
(Liguori et al., 2020; Behera et al., 2021;
Guevara-Arauza, 2021).
Estructuras químicas de algunos fitoquímicos
encontrados en especies de la familia Cactácea (de
Araújo et al., 2021).
10. ANTECEDENTES
Procesos de obtención de jugo de nopal
Ultrafiltración
Microfiltración
Ósmosis Inversa
(Tamba et al., 2019; Rodrigues et al., 2020;
Mejia & Yáñez-Fernandez, 2021)
Tecnologías de
Conservación
UV
Plasma frío
(Artés-Hernández et al., 2021; Albuquerque et al., 2021)
Ultrasonido
Microondas
11. ANTECEDENTES
Tecnología Alimento Condiciones Resultados Referencia
Ósmosis Inversa Naranja Presiones transmembrana de 6.21
y 4.14 MPa
La recuperación general de azúcares,
ácidos orgánicos y componentes
volátiles del sabor fue de
aproximadamente 93 %.
Medina & García (1988)
Ósmosis Directa Frutas y vegetales
(uva, piña,
frambuesa roja,
naranja, jugo de
tomate y jugo de
rábano rojo
Temperatura y Presión ambiente Extractos de antocianinas y betalaínas. Rastogi (2015).
Nanofiltración Sandía Flujo de permeación de 2.3 𝐿/ℎ 𝑚2
Se observó una correlación muy
significativa entre los contenidos de
flavonoides, compuestos fenólicos, ácido
ascórbico y licopeno y su potencial
antioxidante.
Arriola et al. (2014)
Microfiltración y
Ultrafiltración
Tuna de Opuntia
ficus-indica
Presión= 75 bar
Porosidad de microfiltración=0.20
µm
Límite nominal de peso molecular
(Ultrafiltración)=200 KDa
Se obtuvieron jugos ricos en
compuestos antioxidantes (polifenoles,
vitamina C, entre otros), azúcares,
aminoácidos y minerales.
Cassano et al. (2010)
Microfiltración
Ultra/Nanofiltración
Opuntia dillenii Presión: 1.8–3.3 bar
Membranas=0.1–0.2 μm
Presión: (0.2–4.0 kDa, 5–30 bar
Se concentraron, purificaron y
fraccionaron betacianinas.
Tamba et al. (2019)
Destilación por
membrana sumergida
Manzana Caudal de extracción=3 mL/s, Concentración de 35o Brix manteniendo
el contenido de nutrientes.
Julian et al. (2020).
Microfiltración de
flujo cruzado
Tuna naranja
(Opuntia ficus-indica)
Flujo de permeado=69 KPa Jugo clarificado (10.8 °Brix), disminuyó
la capacidad antioxidante de 45.32 %,
pero se conservaron los compuestos
bioactivos.
Mejia & Yáñez-Fernandez
(2021)
Tecnologías para obtención de jugos (Elaboración propia)
12. ANTECEDENTES
Producción de biogás y biofertilizantes a partir de Opuntia spp.
El nopal es una fuente de biomasa por lo que al ser tratado como residuo tiene la facultad de generar biogás o hidrolizarse
para extraer Ácidos Grasos Volátiles (AGV´s), y así posteriormente ser aprovechados para diversas aplicaciones (Buckland
y Thomas, 2021).
Las especies de Opuntia spp. son fuente potencial de biomasa, por el
contenido de polisacáridos se puede aplicar al proceso biológico de digestión
anaerobia para producir biogás rico en metano y así generar electricidad, y
conjuntamente la obtención de biofertilizantes (Panizio et al., 2020)
Quiroz et al. (2021) realizaron una revisión de la literatura acerca de la digestión anaerobia de nopal, como conclusión
mencionan que los cladodios de Opuntia spp. tienen un alto potencial para producir metano (327 𝑚3
𝐶𝐻4/𝑚𝑔𝑆𝑉).
Sugieren que, para mejorar la producción y la calidad del biogás, los cladodios deberían mezclarse con otros cosustratos
y un mantener una relación C/N (16:30), de igual manera se debe amortiguar el pH a un rango neutro-alcalino. El sustrato
digerido podría aplicarse al suelo como biofertilizante, sobre todo en suelos de zonas semiáridas.
13. ANTECEDENTES
Especies Tratamientos Sistema Temperatura (°C) pH HRT (d) 𝑪𝑯𝟒
(𝑳/𝒌𝒈𝑺𝑽)
Referencias
O. ficus-indica 100% cladodio Batch 30 Inicial: 5.4
Final: 4.0
13 --- Uribe et al. (1992)
O. ficus-indica 100% cladodio Semi-
continuo
38 Inicial: 4.5
Final: 5.5
43 2.8 Panizio et al. (2019)
O. ficus-indica 75% Cladodio
25% Estiércol ganado
Batch 30 ≈6.1 17 --- Uribe et al. (1992)
O. ficus-indica 75% Agua residual de
rastro
25% Cladodio
Semi-
continuo
38 Inicial: 5.7
Final: 7.4
43 11 Panizio et al. (2019)
O. ficus-indica 100% cladodio Semi-
continuo
30-40 7.5-8.5 83 501 Contreras and Toha
(1984)
O. ficus-indica 100% cladodio Semi-
continuo
36.5 7.1 26 257 Sánchez (2012)
O. ficus-indica 75% Cladodio
25% Tomate
Semi-
continuo
36.5 7.1 26 264 Sánchez (2012)
O. maxima 100% cladodio Batch 37 -- 15 140 Ramos-Suárez et al.
(2014)
O. maxima 75% Cladodio
25% Scenedemus sp.
Batch 37 -- 15 233 Ramos-Suárez et al.
(2014)
O. maxima 75% Cladodio
25% Scenedemus sp.
Semi-
continuo
37 7.7 15 308 Ramos-Suárez et al.
(2014)
O. heliabravoana 100% cladodio Semi-
continuo
≈20°C Inicial: 4.4
Final: 5.9
36 ≈144 Quintanar-Orozco et al.
(2018)
O. fragilis 100% cladodio Batch 38 5.6 25 246 Valenti et al. (2018)
O. ficus-indica 100% cladodio Batch 35 Inicial: 8.3
Final: 7.8
30 289 Calabro et al. (2018)
Rendimientos de metano a partir de Opuntia spp. (Elaboración propia)
14. PERSPECTIVAS
La obtención de bioenergéticos como el metano a partir del nopal ha sido ampliamente estudiada por medio del proceso
de digestión anaerobia, sin embargo, hace falta mejorar los rendimientos de biogás, por lo se recomienda probar con
otros sustratos.
Los residuos del nopal Opuntia spp. son una opción rentable para ser implementados hacia un esquema de biorrefinería,
ya que son fuentes potenciales de biomasa, de los cuales por medio de procesos y operaciones unitarios se pueden
extraer productos de alto valor agregado.
En la generación de los bioproductos, aún se requieren mejoras en la aplicación de tecnologías y métodos, ya que
algunos métodos ocasionan la pérdida de compuestos bioactivos, presentando la baja calidad de nutrición en las
bebidas.
Con el Análisis de Ciclo de Vida se pueden evaluar los procesos de manera sistemática con la finalidad de estudiar los
aspectos ambientales, técnicos y energéticos que conllevan la implementación de una biorrefinería, de esta manera se
garantiza también el impacto económico para la toma de decisiones.
15. REFERENCIAS
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Ultrasound treatment for improving the bioactive compounds and quality properties of a Brazilian nopal (Opuntia ficus-indica) beverage during shelf-life. LWT, 149,
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