La elaboración de cerveza moderna es un negocio de 117 mil millones de dólares en los Estados Unidos, y los cerveceros producen más de 170 millones de barriles de cerveza al año. El proceso de cocción requiere mucho tiempo y energía, y cada paso genera grandes cantidades de desperdicio.
Los componentes sólidos, como los granos sobrantes y la levadura de estos desechos, terminan en los vertederos, donde los compuestos nocivos pueden filtrarse al suelo. Las aguas residuales que ingresan a los ecosistemas acuáticos pueden contaminar arroyos y lagos, reducir los niveles de oxígeno en esos ambientes y poner en peligro a los organismos.
Para evitar que estos residuos lleguen al medio ambiente, científicos como yo estamos investigando cómo convertir los residuos de cerveza en productos útiles. Soy químico y mi equipo de investigación y yo estamos interesados en descubrir cómo reciclar y reutilizar los desechos de la cervecería en partículas diminutas que puedan usarse para fabricar nuevos tipos de medicamentos recetados.
El proceso de elaboración de la cerveza
El proceso de elaboración de la cerveza toma grano crudo, generalmente cebada, y convierte el almidón y la proteína en productos químicos más simples mediante el malteado. Los cerveceros comienzan este proceso agregando agua, que despierta la semilla del letargo, y luego mantienen la semilla a una temperatura controlada para permitir que el grano germine.
Durante este tiempo, se liberan enzimas importantes que pueden convertir el almidón y las proteínas del grano en azúcares y aminoácidos fermentables. Luego calientan el producto resultante, llamado malta, para secarlo y detener una mayor germinación. Después de este proceso de malteado, añaden agua caliente y trituran la malta para liberar los compuestos que le dan a la cerveza su sabor icónico.
El proceso de elaboración de cerveza produce residuos en cuatro etapas principales. Alcina Johnson Sudagar, CC BI-SA
Luego, los cerveceros separan el extracto de malta dulce, llamado mosto, y los sólidos restantes se eliminan como desechos, llamados granos gastados de los cerveceros. Alrededor del 30% del peso del grano crudo termina como desperdicio de grano. Estos residuos se utilizan como alimento para animales o se desechan. Anualmente se generan alrededor de 30 millones de toneladas de bagazo.
Los cerveceros añaden la flor cónica de la planta Humulus lupulus, llamada lúpulo, al mosto, luego lo hierven y lo clarifican. La flor de lúpulo es el ingrediente clave que le da a la cerveza su amargor y aroma. El lúpulo y las proteínas no disueltas se acumulan durante la clarificación y forman residuos calientes, los segundos residuos más importantes de la cervecería. Aproximadamente el 85% del lúpulo se elimina como material de desecho.
Luego, el mosto claro se enfría y fermenta añadiendo levadura. La levadura filtrada tras la fermentación, llamada levadura de cerveza, constituye el tercer tipo de residuo que generan las cervecerías. La levadura gastada es uno de los principales subproductos de la industria cervecera. Estos desechos tienen un alto contenido de agua y sólidos: 100 litros de cerveza producen de 2 a 4 kilogramos (de 4,4 a 8,8 libras) de levadura gastada.
Finalmente, la cerveza fermentada se filtra antes de ingresar a la línea de producción, donde se embotella la cerveza para su consumo. El agua residual producida en esta última etapa constituye el residuo de filtración. Una cervecería de tamaño mediano produce alrededor de 8 toneladas de lodos y de cinco a siete veces (o de 40 a 56 toneladas) de aguas residuales como desechos de filtración al mes. Varias toneladas de residuos de cervecería siguen estando en gran medida infrautilizadas debido a su escaso valor económico.
El problema de los residuos cerveceros
Estos desechos tienen varios compuestos, como carbohidratos, proteínas, aminoácidos, minerales y vitaminas, que potencialmente pueden reutilizarse. Los científicos han intentado reutilizar los desechos de manera creativa creando biocombustibles y cuero vegano utilizando algunos compuestos extraídos de los desechos o todos los desechos.
Las cervecerías pueden enviar sus desechos sólidos a granjas que los convierten en fertilizante para el suelo, abono o alimento para animales, pero en toda la industria gran parte de ellos termina en vertederos. Las aguas residuales se vierten en los sistemas de alcantarillado, lo que puede suponer un desafío para los sistemas de tratamiento de aguas residuales porque contienen más de 30 veces más contaminantes que las aguas residuales residenciales típicas.
Aunque las cervecerías son cada vez más conscientes de sus residuos y avanzan hacia enfoques sostenibles, la demanda de cerveza ha seguido creciendo y aún queda una gran cantidad de residuos por abordar.
Conversión de residuos en nanopartículas.
En mi investigación, estoy interesado en determinar si los compuestos de los desechos de la cervecería pueden ayudar a crear nanopartículas que sean compatibles con las células humanas pero que combatan las bacterias. Las nanopartículas son partículas extremadamente pequeñas que varían en tamaño desde una milmillonésima parte de un metro.
Las nanopartículas son más pequeñas que las bacterias: pueden tener el tamaño de un virus o incluso del ADN humano. Alcina Johnson Sudagar, CC BI-SA
En medicina, cuando se utilizan los mismos antibióticos una y otra vez, las bacterias pueden desarrollar resistencia a ellos. Un uso potencial de las nanopartículas es como componente activo en ciertos antibióticos. Estas nanopartículas también pueden funcionar como desinfectantes y productos químicos de limpieza.
Mi equipo y yo desarrollamos nanopartículas recubiertas con algunos de los compuestos que se encuentran en los desechos de las cervecerías, una invención que desde entonces hemos patentado pero que no comercializamos. Creamos partículas agregando desechos de cualquier etapa de elaboración de la cerveza a una fuente de metal.
Cuando agregamos una sustancia química que contiene plata (por ejemplo, nitrato de plata) a los desechos, una combinación de procesos convirtió el compuesto de plata en nanopartículas. Un proceso se llama reducción: aquí, los compuestos que se encuentran en los desechos de la cervecería sufren una reacción química que convierte los iones de plata del nitrato de plata en nanopartículas metálicas.
Otro proceso, llamado sedimentación, es similar a cómo se forma la espuma de jabón de cal en un fregadero cuando el jabón reacciona con minerales como el calcio en el agua dura. El óxido y el fosfato de los desechos de la cervecería se combinan con el ion de plata del nitrato de plata, lo que hace que la plata forme un compuesto sólido que forma el núcleo de la nanopartícula.
Los compuestos orgánicos de los residuos de la elaboración de cerveza, como proteínas, carbohidratos, polifenoles y azúcares, forman una capa sobre las nanopartículas. Este recubrimiento evita que se produzca cualquier otra reacción en la superficie de estas partículas, lo cual es muy importante para que las nanopartículas sean estables para su aplicación. Estas nanopartículas preparadas a partir de residuos de cervecería están formadas por tres componentes: plata metálica, óxido de plata y fosfato de plata.
Preparación de nanopartículas por el método one-pot. Alcina Johnson Sudagar, CC BI-SA
Los procesos respetuosos con el medio ambiente que reducen el uso de productos químicos peligrosos y minimizan los subproductos nocivos se conocen como química verde. Debido a que nuestro procedimiento fue tan simple y no utilizó ningún otro químico, entra en esta categoría de química verde.
Seguridad de las nanopartículas
Mi colega Neha Rangam descubrió que un recubrimiento formado a partir de compuestos de desechos de cervecería hace que estas nanopartículas no sean tóxicas para las células humanas en el laboratorio. Sin embargo, la plata de estas nanopartículas mató a Escherichia coli, una bacteria común responsable de enfermedades intestinales en todo el mundo.
Descubrimos que un tipo especial de nanopartículas que contienen grandes cantidades de fosfato de plata era eficaz contra E. coli. Resultó que esta nanopartícula de fosfato de plata tenía una capa más delgada de compuestos orgánicos provenientes de desechos de cervecería que el metal y el óxido de plata, lo que conducía a un mejor contacto con las bacterias. Esto significó que suficiente plata podría llegar a las bacterias para alterar su estructura celular. Se sabe desde hace mucho tiempo que la plata tiene un efecto antimicrobiano. Al crear nanopartículas de plata, obtenemos mucha superficie disponible para eliminar bacterias.
Varias nanopartículas han estado en ensayos clínicos y algunas han sido aprobadas por la FDA para su uso en medicamentos para el control del dolor, el tratamiento dental y enfermedades como el cáncer y el COVID-19. La mayor parte de la investigación sobre nanopartículas en biotecnología se ha centrado en nanopartículas basadas en carbono. Los científicos aún tienen que ver cómo estas nanopartículas metálicas interactuarían con el cuerpo humano y si podrían causar otros problemas de salud.
Debido a que son tan pequeñas, estas partículas son difíciles de eliminar del cuerpo a menos que estén unidas a transportadores de medicamentos diseñados para transportar las nanopartículas de manera segura. Antes de que los médicos puedan utilizar estas nanopartículas como fármacos antibacterianos, los científicos deberán estudiar el destino de estos materiales una vez que ingresan al cuerpo.
Algunas nanopartículas diseñadas pueden ser tóxicas para los organismos vivos, por lo que será necesario investigar si estas nanopartículas derivadas de desechos de cervecería son seguras para el cuerpo humano antes de usarlas como un nuevo componente de un fármaco antibacteriano.
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