Nanopartículas cerveceras
La producción
moderna de cerveza es un negocio de US$117 mil millones en los Estados Unidos,
con cerveceros que elaboran más de 170 millones de barriles de cerveza al año.
El proceso de elaboración consume mucho tiempo y energía, y cada paso genera
grandes cantidades de residuos. Componentes sólidos como los granos usados y la
levadura de estos desechos terminan en los vertederos, donde compuestos nocivos
pueden filtrarse en el suelo. Las aguas residuales de la elaboración de cerveza
que llegan a los ecosistemas acuáticos pueden contaminar arroyos y lagos,
disminuir los niveles de oxígeno en esos entornos y amenazar a los organismos.
Para
evitar que estos residuos lleguen al medio ambiente, científicos como yo estamos
explorando cómo transformar los desechos de la elaboración de cerveza en
productos útiles. Soy química, 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
El
proceso de elaboración toma el grano de cereal crudo –generalmente de cebada– y
convierte su almidón y proteínas en químicos más simples mediante el malteado.
Los cerveceros inician este proceso agregando agua, lo que saca a la semilla de
la latencia, y luego mantienen las semillas a una temperatura controlada para
que el grano germine.
Durante
este tiempo, se liberan enzimas importantes que pueden convertir el almidón y
las proteínas de los granos en azúcares fermentables y aminoácidos. Luego
calientan el producto resultante, llamado la malta, para secarlo y detener una
mayor germinación. Después de este proceso de malteado, agregan agua caliente y
trituran la malta para liberar los compuestos que le dan a la cerveza su sabor
icónico.
Luego,
los cerveceros separan el extracto de malta dulce, llamado mosto, y el sólido
sobrante se elimina como desecho, llamado bagazo de malta (brewer’s spent
grains). Alrededor del 30% del peso del grano crudo termina como desecho de
bagazo. Este desecho se usa como alimento para animales o se desecha.
Anualmente se generan alrededor de 30 millones de toneladas de bagazo.
Los
cerveceros añaden una flor en forma de cono de la planta Humulus lupulus,
llamada lúpulo, al mosto, luego lo hierven y 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 recogen durante la clarificación para formar el trub
caliente, el segundo desecho principal de las cervecerías. Aproximadamente el
85% del lúpulo se elimina como material de desecho.
El mosto
claro se enfría y luego se fermenta agregando levadura. La levadura filtrada
después de la fermentación, llamada levadura de cerveza usada (brewer’s spent
yeast), forma el tercer tipo de desecho que generan las cervecerías. La
levadura usada es uno de los principales subproductos de la industria
cervecera. Este desecho tiene una gran cantidad de agua y material sólido: 100
litros de cerveza generan de 2 a 4 kilogramos (4.4 a 8.8 libras) de levadura
usada.
Finalmente,
la cerveza fermentada se filtra antes de entrar en la línea de producción,
donde la cerveza se embotella para su consumo. El agua residual generada en esta
última etapa forma el desecho de filtración. Una cervecería de tamaño mediano
genera aproximadamente 8 toneladas de lodo denso y de cinco a siete veces –o de
40 a 56 toneladas– de aguas residuales como desecho de filtración mensualmente.
Varias toneladas de desechos de cervecerías permanecen en gran medida
infrautilizadas debido a su bajo valor económico.
El problema de los desechos de la cervecería
Estos
desechos contienen varios compuestos, como carbohidratos, proteínas,
aminoácidos, minerales y vitaminas, que pueden ser reutilizados. Los
científicos han intentado reutilizar los desechos de manera creativa, por
ejemplo, creando biocombustibles y cuero vegano utilizando algunos compuestos
extraídos del desecho o el desecho entero.
Las
cervecerías pueden enviar sus desechos sólidos a granjas que los reutilizan
como fertilizante para el suelo, compost o alimento para animales, pero una
fracción importante a nivel de toda la industria es desechada en vertederos.
Las aguas residuales se descargan en las alcantarillas, lo que puede desafiar a
los sistemas de tratamiento de aguas residuales, ya que contienen más de 30
veces más contaminantes que las aguas residuales residenciales típicas.
Aunque
las cervecerías son cada vez más conscientes de sus desechos y están avanzando
hacia enfoques sostenibles, la demanda de cerveza ha seguido aumentando, y una
gran cantidad de desechos sigue siendo un problema por resolver.
Reutilización de desechos en nanopartículas
En mi
investigación, me interesa 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 diminutas que tienen tamaños en el rango de una milmillonésima
parte de un metro.
En
medicina, cuando se usan los mismos antibióticos una y otra vez, las bacterias
pueden desarrollar resistencia contra ellos. Un uso potencial de las
nanopartículas es como componente activo en ciertos medicamentos antibióticos.
Estas nanopartículas también podrían funcionar como desinfectantes y químicos
de limpieza.
Mi
equipo y yo desarrollamos nanopartículas recubiertas con algunos de los
compuestos que se encuentran en los desechos de la cervecería, un invento que
hemos patentado, pero que no estamos comercializando activamente. Creamos las
partículas añadiendo desechos de cualquier etapa de la elaboración a una fuente
de metal.
Cuando
añadimos un químico que contenía 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 una nanopartícula
metálica.
El otro
proceso, llamado precipitación, es similar a cómo se forma el sarro jabonoso en
el lavadero 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 un
ion de plata del nitrato de plata, lo que hace que la plata forme un compuesto
sólido que constituye el núcleo de la nanopartícula.
Los
compuestos orgánicos de los desechos de la elaboración, como proteínas,
carbohidratos, polifenoles y azúcares, forman un recubrimiento en las
nanopartículas. Este recubrimiento evita que ocurra cualquier otra reacción en
la superficie de estas partículas, lo cual es muy importante para hacer que las
nanopartículas sean estables para sus aplicaciones. Estas nanopartículas
preparadas a partir de desechos de cervecería estaban compuestas por tres
componentes: plata metálica, óxido de plata y fosfato de plata.
Los
procesos respetuosos con el medio ambiente que reducen el uso de 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, se incluye en esta categoría de química verde.
Seguridad de las nanopartículas
Mi
colega Neha Rangam descubrió que el recubrimiento formado por los compuestos de
los desechos de la cervecería hace que estas nanopartículas sean no tóxicas
para las células humanas en el laboratorio. Sin embargo, la plata de estas
nanopartículas eliminó la Escherichia coli, una bacteria común responsable de
enfermedades intestinales en todo el mundo.
Encontramos
que un tipo especial de nanopartícula que contenía altas cantidades de fosfato
de plata funcionó contra la E. coli. Parecía que esta nanopartícula de fosfato
de plata tenía un recubrimiento más delgado de los compuestos orgánicos de los
desechos de la cervecería que la plata metálica y los óxidos, lo que condujo a
un mejor contacto con la bacteria. Eso significaba que suficiente plata podía
llegar a la bacteria para interrumpir su estructura celular.
Desde
hace mucho tiempo se sabe que la plata tiene un efecto antimicrobiano. Al crear
nanopartículas a partir de plata, obtenemos una gran 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 manejo del dolor, tratamiento dental
y enfermedades como el cáncer y el Covid-19. La mayor parte de la investigación
sobre nanopartículas en biotecnología se ha ocupado de nanopartículas basadas
en carbono. Los científicos aún necesitan ver cómo interactuarían estas
nanopartículas metálicas con el cuerpo humano y si podrían causar
potencialmente otros problemas de salud.
Debido a
que son tan diminutas, estas partículas son difíciles de eliminar del cuerpo a
menos que estén unidas a portadores de medicamentos diseñados para transportar
las nanopartículas de manera segura. Antes de que los médicos puedan usar estas
nanopartículas como medicamentos antibacterianos, los científicos necesitarán
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 la investigación deberá abordar si estas nanopartículas derivadas de
desechos de cervecería son seguras para el cuerpo humano antes de que se
utilicen como un nuevo componente de medicamentos antibacterianos.
The Conversation. Traducción:
Horacio Shawn-Pérez
