Convertir residuos en recursos en los sistemas alimentarios con la biotecnología microbiana

Convertir residuos en recursos en los sistemas alimentarios con la biotecnología microbiana
Procesado y fabricación de alimentos

Helen Onyeaka

Profesora adjunta | Profesora de Microbiología de los Alimentos

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La población mundial crece y con ella el desafío de gestionar el volumen creciente de residuos alimentarios. No obstante, este reto encierra una oportunidad. La biotecnología microbiana ofrece soluciones innovadoras para convertir los residuos alimentarios en recursos valiosos. Aplicar la biotecnología microbiana para transformar los residuos alimentarios en bioenergía y bioplásticos contribuye a la gestión de los residuos y a la producción sostenible de recursos valiosos.

Biotecnología microbiana: una solución sostenible

La biotecnología microbiana aprovecha el poder de los microorganismos para transformar los residuos orgánicos en productos valiosos. Los microbios tienen la extraordinaria capacidad de descomponer moléculas orgánicas complejas en compuestos más simples a través de diversas vías metabólicas [1].

Convertir los residuos alimentarios en bioenergía

La biotecnología microbiana desempeña un papel fundamental en los procesos de conversión de residuos en bioenergía. La digestión anaeróbica es un proceso microbiano que implica la descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxígeno, lo que conduce a la producción de biogás, una mezcla de metano y dióxido de carbono [2, 3]. Este biogás se puede utilizar como una fuente de energía renovable para generar electricidad y calefacción [4]. El proceso mitiga el impacto medioambiental de los residuos alimentarios y produce un recurso energético sostenible.

Bioplásticos de transformación microbiana

Los plásticos convencionales derivados de combustibles fósiles contribuyen a la contaminación ambiental y al agotamiento de los recursos [5]. La biotecnología microbiana ofrece una alternativa ya que permite producir bioplásticos a partir de residuos alimentarios [6]. Algunos microbios pueden fermentar sustratos orgánicos a partir de residuos alimentarios para producir biopolímeros, como los polihidroxialcanoatos (PHA) [7]. Estos bioplásticos son biodegradables y pueden servir como alternativas ecológicas a los plásticos convencionales.

Las comunidades microbianas en la transformación de residuos

Los consorcios o comunidades microbianas suelen actuar de forma sinérgica en la naturaleza. En la transformación de residuos, se pueden emplear consorcios microbianos (grupos de microorganismos diferentes) para aumentar su eficacia [8]. os consorcios son versátiles y pueden desarrollarse en condiciones diversas, lo que los hace idóneos para la composición compleja de los residuos alimentarios.

Desafíos a los que se enfrenta la biotecnología microbiana

A pesar de que la biotecnología microbiana promete, existen algunos retos a la hora de optimizar los procesos para los distintos tipos de residuos alimentarios. Factores como la composición de los residuos, las cepas microbianas y las condiciones ambientales [9, 10] se deben tener muy en cuenta. Los investigadores trabajan día a día para mejorar las cepas microbianas y los procesos de fermentación para aumentar su eficacia.

Ejemplos prácticos

Existen varios casos prácticos que destacan la aplicación de la biotecnología microbiana en la conversión de residuos en recursos. Algunos ejemplos son el uso de bacterias específicas para descomponer residuos alimentarios en digestores anaeróbicos [11], lo que permite generar biogás. Del mismo modo, el desarrollo de cepas microbianas que sean capaces de producir bioplásticos a partir de residuos alimentarios pone de manifiesto la versatilidad y el potencial de esta tecnología [12].

Beneficios medioambientales y económicos

Más allá de reducir los residuos, la biotecnología microbiana para transformar residuos aporta beneficios económicos y medioambientales. Reduce las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas a la descomposición de residuos alimentarios en vertederos, contribuye a generar energía renovable y proporciona alternativas sostenibles a los plásticos convencionales [13]. A medida que el mundo busca soluciones de economía circular, la viabilidad económica de estos procesos va ganando terreno.

El cuadro que mostramos a continuación explica con más detalle las diversas ventajas de aplicar la biotecnología microbiana.

Cuadro 1: Beneficios de la biotecnología microbiana para convertir residuos en recursos en los sistemas alimentarios

BeneficioDescripción
Uso eficiente de los residuosLa biotecnología microbiana permite descomponer de forma eficaz los residuos orgánicos en recursos valiosos como biocombustibles, fertilizantes y ácidos orgánicos [14].
Reducir la huella medioambientalAl convertir los residuos alimentarios en productos útiles, la biotecnología microbiana contribuye a mitigar el impacto ambiental asociado a la eliminación en vertederos y a la incineración  [15].
Producir energía renovableLos procesos microbianos se pueden aprovechar para generar bioenergía, incluyendo el biogás y la bioelectricidad, contribuyendo a la producción de energía renovable en el tratamiento de residuos alimentarios [16].
Reducir las emisiones de gases de efecto invernaderoLa biotecnología microbiana puede reducir la emisión de metano, un fuerte gas de efecto invernadero, y fomentar los procesos de digestión anaerobia en el tratamiento de residuos [17].
Gestión rentable de los residuosImplementar procesos de biotecnología microbiana puede ofrecer soluciones rentables para la gestión de residuos al eliminar los residuos y producir recursos simultáneamente [18].
Crear productos de valor añadidoTransformar los residuos alimentarios  utilizando procesos microbianos puede producir subproductos valiosos como enzimas, ácidos orgánicos y biopolímeros, que tienen diversas aplicaciones industriales [19].
Mejorar la economía circularLa biotecnología microbiana apoya los principios de la economía circular ya que cierra el ciclo de los residuos alimentarios al convertirlos en recursos valiosos y al reducir la necesidad de materiales vírgenes [20].
Personalización y optimizaciónLos procesos microbianos pueden pueden adaptarse y optimizarse según los residuos, lo que permite flexibilidad a la horar de tratar los residuos y recuperar los recursos en función de las características del material de entrada.

La biotecnología microbiana está a la vanguardia de la gestión sostenible de los residuos y la producción de recursos en el ámbito de los sistemas alimentarios. Al aprovechar las capacidades metabólicas de los microorganismos, podemos convertir los residuos alimentarios en recursos valiosos como la bioenergía y los bioplásticos. Esto no sólo aborda el problema acuciante del desperdicio de alimentos, sino que también se alinea con unos objetivos de sostenibilidad más amplios. A medida que la investigación y el desarrollo de la biotecnología microbiana avanzan podemos anticipar soluciones aún más innovadoras para transformar los residuos generados por nuestros sistemas alimentarios en recursos que contribuyan a un futuro más sostenible y circular. 

Referencias

  1. Amobonye, A., Bhagwat, P., Singh, S., & Pillai, S. (2021). Plastic biodegradation: Frontline microbes and their enzymes. Science of the Total Environment759, 143536.
  2. Náthia-Neves, G., Berni, M., Dragone, G., Mussatto, S. I., & Forster-Carneiro, T. (2018). Anaerobic digestion process: technological aspects and recent developments. International journal of environmental science and technology15, 2033-2046.
  3. McPhail, S. J., Cigolotti, V., Moreno, A., & Massi, E. (2012). Anaerobic digestion. Fuel Cells in the Waste-to-Energy Chain: Distributed Generation through Non-Conventional Fuels and Fuel Cells, 47-63.
  4. Uddin, W., Khan, B., Shaukat, N., Majid, M., Mujtaba, G., Mehmood, A., … & Almeshal, A. M. (2016). Biogas potential for electric power generation in Pakistan: A survey. Renewable and Sustainable Energy Reviews54, 25-33.
  5. Sharma, S., Sharma, V., & Chatterjee, S. (2023). Contribution of plastic and microplastic to global climate change and their conjoining impacts on the environment – A review. The Science of the total environment875, 162627. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162627
  6. Degli Esposti, M., Morselli, D., Fava, F., Bertin, L., Cavani, F., Viaggi, D., & Fabbri, P. (2021). The role of biotechnology in the transition from plastics to bioplastics: An opportunity to reconnect global growth with sustainability. FEBS open bio11(4), 967-983.
  7. Nielsen, C., Rahman, A., Rehman, A. U., Walsh, M. K., & Miller, C. D. (2017). Food waste conversion to microbial polyhydroxyalkanoates. Microbial biotechnology10(6), 1338–1352. https://doi.org/10.1111/1751-7915.12776
  8. Qian, X., Chen, L., Sui, Y., Chen, C., Zhang, W., Zhou, J., … & Ochsenreither, K. (2020). Biotechnological potential and applications of microbial consortia. Biotechnology advances40, 107500.
  9. Gavrilescu, M. (2010). Environmental biotechnology: achievements, opportunities and challenges. Dynamic biochemistry, process biotechnology and molecular biology4(1), 1-36.
  10. Almeida, J. R., Fávaro, L. C., & Quirino, B. F. (2012). Biodiesel biorefinery: opportunities and challenges for microbial production of fuels and chemicals from glycerol waste. Biotechnology for biofuels5(1), 48.
  11. Li, L., He, Q., Ma, Y., Wang, X., & Peng, X. (2016). A mesophilic anaerobic digester for treating food waste: process stability and microbial community analysis using pyrosequencing. Microbial Cell Factories15, 1-11.
  12. Narancic, T., Cerrone, F., Beagan, N., & O’Connor, K. E. (2020). Recent Advances in Bioplastics: Application and Biodegradation. Polymers12(4), 920. https://doi.org/10.3390/polym12040920
  13. Ma, Y., & Liu, Y. (2019). Turning food waste to energy and resources towards a great environmental and economic sustainability: An innovative integrated biological approach. Biotechnology Advances37(7), 107414.
  14. Sharma, P., Gaur, V. K., Kim, S. H., & Pandey, A. (2020). Microbial strategies for bio-transforming food waste into resources. Bioresource technology299, 122580.
  15. Ma, Y., & Liu, Y. (2019). Turning food waste to energy and resources towards a great environmental and economic sustainability: An innovative integrated biological approach. Biotechnology Advances37(7), 107414.
  16. Mohanty, A., Mankoti, M., Rout, P. R., Meena, S. S., Dewan, S., Kalia, B., … & Banu, J. R. (2022). Sustainable utilization of food waste for bioenergy production: A step towards circular bioeconomy. International Journal of Food Microbiology365, 109538.
  17. Das, Ankita, Sandeep Das, Nandita Das, Prisha Pandey, Birson Ingti, Vladimir Panchenko, Vadim Bolshev, Andrey Kovalev, & Piyush Pandey. (2023). “Advancements and Innovations in Harnessing Microbial Processes for Enhanced Biogas Production from Waste Materials” Agriculture13, no. 9: 1689. https://doi.org/10.3390/agriculture13091689
  18. Vaithyanathan, V. K., & Cabana, H. (2021). Integrated biotechnology management of biosolids: Sustainable ways to produce value—Added products. Frontiers in Water3, 729679.
  19. Pagliano, G., Ventorino, V., Panico, A., & Pepe, O. (2017). Integrated systems for biopolymers and bioenergy production from organic waste and by-products: a review of microbial processes. Biotechnology for biofuels10(1), 1-24.
  20. Rana, S., Mishra, P., Gupta, R., ab bin Wahid, Z., & Singh, L. (2020). Circular economy: transforming solid-wastes to useful products. In Current Developments in Biotechnology and Bioengineering(pp. 223-240). Elsevier

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