La dextranasa a lo largo de la industria azucarera
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Efraín Rodríguez Jiménez La dextranasa en la producción de azúcar Biotecnología Aplicada 2005; Vol.22, No.1 17 En cambio, no se definió el uso específico (para jugo o sirope) del preparado enzimático Dextranase Plus L de la compañía Novo Nordisk A/S, lo que amplía la posibilidad de ser usado en presencia de mayor temperatura por la termotolerancia manifestada. El Talozyme D es un preparado enzimático del que se publicaron noticias en Internet desde el año 2002. Se recomendó para usarlo en jugos con el pH entre 5.0 y 7.0, y la temperatura entre 50 y 60 ºC, pero no se reportó la fuente enzimática empleada [55]. Desde que se identificó el empleo de la dextranasa en la industria azucarera, las compañías productoras se encargaron de hacer disponibles los preparados enzimáticos, cuyos precios se mantuvieron cercanos a los 30 000 dólares por tonelada durante 20 años, aproximadamente. Ese alto precio fue ajustado al beneficio que generaba su uso para evitar un exceso en el nivel de dextranas en los cristales de azúcar, por encima del valor permisible por los refinadores. Aunque los preparados enzimáticos estuvieron disponibles, el alto precio imposibilitó su generali- zación para ser empleados en la industria azucarera. Desafortunadamente, no son muchos los resultados publicados acerca de su aplicación industrial, y muchos de los importantes juicios que pudieron ser emitidos por especialistas azucareros quedaron silenciados y solo subsistieron los criterios a voluntad de los productores de los propios preparados enzimáticos.
A partir de los primeros estudios de aplicación industrial de preparados enzimáticos de dextranasa, desde el punto de vista económico se consideró suficiente hidrolizar las dos terceras partes de las dextranas presentes en el proceso, lo cual aportó una formidable mejora económica a la producción de azúcar [49]. Se asumió que el consumo de mayor cantidad de enzima solo generaría gastos irrecuperables. A pesar de que los estudios pioneros con el preparado enzimático Glucanase D-1, en Australia, no especificaron la magnitud de la dosis empleada, reportaron la hidrólisis del 70% de las dextranas presentes en el jugo con la menor dosis estudiada [49]. Esto permitió concluir que, desde el punto de vista económico, la completa eliminación de las dextranas no sería esencial para lograr mayores ventajas en la aplicación de la enzima. Los trabajos preliminares de evaluación de la dextranasa de P. aculeatum en jugos extraídos de diferentes partes de cañas cosechadas en diversas condiciones, definieron, de manera muy certera, que el empleo de la enzima fue especialmente útil en casos de estado crítico o de suministro de caña agria [56]. También indicaron que las condiciones favorables para la hidrólisis enzimática fueron los tiempos de reacción prolongados y con bajos Brix, y sugirieron añadir la enzima lo antes posible en el proceso, ya fuera en los molinos o durante la evaporación. El criterio para calcular la dosis de dextranasa para el nivel de hidrólisis necesario apareció publicado por primera vez en los manuales de los preparados enzimáticos DN 25 L y DN 50 L de la Novo Nordisk A/S [13]. Un factor muy importante tomado en cuenta para favorecer la hidrólisis, fue la definición del tiempo de residencia de la enzima, que en el caso de la dosificación en jugos osciló entre 10 y 15 minutos [11]. Durante las zafras de 1996 y 1997, se realizaron en Louisiana estudios de aplicación industrial con el preparado Dextranex TM , dosificado sobre jugo mezclado a razón de 6 g/t de jugo, con un tiempo de reacción entre 12 y 15 minutos [11]. Como resultado se obtuvo la reducción del nivel de dextranas entre el 50 y el 85%, a la vez que se observó la reducción de la viscosidad en los tachos, la disminución de la pureza de las mieles a los valores normales y la caída del contenido de dextranas en los cristales de azúcar de 3 200 a 630-780 ppm. Recientemente, los precios de los preparados enzimáticos disponibles en el mercado disminuyeron en casi ocho veces [7]. Debido a ello, cambió el punto de vista de hidrolizar solo las dos terceras partes de las dextranas y se retomó como objetivo lograr la mayor hidrólisis posible. Sin embargo, la conclusión a la cual se arribó desde épocas tempranas sobre el uso puntual de la enzima solo en los momentos de elevado nivel de dextranas en el proceso, quedó vigente [56]. El Audubon Sugar Institute informó el empleo durante el año 2002 de la dextranasa en todos los centrales de Louisiana, cada vez que fue requerido [57]. Tratamiento enzimático sobre sirope Los resultados experimentales demostraron que con el aumento de la concentración de azúcar en la solución a 65 ºBrix, las enzimas dextranasas producidas por los hongos Chaetomium gracile y C. erraticum, incrementaron la estabilidad térmica hasta 85 ºC, pero este aumento del Brix redujo la velocidad de la hidrólisis de la dextrana [53, 54]. Se planteó entonces que cuando la concentración de azúcares es de 60 ºBrix, la actividad enzimática se reduce entre el 30 y el 40% [1]. El aumento de la tolerancia térmica de la dextranasa propició a los investigadores el interés de evaluar su uso en sirope o meladura, con el objetivo fundamental de reducir el consumo de la enzima al aplicarla en sitios procesadores de menor volumen. Tratamientos realizados en Australia mostraron que la viscosidad de la miel B con alto contenido de dextranas se redujo en 20% como resultado de la hidrólisis enzimática en etapas avanzadas del proceso [1]. En Louisiana, en el ensayo de suministro del preparado Dextranex TM al cuarto (último) evaporador a 85 ºC y 65 ºBrix [11], aunque no se reportó la dosis empleada, se propició la reducción del nivel de dextranas entre el 70 y el 75% en la meladura, mientras que la disminución en la miel A fue entre el 20 y el 60% y el contenido de dextranas en el azúcar disminuyó de 2 450 a 780 ppm. También se reportó que estudios de aplicación industrial en el central de Alma Plantation aportaron resultados similares [7]. Para alcanzar el nivel satisfactorio de hidrólisis de las dextranas, con esta enzima que mostró incrementada la termotolerancia en sitios del proceso posteriores a los evaporadores, fue necesario realizar la corrección de la dosis por la pérdida de actividad, causada por el elevado Brix. Como resultado, la dosis por unidad de volumen aumentó hasta seis veces, lo que igualó el consumo diario de la enzima y, por ende, no disminuyó el costo del tratamiento enzimático, a pesar de la concentración del flujo industrial a lo largo del proceso 55. CYTEC. Talozyme D. Liquid dex- tranasa concentrate for the sugar industry. WTT-1216. CYTEC Industries Inc., 1.5k 9/ 02 HOR. 2002. [Sitio en Internet] Available from URL: http://www.cytec.com . 2002. 56. Madhu GLS, Prabhu KA. Application of dextranase in the removal of dextran from cane juice, International Sugar Journal 1984;86(1025):136-8. 57. Audubon Sugar Institute. Annual Report 2002-2003; p. 15. [Publicación periódica en línea] 2003. Available from URL: http://www.lsuagcenter.com/Inst/ Research/Departments/audubonsugar/ PDF/Audubon%20annual%2003.pdf. Efraín Rodríguez Jiménez La dextranasa en la producción de azúcar Biotecnología Aplicada 2005; Vol.22, No.1 18 en similar magnitud, desde la etapa de extracción a la de sirope [7]. Esto eliminó la posibilidad de economizar el preparado enzimático, al emplearlo en puntos del proceso donde la reducción del volumen del material a tratar combinó la mayor concentración de azúcar con el aumento de la temperatura. En Cuba, los estudios con el preparado enzimático de dextranasa natural del hongo Penicillium minio-
en 6 y 50 veces, para el tratamiento de la meladura y de la miel B, respectivamente, así como duplicar el tiempo de reacción en relación con el empleado en el tratamiento del jugo [58]. Se determinó también que el preparado enzimático de dextranasa recombinante Hebertec-Dextranase incrementó su termotolerancia con el aumento del Brix en la solución tratada. La actividad residual de la enzima fue del 85%, después de ser sometida a 65 ºC, durante 30 minutos en presencia de 65 ºBrix. La evaluación del empleo de la enzima recombinante en soluciones de sacarosa con mayor Brix, aportó mayor consumo de la enzima, igual que se obtuvo para la enzima natural. Estudios de laboratorio demostraron que 160 ppm del Hebertec-Dextranase, hidrolizaron el 80% de 1 500 ppm de dextranas en presencia de sacarosa al 60%, en 15 minutos de reacción a 65 ºC y pH igual a 6.0. Para mayor concentración inicial de dextranas, la hidrólisis fue inferior. Otros intereses de desplazar erróneamente el empleo de la dextranasa a las etapas posteriores del proceso se emiten en trabajos promotores del uso de productos biocidas [59]. La importante función que desempeña la enzima en el proceso de producción no contrarresta el uso de biocidas, sino que lo complementa, para lograr recobrar todo el azúcar presente. Mientras más rápido se reduce la viscosidad en el proceso, mayor cantidad de azúcar se recupera, y por lo tanto, menores las pérdidas económicas generadas. Por citar un ejemplo, aún con el empleo del biocida en el tándem y, por lo tanto, la ausencia de contaminación bacteriana en los molinos, las dextranas potenciales pueden ser formadas en la caña durante su traslado hacia el central, por causa de factores climáticos inevitables, lo cual ejerce el nefasto efecto al proceso, que solo es eliminado por la acción de la dextranasa desde el mismo inicio del proceso. Recientemente se publicó que la situación de las dextranas ha empeorado en los últimos años en Sudáfrica, comparado con datos de archivos [2]. A diferencia de la aplicación inmediata del preparado enzimático sobre los jugos, al realizarse su dosificación en puntos más avanzados del proceso, las etapas anteriores toleraron las perturbaciones generadas por la elevada viscosidad, por lo que las pérdidas económicas asociadas con esos trastornos, así como las mermas iniciales sufridas por la sacarosa hidrolizada a dextranas, tienen que ser adicionadas al costo total del tratamiento enzimático. Es decir, el desplazamiento del tratamiento enzimático hacia etapas avanzadas del proceso lo encarece, y solo se circunscribe al estado crítico generado por las dextranas, que llega inevitablemente a los tachos por causa de descuidos. En este caso, el efecto de la adición directa en ese punto se obtiene antes, que si se dosifica desde el jugo. El punto ideal para la aplicación de la enzima aparece poco discutido en los diferentes estudios publicados. Estos se limitan a mencionar el sitio empleado, sin ilustrar con un análisis comparativo. La información más explicativa al respecto la emitió el Audubon Sugar Institute en el año 2003, en la cual se afirmó que el sitio más efectivo para la adición de la enzima fue bajo los molinos [57]. Se planteó que en ese punto las condiciones de temperatura, pH e hidratación fueron tales que permitieron la rápida acción de la enzima. El tratamiento sobre sirope o meladura se subscribió como un punto secundario para la aplicación, muy útil en el reciclaje de azúcar C con alto contenido de dextrana. Reportes recientes de estudios de laboratorio con el objetivo de establecer las condiciones favorables de reacción para tres dextranasas diferentes: los preparados de la Novo Nordisk A/S, Dextranase 50 L (P. lilacinum) y Dextranase Plus L (C. erraticum) y de la Genencor, Dextranex L-4 000 (C. gracile) [2], indicaron la posibilidad del empleo en sirope de las dos enzimas provenientes de Chaetomium sp. a 60 ºC, con el reajuste de la dosis por el aumento del Brix y la temperatura, sugeridos por los productores. Sin embargo, a 70 ºC resultó necesario duplicar la dosis, por lo que no se consideró factible su empleo en esas condiciones. De forma general, los datos publicados acerca del efecto económico del empleo de la dextranasa son insuficientes, ya sea en el tratamiento sobre el jugo desde la etapa inicial de los molinos, como sobre el sirope, la meladura o miel, en las etapas posteriores del proceso. Lo que sí resulta evidente después de este análisis, es que las pérdidas irreversibles del azúcar convertido en dextranas y las pérdidas en los sitios previos al tratamiento enzimático (donde quiera que este se haya realizado), son irrecuperables y tienen que ser tomadas en cuenta para los estimados estrictos. Como resultado de un análisis de hace varios años por investigadores cubanos, se planteó la posibilidad que con el empleo de la dextranasa se pudiera recuperar 0.8 kg de azúcar por tonelada de caña molida, a partir de la disminución de la pureza de la miel final en 8%, durante los 30 días de más lluvias durante la zafra [60]. Según lo analizado, para el cálculo exacto de la relación costo-efectividad del empleo de la dextranasa, es necesario, al valor del azúcar recuperado, sustraer el costo del preparado enzimático consumido, la cuantía de las pérdidas de azúcar incurridas por la conversión a dextranas y los derrames, así como realizar la corrección del contenido inicial de azúcar en el jugo por el factor de reajuste del Pol falseado. El costo aproximado del empleo del preparado enzimático para las condiciones actuales, es decir, con el valor de la tonelada del preparado enzimático alrededor de los 3 500 dólares, la dosis de empleo en jugo de 16 ppm, que hidrolizan el 90% de hasta 1 600 ppm de dextranas presentes, y con la recuperación de 0.8 kg de azúcar por tonelada de caña molida afectada por dextranas, muestra resultados más atractivos. Tomando en cuenta además, que la cantidad de jugo generado por tonelada de caña es aproximadamente de 1.075 m 3 , significa que por cada tonelada de caña tratada, se aplican 14.88 ppm del preparado enzimático y, si este tiene la densidad igual a 1 g/mL, su coste corresponde a 0.052 dólares. Por otra parte, si se asume que en el mercado el precio de la libra de azúcar es 0.05 dólares, el valor de la 58. Guilarte B, Cuervo R. Aplicación de dextranasa. Quimización de la industria azucarera. ICINAZ–MINAZ; 1990.p. 43-60. 59. Cuddihy JA, Day DF. Biocide usage at Louisiana factories. Midland Research Laboratories, Inc. [Publicación periódica en línea] 1998. Available from URL: http:// www.midlandresearchlabsinc.com/doclib/ biousage.pdf . 60. Namer I, Pérez JR, Dávila H. Análisis de los beneficios económicos del empleo de las enzimas en la producción del azúcar de exportación cubana. Atac 1988;3:34-8. Efraín Rodríguez Jiménez La dextranasa en la producción de azúcar Biotecnología Aplicada 2005; Vol.22, No.1 19 cantidad de azúcar recuperada es de 0.088 dólares. Por tanto, el efecto económico del empleo de la enzima en el jugo desde la etapa inicial del proceso de producción de azúcar, dado como la correlación del dinero recuperado en azúcar con el gastado en el preparado enzimático, es aproximado a 1.7 veces. A esto se sumarán, además, los ahorros por no pagos de las penalidades y los ataru- gamientos y paradas, que convergen en la estabilidad de la producción del central, aspectos muy importantes que deben tomarse en cuenta. Según los datos que presenta este trabajo, no ocurre de manera igual si se dosifica el preparado enzimático en puntos más avanzados del proceso de producción de azúcar, donde inevitablemente ocurrieron ya otras pérdidas por la acción de las dextranas y además se necesita la dosis diez veces superior para el tratamiento.
A todos aquellos que de una forma u otra colaboraron en la confección de este documento, en especial a los doctores José Cremata y Manuel Raíces, por haber dispuesto su tiempo para revisar el manuscrito, por sus útiles consejos al respecto y por haber trabajado también en esta temática durante varios años. Recibido en agosto de 2004. Aprobado en noviembre de 2004. Document Outline
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