Utilización del cultivo plurianual de pataca (Helianthus tuberosus L.) para la producción de hidratos de carbono fermentables a partir de los tallos

La pataca (Helianthus tuberosus L.) es una especie de cultivo con un alto potencial en la producción de hidratos de carbono de reserva en forma de polifructanos, especialmente inulina, que se acumulan temporalmente en los tallos en forma de polisacáridos para translocarse posteriormente a los tubérculos, donde son almacenados. Aunque tradicionalmente el producto de interés del cultivo son los tubérculos, que acumulan gran cantidad de hidratos de carbono fermentables (HCF) cuando se recogen al final del ciclo de desarrollo, en este trabajo se pretende evaluar el potencial de la pataca como productor de HCF a partir de los tallos cosechados en el momento de máximo contenido en HCF, mediante un sistema de cultivo plurianual. Se han realizado los siguientes estudios: i) Determinación del momento óptimo de cosecha en ensayos con 12 clones ii) Potencial del cultivo plurianual de la pataca en términos de producción anual de biomasa aérea y de HCF en cosechas sucesivas, iii) Ensayos de conservación de la biomasa aérea, iv) Estimación de los costes de las dos modalidades de cultivo de pataca para producción de HCF y v) Estimación de la sostenibilidad energética de la producción de bioetanol mediante la utilización de los subproductos. Para la determinación del momento óptimo de la cosecha de la biomasa aérea se ensayaron 12 clones de diferente precocidad en Madrid; 4 tempranos (Huertos de Moya, C-17, Columbia y D-19) y 8 tardíos (Boniches, China, K-8, Salmantina, Nahodka, C-13, INIA y Violeta de Rennes). El máximo contenido en HCF tuvo lugar en el estado fenológico de botón floral-flor que además coincidió con la máxima producción de biomasa aérea. De acuerdo con los resultados obtenidos, la cosecha de los clones tempranos se debería realizar en el mes de julio y en los clones tardíos en septiembre, siendo éstos últimos más productivos. La producción media más representativa entre los 12 clones, obtenida en el estado fenológico de botón floral fue de 23,40 t ms/ha (clon INIA), con un contenido medio en HCF de 30,30 % lo que supondría una producción potencial media de 7,06 t HCF/ha. La producción máxima en HCF se obtuvo en el clon Boniches con 7,61 t/ha y 22,81 t ms/ha de biomasa aérea. En el sistema de cultivo plurianual la cantidad de tallos por unidad de superficie aumenta cada año debido a la cantidad de tubérculos que van quedando en el terreno, sobre todo a partir del 3er año, lo que produce la disminución del peso unitario de los tallos, con el consiguiente riesgo de encamado. El aclareo de los tallos nacidos a principios de primavera mediante herbicidas tipo Glifosato o mediante una labor de rotocultor rebaja la densidad final de tallos y mejora los rendimientos del cultivo. En las experiencias de conservación de la biomasa aérea se obtuvo una buena conservación por un período de 6 meses de los HCF contenidos en los tallos secos empacados y almacenados bajo cubierta. Considerando que el rendimiento práctico de la fermentación alcohólica es de 0,5 l de etanol por cada kg de azúcar, la producción potencial de etanol para una cosecha de tallos de 7,06 t de HCF/ha sería de 3.530 l/ha. El bagazo producido en la extracción de los HCF de la biomasa aérea supondría 11,91 t/ha lo que utilizado para fines térmicos supone más de 3 veces la energía primaria requerida en el proceso de producción de etanol, considerando un poder calorífico inferior de 3.832,6 kcal/kg. Para una producción de HCF a partir de la biomasa aérea de 7,06 t/ha y en tubérculos al final del ciclo de 12,11 t/ha, los costes de producción estimados para cada uno de ellos fueron de 184,69 €/t para los HCF procedentes de la biomasa aérea y 311,30 €/t para los de tubérculos. Como resultado de este trabajo se puede concluir que la producción de HCF a partir de la biomasa aérea de pataca en cultivo plurianual, es viable desde un punto de vista técnico, con reducción de los costes de producción respecto al sistema tradicional de cosecha de tubérculos. Entre las ventajas técnicas de esta modalidad de cultivo, cabe destacar: la reducción de operaciones de cultivo, la facilidad y menor coste de la cosecha, y la posibilidad de conservación de los HCF en la biomasa cosechada sin mermas durante varios meses. Estas ventajas, compensan con creces el menor rendimiento por unidad de superficie que se obtiene con este sistema de cultivo frente al de cosecha de los tubérculos. Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) (JA) is a crop with a high potential for the production of carbohydrates in the form of polyfructans, especially inulin, which are temporarily accumulated in the stems in the form of polysaccharides. Subsequently they are translocated to the tubers, where they are finally accumulated. In this work the potential of Jerusalem artichoke for fermentable carbohydrates from stems that are harvested at their peak of carbohydrates accumulation is assessed as compared to the traditional cultivation system that aims at the production of tubers harvested at the end of the growth cycle. Tubers are storage organs of polyfructans, namely fermentable carbohydrates. Studies addressed in this work were: i) Determination of the optimum period of time for stem harvesting as a function of clone precocity in a 12-clone field experiment; ii) Study of the potential of JA poly-annual crop regarding the annual yield of aerial biomass and fermentable carbohydrates (HCF) over the years; iii) Tests of storage of the aerial biomass, iv) Comparative analysis of the two JA cultivation systems for HCF production: the poly-annual system for aerial biomass harvesting versus the annual cultivation system for tubers and v) Estimation of the energy sustainability of the bioethanol production by using by-products of the production chain. In order to determine the best period of time for aerial biomass harvesting twelve JA clones of different precocity were tested in Madrid: four early clones (Huertos de Moya, C-17, Columbia and D-19) and eight late clones (Boniches, China, K-8 , Salmantina, Nahodka, C-13, INIA and Violeta de Rennes). Best time was between the phenological stages of floral buds (closed capitula) and blossom (opened capitula), period in which the peak of biomass production coincides with the peak of HCF accumulation in the stems. According to the results, the early clones should be harvested in July and the late ones in September, being the late clones more productive. The clone named INIA was the one that exhibited more steady yields in biomass over the 12 clones experimented. The average potential biomass production of this clone was 23.40 t dm/ha when harvested at the floral buds phenological stage; mean HCF content is 30.30%, representing 7.06 t HCF/ha yield. However, the highest HCF production was obtained for the clone Boniches, 7.61 t HCF/ha from a production of 22.81 t aerial biomass/ha. In the poly-annual cultivation system the number of stems per unit area increases over the years due to the increase in the number of tubers that are left under ground; this effect is particularly important after the 3rd year of the poly-annual crop and results in a decrease of the stems unit weight and a risk of lodging. Thinning of JA shoots in early spring, by means of an herbicide treatment based on glyphosate or by means of one pass with a rotary tiller, results in a decrease of the crop stem density and in higher crop yields. Tests of biomass storing showed that the method of keeping dried stems packed and stored under cover results in a good preservation of HCF for a period of six months at least. Assuming that the fermentation yield is 0.5 L ethanol per kg sugars and a HCF stem production of 7.06 t HCF/ha, the potential for bioethanol is estimated at 3530 L/ha. The use of bagasse -by-product of the process of HCF extraction from the JA stems- for thermal purposes would represent over 3 times the primary energy required for the industrial ethanol production process, assuming 11.91 t/ha bagasse and 3832.6 kcal/kg heating value. HCF production costs of 7.06 t HCF/ha yield from aerial biomass and HCF production costs of 12.11 t HCF/ha from tubers were estimated at 184.69 €/t HCF and 311.30 €/t HCF, respectively. It can be concluded that the production of HCF from JA stems, following a poly-annual cultivation system, can be feasible from a technical standpoint and lead to lower production costs as compared to the traditional annual cultivation system for the production of HCF from tubers. Among the technical advantages of the poly-annual cultivation system it is worth mentioning the reduction in crop operations, the ease and efficiency of harvesting operations and the possibility of HCF preservation without incurring in HCF losses during the storage period, which can last several months. These advantages might compensate the lower yield of HCF per unit area that is obtained in the poly-annual crop system, which aims at stems harvesting, versus the annual one, which involves tubers harvesting.

Utilización de bloqueadores metabólicos y optimización de las condiciones de aplicación para la reducción del grado alcohólico en vinos elaborados a partir de uva procedente de zonas cálidas

El presente trabajo de Tesis describe la posibilidad de modular la fermentación alcohólica utilizando bloqueadores metabólicos como furfural, o-vainillina, ácido cinámico, glicolaldehído, p-benzoquinona y cobre; para controlar la producción de etanol. El redireccionamiento de la ruta glicolítica en Saccharomyces cerevisiae favorece el descenso del grado alcohólico gracias al aumento de la producción de metabolitos secundarios de interés enológico. La primera parte de la Tesis presenta una revisión bibliográfica sobre estudios previos en los que se ha evaluado el efecto de los diferentes bloqueadores metabólicos en la producción de etanol durante la fermentación alcohólica. La segunda parte muestra los resultados experimentales de producción de etanol obtenidos con los bloqueadores metabólicos, observándose una amplia variabilidad en su efecto en función de la naturaleza química de cada bloqueador y de la naturaleza del medio fermentativo utilizado. Finalmente, la tercera parte del trabajo muestra el efecto de los bloqueadores metabólicos sobre los parámetros colorimétricos y la producción de metabolitos secundarios, observándose un importante efecto en la producción de glicerina y en algunos de los compuestos volátiles fermentativos. La principal aplicación de esta tecnología basada en la utilización de bloqueadores metabólicos sería la elaboración de vinos con una menor graduación alcohólica a partir de uva procedente de zonas cálidas. ABSTRACT This thesis describes the possibility of modulating the alcoholic fermentation using metabolic blockers such as furfural, o-vanillin, cinnamic acid, glycolaldehyde, p-benzoquinone and copper. The controlled production of ethanol by redirecting of the glycolytic pathway in Saccharomyces cerevisiae, is achieved through diverting some of the carbohydrates away from alcohol production into the formation of glycolytic intermediates of interest to the winemaking industry. The first part of this work shows a literature review on previous studies about the effect of different metabolic blockers in order to reduce the ethanol production during alcoholic fermentation. The second part deals about the experimental results of ethanol production obtained with the metabolic blockers, showing a wide variation in the inhibitory effect depending on the chemical nature of each blocker and the nature of the fermentation medium used. Finally, the third part discussed about the effect of the metabolic blockers on colorimetric parameters and production of secondary metabolites, showing a significant effect on the production of glycerol and in some of the volatile fermentative compounds. The main application of this technology based on the use of metabolic blockers could lie in the preparation of reduced-alcohol wines from grapes grown in hot climate regions.

Production of biodiesel from animal fat using supercritical ethanol

Biodiesel is currently produced from a catalytic transesterification reaction of various types of edible and non-edible oil with methanol. The use of waste animal tallow instead of edible oils opens a route to recycle this waste. This material has the advantage of lower costs but the problem of high content of free fatty acids, becoming necessary a pre-esterification reaction that increases the cost of the catalytic process. The production of biodiesel using supercritical alcohols is appropriate for materials with high acidity and water content, therefore the use of this process with animal fat is a promising alternative. Ethanol has been used because it can be produced from biomass via fermentation resulting in a complete renewable biodiesel, instead of methanol that derives from fossil feedstocks. Two different processes have been studied: first, the direct transesterification of animal fat using supercritical ethanol and second a two-step process where the first step is a hydrolysis of the animal fat and the second step is the esterification of the resulting fatty acids. The temperature, the molar ratio ethanol:fat and the time have been modified in the different reactions to study the effect in the final conversion and the degradation of the unsaturated fatty acid esters, main inconvenient of these high temperature and pressure processes.

Dynamic analysis of physiological properties of Torulaspora delbrueckii in wine fermentations and its incidence on wine quality

This work examines the physiology of a new commercial strain of Torulaspora delbrueckii in the production of red wine following different combined fermentation strategies. For a detailed comparison, several yeast metabolites and the strains implantation were measured over the entire fermentation period. In all fermentations in which T. delbrueckii was involved, the ethanol concentration was reduced; some malic acid was consumed; more pyruvic acid was released, and fewer amounts of higher alcohols were produced. The sensorial properties of final wines varied widely, emphasising the structure of wine in sequential fermentations with T. delbrueckii. These wines presented the maximum overall impression and were preferred by tasters. Semi-industrial assays were carried out confirming these differences at a higher scale. No important differences were observed in volatile aroma composition between fermentations. However, differences in mouthfeel properties were observed in semi-industrial fermentations, which were correlated with an increase in the mannoprotein content of red wines fermented sequentially with T. delbrueckii.