Universidad Del Valle de Guatemala Bioingeniería Carlos Cruz 08410
FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA La fermentación alcohólica es un proceso anaerobio en el que las levaduras y algunas bacterias, descarboxilan el piruvato obtenido de la ruta Embden-Meyerhof-Parnas (glicolisis) dando acetaldehído, y éste se reduce a etanol por la acción del NADH. Siendo la reacción global (1), conocida como la ecuación de Gay-Lussac: C6H12O6 ———-> 2 CH3CH2OH + 2 CO2 (1) Se recurre a la fermentación alcohólica en la fabricación de diversos productos alimenticios como: pan, vino, cerveza, champagne, todo tipo de bebidas alcohólicas fermentadas y chocolate. Asimismo, las bebidas destiladas, como por ejemplo el brandy, se obtienen a partir de las bebidas fermentadas, en concreto del vino blanco, por simple evaporación del agua. Además, una característica importante de la fermentación alcohólica, es que produce gran cantidad de CO2, responsable de las burbujas del champagne y de la textura esponjosa del pan. Las cepas de levadura más empleadas en la fabricación del vino, cerveza y pan, son las correspondientes a la especie Saccharomyces cerevisiae. Esta levadura sigue un metabolismo fermentativo cuando está en condiciones anaerobias, pero cuando hay oxígeno hace una respiración aerobia y no produce alcohol. Aunque existen otras, como pueden ser: Kloeckera apiculata (levadura de bajo poder fermentativo, presente en las vinificaciones) y Saccharomyces bayanus (de alto poder fermentativo, presente también en las vinificaciones). Otra utilidad interesante de la fermentación alcohólica es la producción a gran escala de bioetanol a partir de biomasa. Éste supone una alternativa competitiva y más limpia al uso de combustibles fósiles como el petróleo. CONDICIONES NECESARIAS PARA LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA Temperatura Las levaduras son microrganismos mesófilos, esto hace que la fermentación pueda tener lugar en un rango de temperaturas desde los 13-14ºC hasta los 33-35ºC. La temperatura más adecuada para realizar la fermentación alcohólica se sitúa entre los 18-23ºC y es la que se emplea generalmente en la elaboración de vinos blancos. Aireación Durante mucho tiempo se pensó que las levaduras eran microrganismos anaerobios estrictos, es decir, debía realizarse la fermentación en ausencia de oxígeno. Sin embargo, es un hecho erróneo ya que requieren una cierta aireación. Esta oxigenación se consigue en los procesos previos a la fermentación. pH El pH del vino (3,1- 4) no es el más adecuado para la vida de las levaduras, menos para la de las bacterias, prefiriendo convivir con valores más elevados.
Nutrientes y Activadores Las levaduras fermentativas necesitan los azúcares para su catabolismo, es decir para obtener la energía necesaria para sus procesos vitales, pero además necesitan otros substratos para su anabolismo como son nitrógeno, fósforo, carbono, azufre, potasio, magnesio, calcio y vitaminas, especialmente tiamina (vitamina B1). Por ello es de vital importancia que el medio disponga de una base nutricional adecuada para poder llevar a cabo la fermentación alcohólica. Inhibidores Es importante evitar la presencia de inhibidores en el mosto como restos de productos fitosanitarios y ácidos grasos saturados de cadena corta. Concentración inicial de azúcares No podemos pensar en fermentar un mosto con una concentración muy elevada de azúcares. En estas condiciones osmófilas las levaduras simplemente estallarían bruscamente al salir el agua de su interior para equilibrar las concentraciones de solutos en el exterior y en el interior de la célula, es decir, lo que se conoce como una plasmólisis. PROCESOS PARA LA PRODUCCION DE ETANOL Los procesos se dividen en dos principalmente, la fermentación y la destilación. La fermentación es la etapa inicial del proceso.
Sistemas tecnológicos utilizados para la producción de bioetanol El bioetanol se produce mayoritariamente en procesos discontinuos. Los fundamentales son: o Sistema Jackemine: sin recirculación celular, tiempos de fermentación relativamente largos y baja productividad, comparada con la del Melle –Boinot. o
Sistema Melle- Boinot: recircula la levadura, limita el crecimiento celular y maximiza la producción de alcohol, a la vez que logra disminuir sensiblemente los tiempos de fermentación debido a la alta densidad celular en el fermentador. Se caracteriza por su elevada productividad, 20-25 veces más que el sistema Jackemine.
PROCESO CONTÍNUO DE FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA Un proceso continuo debe garantizar que los reactivos estén suficiente tiempo en contacto para que la reacción ocurra en la extensión que se desea. A este tiempo ζ se le llama tiempo de residencia y es igual al volumen del reactor sobre el flujo volumétrico. En los procesos microbiológicos aeróbicos se prefiere el uso de reactores de mezcla completa. Ventajas y desventajas de la fermentación continúa Ventajas Mayores rendimientos Mayor productividad Facilidad en la automatización
Desventajas Mayores riesgos de contaminación, por lo que requiere mayor esterilidad en el proceso, lo cual incrementa los costos.
TENDENCIAS EN LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA 1. Reactores de células inmovilizadas: Fijadas en cama de celita y arena (14% de AR para obtener 7% de alcohol en 10 horas) Reactores en 3 etapas con células inmovilizadas en alginato de aluminio y cultivos mixtos a pH 2,8, con jugo de caña: (tiempos de residencia de 4,5 y 3,2 h dio concentraciones de alcohol de 9,5 a 5,3 % v/v) 2. Reactor a templa relleno con fragmentos de caña de 2-4 mm de diámetro sin compresión, a pH 2,5 y 30º C, en 7 ciclos alcanza una concentración alcohólica de 16% v/v y rendimiento de 93% sobre la base de los azúcares contenidos en la caña. En definitiva, se puede concluir que la fermentación alcohólica es un proceso biológico ampliamente utilizado en la industria, ya que se ve implicada en la elaboración de productos esenciales en la alimentación, así como en el desarrollo de biocombustibles.
BIBLIOGRAFÍA 1. Apuntes sobre la fermentación alcohólica. Consultado mayo 2012 de: http://www.bedri.es/Libreta_de_apuntes/F/FE/Fermentacion_alcoholica.htm 2. Esquema de la fermentación alcohólica. Consultado mayo 2012 de: http://www.biologia.edu.ar/metabolismo/met4.htm#inicio 3. Ward, O.P. Biotecnología de la fermentación. Acribia, S.A. Zaragoza, 1991. 4. Levaduras de la fermentación alcohólica. Consultado mayo 2012 de: http://www.verema.com/articulos/500449-levaduras-y-la-fermentacion-alcoholica-ii 5. Sanz Esteban, M.; Serrano Barrero, S.; Torralba Redondo, B. Biología. Oxford University Press. Madrid, 2003. 6. Artículo sobre la producción de bioetanol. Consultado mayo 2012 de: http://www.tec.url.edu.gt/boletin/URL_08_ING01.pdf 7. Ortiz, Laura. 2011. La fermentación alcohólica. Cómo se produce y aplicaciones. Consultado mayo 2012 de: http://blogs.creamoselfuturo.com/biotecnologia/2011/03/14/la-fermentacion-alcoholica-como-se-produce-y-aplicaciones/ 8. Collado, Rodrigo. 2011. Levaduras y la fermentación alcohólica (II). Consultado mayo 2012 de: http://www.verema.com/articulos/500449-levaduras-fermentacion-alcoholica-ii 9. Hernández, María. Dra. 2007. Tendencias actuales en la producción de bioetanol. Universidad Rafael Landívar. Boletín electrónico No.8. Consultado mayo 2012 de: http://www.tec.url.edu.gt/boletin/URL_08_ING01.pdf
