Diseño y operación de reactores bioquímicos para la obtención de metabolitos de alcohol etílico y ácido cítrico a nivel laboratorio

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(1)Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO. ría. Q. uí m. ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA. ica. FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA. “DISEÑO Y OPERACIÓN DE REACTORES BIOQUÍMICOS PARA. ie. LA OBTENCIÓN DE METABOLITOS DE ALCOHOL ETÍLICO Y. en. ÁCIDO CÍTRICO A NIVEL LABORATORIO”. In g. TESIS. PARA OBTENER EL TITULO DE. AUTORES. de. INGENIERO QUÍMICO. :. ca. Br. Víctor Eduardo Luján Costa. lio te. Br. Luís Reyes Yparraguirre. Bi b. ASESOR. : Ms. Ing. José Luís Silva Villanueva.. TRUJILLO PERÚ 2006. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Q. Ms. Ing. José Luís Silva Villanueva. uí m. ica. JURADO DICTAMINADOR. Ms. Ing. Feliciano Bernui Paredes. Bi b. Ms. Ing. Anselmo Castillo Valdivieso. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. uí m. ica. A Dios Nuestro Señor, fuerza infinita que me ayuda a pensar, sentir y luego actuar y que a la vez me llena de esa enorme confianza para alcanzar todas mis metas.. In g. en. ie. ría. Q. A mis queridos padres Víctor y Gladys a quienes les debo todo, los que nunca me dieron la espalda y que siempre estuvieron para corregirme y darme la mano en los momentos más difíciles de mi vida.. Bi b. lio te. ca. de. A mis gorditas Mónica y Verónica que gracias a sus gestos de amor fraterno, enseñanzas y compañerismo a lo largo de toda mi vida me sirvieron para sentirme mucho mas completo y amado.. Y a todas esas personas tan especiales para mí a quienes considero que son mis verdaderos amigos y amigas con los que estoy seguro que puedo contar siempre.. Víctor Eduardo Luján Costa.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. A Dios, por las infinitas bendiciones que derrama en mi vida; gracias por guiarme hacia la felicidad con paz, fe y esperanza.. A mis hermanos, Helí, Bethy, Janita y Doris; por su cariño, amistad, apoyo incondicional y por ser un ejemplo de superación; gracias por enseñarme a creer en la belleza de mis sueños.. lio te. ca. de. In g. en. ie. A mi madre, Maria, por su amor, dulzura y paciencia para enseñarme las reglas de esta vida; gracias por ser la inspiración de mi vida.. ría. Q. uí m. A la memoria de mi Padre, Félix, quién siempre será un ejemplo de justicia, perseverancia, sacrificio y superación en mi vida; gracias por ser mi ángel de la guarda.. Bi b. A mis amigos, Paolita, Miguelón, Vitucho, Juanca y al Sr. Tito, por sus palabras alentadoras para siempre seguir adelante hasta cumplir mis metas; gracias por enseñarme el amplio concepto de una amistad desinteresada y sin límites.. Luis Reyes Yparraguirre. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. en. ie. ría. AGRADECIMIENTO. In g. Reciba un agradecimiento muy especial el Ing. JOSÉ LUÍS SILVA VILLANUEVA por su tiempo y dedicación quién asesoró la tesis de. Bi b. lio te. ca. de. manera incondicional y nos ayudó a la realización del presente trabajo.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. PRESENTACIÓN. uí m. ica. Señores Miembros del Jurado:. De acuerdo con lo dispuesto en el Reglamento de Grados y Títulos de la. ría. ponemos a vuestra consideración la tesis titulada:. Q. Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Trujillo,. ie. “DISEÑO Y OPERACIÓN DE REACTORES BIOQUÍMICOS PARA LA. en. OBTENCIÓN DE METABOLITOS DE ALCOHOL ETÍLICO Y ACIDO. In g. CÍTRICO A NIVEL LABORATORIO”. de. Con la finalidad de obtener el Título Profesional de Ingeniería Química. Presentamos a ustedes señores miembros del Jurado el presente Trabajo de. ca. Investigación, esperando que este trabajo sea el punto de partida para. lio te. nuevas investigaciones en este campo por que creemos que a partir de él se. Bi b. pueden esbozar múltiples aplicaciones.. Trujillo, Julio del 2006. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. RESUMEN En el presente trabajo de investigación titulado “Diseño y Operación de Reactores. ica. Bioquímicos para la obtención de metabolitos de Alcohol Etílico y Acido Cítrico a nivel laboratorio” se desarrolló en los laboratorios de Microbiología Industrial de la Facultad. uí m. de Ciencias Biológicas, Química Analítica y Bioquímica de la Facultad de Ingeniería. Química de la Universidad Nacional de Trujillo durante los meses de Octubre (2005) a. Q. Junio (2006), cuya finalidad fue establecer un diseño de biorreactores para la producción de metabolitos de Alcohol Etílico y Ácido Cítrico por fermentación en. ría. diversas condiciones, utilizando un sustrato en común, cual fue la melaza.. ie. Se diseñaron los biorreactores, utilizando principios de similitud; para la producción del alcohol etílico, se diseñó un biorreactor del tipo Lecho Empacado, el cual se utilizó,. en. para la fermentación por células inmovilizadas de Saccharomyce Cerevisae,. In g. microorganismo productor de Alcohol Etílico, que se cultivo en Agar Saboraud, para obtener pellets usados como método de atrapamiento en la inmovilización.. de. Posteriormente el alcohol fue analizado mediante el método del dicromato para identificar su grado alcohólico.. ca. En el caso del biorreactor diseñado para el cultivo de metabolitos de Ácido Cítrico, se utilizó un biorreactor Intermitente tipo Batch sin agitación, cuyo microorganismo. lio te. utilizado, como cultivo sumergido en la fermentación fue el Aspergillus Niger, hongo productor de Ácido Cítrico en las diversas industrias. Este Ácido fue analizado e identificado mediante el Espectroscopia Ultra Violeta Visible corroborando su. Bi b. existencia.. El Objetivo principal de este presente trabajo es diseñar dos tipos de biorreactores para la producción de metabolitos de Alcohol Etílico y Ácido Cítrico, a nivel laboratorio.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ABSTRACT In the following investigation project titled " Design and Operation of Biochemical. ica. Reactors for obtaining metabolites of Ethylic Alcohol and Citric Acid at the laboratory". uí m. was carried out at the Industrial Microbiology laboratories from the Biological Sciences faculty, Analytic Chemistry and Biochemistry laboratories from the Chemical Engineering faculty at the National University of Trujillo from October (2005) to June. Q. (2006), which purpose was to establish a bioreactors design for producing metabolites. common substrate, which was the molasses.. ría. of ethylic alcohol and citric acid by fermentation under a variety of conditions using a. ie. Two different types of bioreactors were designed, using principles of similarity. For the. en. production of ethylic alcohol was designed a packed bed bioreactor, which was used for the fermentation of immobilized cells of Saccharomyce Cerevisae, microorganism that. In g. produced of ethylic alcohol and were it cultivated in Agar Saboraud produces pellets that were used as catch method in the immobilization; after the alcohol was analyzed by. de. the Dichromate method to identify its alcoholic degree.. ca. In the case of the bioreactor designed for producing metabolites of citric acid was. lio te. designed an intermittent bioreactor (Batch) without agitation, which was used to perform the cultivation of the microorganism Aspergillus Niger, producing mushroom from citric acid in diverse industries. This Acid was analyzed and identified by. Bi b. Spectroscope method called Ultra Violet Visible corroborating its existence. The main objective of the present research seeks to design two types of bioreactors for producing metabolites of ethylic alcohol and citric acid at the laboratory.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. INTRODUCCIÓN. ica. La Bioingeniería es la disciplina que integra los conceptos clásicos de Ingeniería Química en aplicaciones que involucren procesos Biológicos, y el biorreactor es sin. uí m. duda uno de los equipos fundamentales de la Microbiología Industrial. El Biorreactor es el recipiente donde se realiza el cultivo de células microbianas, animales o vegetales. Q. con el fin de producir algún metabolito o bien la biomasa misma. El biorreactor tiene una función primordial de proporcionar en la forma más homogénea posible las. ría. condiciones químicas y fisicoquímicas en la que el cultivo presente los máximos. ie. rendimientos y su diseño deber ser tal que asegure un ambiente adecuado para los agentes transformantes.. en. En el caso de las Fermentaciones Aeróbicas, un objetivo especifico del biorreactor es la. In g. de proporcionar oxigeno al cultivo, y para satisfacer las necesidades del biorreactor, es necesario que este dotado de un sistema de aireación y agitación, pues el gas es poco. de. soluble en el agua y hay necesidad de transferirlo continuamente, siendo esta operación generalmente la de mayor importancia en el diseño de este tipo de biorreactores.. ca. Hasta antes de la década de los 40’s la producción de metabolitos microbianos que requerían oxigeno se llevaba a cabo en un cultivo sólido; ejemplo de ello es el Ácido. lio te. Cítrico (producido por el hongo Aspergillus Niger). El desarrollo del cultivo sumergido ha sido uno de los logros más importantes de la biotecnología moderna, adaptado para los procesos fermentativos por medio de equipos que se usaban para el contacto gas-. Bi b. liquido en la industria química. La inmovilización de células es la unión o su incorporación en un sistema de fase sólida específica que permite el intercambio de sustratos, productos, inhibidores, etc. Pero, al. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. mismo tiempo, separa la biomasa celular catalítica de la fase que contiene los sustratos y productos.. ica. La tecnología de inmovilización celular disminuye la mayoría de los problemas que plantea la fermentación utilizando células libres. Este sistema tiene la ventaja de poder. uí m. manejar la densidad celular, previa al inicio de la fermentación. Además, facilita el. sistema de operación del proceso de fermentación continua, evitando el paso de eliminar. Q. las células del fermentador. La inmovilización celular desacopla el crecimiento microbiano de los procesos metabólicos de interés industrial. Es así, que diversos. ría. grupos de investigación han empleado este sistema de células inmovilizadas para la. de desechos de residuos líquidos y sólidos.. ie. obtención de variados productos de interés industrial, como asimismo, en el tratamiento. en. En el presente trabajo de investigación se presenta, el diseño de los biorreactores y las. In g. alternativas de producción de metabolitos:. La primera es una alternativa de producción de alcohol etílico con levaduras de Saccharomyces Cerevisae por el método de atrapamiento en Agar-Agar, en un reactor. de. de lecho empacado y utilizando la melaza como sustrato. La segunda es una alternativa es la producción de Ácido Cítrico con cultivo sumergido. ca. del hongo Aspergillus Niger, en un biorreactor Bach y utilizando también la melaza. Bi b. lio te. como sustrato.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. GLOSARIO. Diámetro del Biorreactor (cm).. H1. Altura del Liquido (cm).. HT. Altura Total del Biorreactor (cm).. l. Ancho del Baffle (cm).. LB. Longitud del Baffle (cm).. RF. Factor de Retención.. Nre. Número de Reynolds.. ρ. Densidad (gr/cm3).. µ. Coeficiente de Viscosidad Dinámica (gr/cm.seg).. Kla. Coeficiente de Transferencia de Oxigeno Volumétrico.. T. Tiempo de Fermentación (h.). Po. Presión Parcial (atm).. H. Constante de la Ley de Henry.. Qo2. Tasa Especifica de Asimilación.. X. Concentración de Células en el Lecho (gr/l).. V. Volumen de Sustrato (ml).. F. Caudal del Sustrato (cm3/min).. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Q. uí m. ica. D. Tiempo de Llenado (min).. Yps. Coeficiente de Producción de Alcohol (g etanol/g glucosa).. qp. Velocidad Especifica de Producción de Alcohol.. Z. Altura (m).. Bi b. Θ. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE. ica. PRESENTACIÓN AGRADECIMIENTO. uí m. RESUMEN ABSTRACT INTRODUCCIÓN. en. I. MATERIAL Y MÉTODO 1. Material de Estudio. In g. 1.1. Sustratos 1.2. Melaza. Pág.. ie. ría. Q. GLOSARIO. 1 1 3. 1.3. Composición Química de la Melaza. 4. 1.4. Mosto. 5 6. 1.6. Fermentación Alcohólica. 7. de. 1.5. Alcohol Etílico. ca. 1.6.1. Microorganismos utilizados en la Fermentación Alcohólica 1.7. Saccharomyce Cerevisae. lio te. 1.7.1. Factores de Crecimiento. 9 11 12 13. 1.9. Ácido Cítrico. 14. 1.10. Apergillus Niger. 20. 1.11. Biorreactores. 24. Bi b. 1.8. Fermentación del Ácido Cítrico. 1.11.1. Principales tipos de Biorreactores. 2. Descripción de los Equipos. 25 26. 2.1. Diseño de los Biorreactores. 26. 2.2. Agitación y Mezclado. 26. 2.3. Configuración Geométrica y tipo de reactor. 27. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 2.3.1. Fundamentos de Escalamiento. 27. 2.3.2. Factor de Escala. 28 28. 2.5. Criterios de Escalamiento. 28. 2.6. Transferencia de Oxigeno. ica. 2.4. Principios de Similitud. 29. 2.7. Diseño del Biorreactor para la producción de Alcohol Etílico. 29. uí m. 2.7.1. Reactor Enzimático. 29. 2.7.2. Descripción del Equipo. 31. 2.8. Diseño del Biorreactor para la producción de Ácido Cítrico. Q. 2.8.1. Descripción del Equipo 3. Métodos. ría. 3.1. Inmovilización de Enzimas. 32. 33. 34 34 34. 3.1.2. Ventajas de la Inmovilización de Enzimas. 35. 3.1.3. Desventajas de la Inmovilización de Enzimas. 35. en. ie. 3.1.1. Aspectos Generales sobre la Inmovilización de Enzimas. 3.2. Métodos de Inmovilización de Enzimas por Retención Física. 36. In g. 3.2.1. Inclusión de Membranas. 35. 37. 3.4. Efectos de la Inmovilización. 39. 3.5. Elección del método de inmovilización. 40. 3.6. Cromatografía. 41. 3.3. Métodos de Inmovilización de Enzimas por Unión Química. de. 3.3.1. Unión a Soportes. ca. 3.6.1. Tipos de Cromatografía 3.6.2. Cromatografía de capa fina. 37. 41 42. lio te. II. PROCEDIMIENTO. 1. Metabolitos de Alcohol Etílico. 47 47. 1.2. Elección del Biorreactor. 47. 1.3. Acondicionamiento del Sustrato. 48. 1.4. Elección del Agente Fermentador. 49. 1.5. Método de cultivo del Microorganismo. 50. 1.6. Preparación del Agar Saboraud. 50. 1.7. Cultivo de la Levadura en Agar Saboraud. 51. Bi b. 1.1. Preparación del Alcohol Etílico. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.8. Método de Inmovilización. 52. 1.9. Procedimiento Experimental para la Obtención de Alcohol. 53 53. 1.9.2. Método Experimental. 54. ica. 1.9.1. Equipo Experimental. 1.9.3. Método para la determinación de Alcohol. 55. 2. Metabolitos de Ácido Cítrico. 57. 57. uí m. 2.1. Preparación de Ácido Cítrico 2.2. Elección del biorreactor. 57. 2.3. Acondicionamiento de Sustrato. 58. Q. 2.4. Elección del Agente de Fermentación. 2.6. Cosecha de las Esporas. 2.8. Purificación del Ácido Cítrico. en. 2.9. Cristalización y Secado. ie. 2.7. Inoculación y Fermentación de Sustrato. ría. 2.5. Cultivo del Microorganismo. 58. 58 59 59 60 60 61. 2.11. Identificación del Ácido Cítrico. 63. III. RESULTADOS. In g. 2.10. Procedimiento Experimental para Cromatografía de Capa Fina. 64 69. V. CONCLUSIONES. 72. VI. RECOMENDACIONES. 74. VII. BIBLIOGRAFÍA. 76. VIII. APÉNDICES. 81. IX. ANEXOS. 96. Bi b. lio te. ca. de. IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. CAPÍTULO I. uí m. I. MATERIAL Y MÉTODO.-. Q. 1. MATERIAL DE ESTUDIO.-. 1.1. SUSTRATOS:. ría. Los sustratos son componentes del medio capaz de sustentar el crecimiento de microorganismos o la producción de metabolitos secundarios. La función. ie. del medio nutriente es idéntica a la de los medios de reacción química, es. en. decir, proporcionar los componentes químicos necesarios y en las. In g. proporciones adecuadas para que la reacción ocurra. En adición, debe asegurar los componentes que garanticen el crecimiento de los microorganismos en todas sus facetas, en la forma más accesible, o sea, en. de. medio líquido. Solo en casos especiales se usan medios con nutrientes sólidos o gaseosos. Además de los componentes esenciales, como fuente de. ca. carbono y de energía y nitrógeno, el medio debe contener otros muchos. lio te. nutrientes que se requieren para la propagación de las células microbianas. El ajuste de la composición del medio y las propiedades físico-químicas. Bi b. ayuda en el mantenimiento de las tasas máximas de producción y la dirección adecuada de un cierto proceso. Para la producción de alcohol han sido utilizadas diferentes fuentes de carbono como materia prima (materiales biológicos), las cuales deben poder. ser transformadas con facilidad en azúcar fermentable, almidón o celulosa.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Su uso práctico estará determinado por el rendimiento en alcohol, por su costo y el tipo de microorganismo que se utilice. La utilización de una u otra. ica. materia prima varía de un país a otro. Se definen 3 tipos de materias primas para la producción de etanol, las cuales son (5):. uí m. a) Materiales portadores de azúcares simples (tales como caña de azúcar,. melazas, sorgo dulce, etc.) el cual contiene carbohidratos como fuentes de. Q. azucares.. b) Almidones (tales como la yuca, maíz, papa, etc.) los cuales contienen. ría. carbohidratos en formas de almidón como fuente de azúcares. c) Celulosas (tales como la madera, residuos agrícolas, etc.) cuyos. ie. carbohidratos se encuentran en formas más complejas.. en. En particular son de interés las materias primas del primer grupo, o sea, las. In g. materias azucaradas (sustancias sacarinas) dentro de las cuales están: azúcar de caña o remolacha, melazas, jugos de frutas y suero de leche, los cuales son los más fácilmente fermentables y en general basta la acción enzimática. de. asociada al microorganismo para metabolizar el sustrato sin necesidad de tratamientos previos para la degradación de carbohidratos.. ca. La producción de etanol a partir de estos materiales generalmente incluyen. lio te. tres etapas fundamentales, Primero la conversión de carbohidratos en azúcares simples o asimilables por los microorganismos productores de. Bi b. alcohol, después la fermentación de estos azucares a etanol y finalmente la separación del etanol y otros productos por destilación, (11). Se da cuenta, sobre todo en otros países, de la utilización de jugo de caña concentrado a 60 oBrix, aunque el almacenamiento de éste por largo tiempo es restringido, (13).. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Se han llevado a cabo trabajos con la utilización de la harina de maíz y el salvado de arroz como suplemento nutritivo del medio fermentativo, que han. ,permiten un rendimiento de alcohol más elevado, (16).. uí m. 1.2. MELAZA.-. ica. mostrado que la incorporación de éste último a escala de laboratorio. Es el subproducto de la fabricación de la caña de azúcar que constituye en la. Q. actualidad una de las materias primas mas importantes para la fabricación de. ría. alcohol en nuestra región y de otros diversos productos en la industria de la fermentación.. ie. Después de repetidos procesos de cocción el jugo de la caña da por resultado. en. final una masa que tiene todavía aproximadamente 30% de cristales de azúcar, que separados en centrifugas, dejan como ultimo residuo un liquido. In g. viscoso de color oscuro que tiene un peso especifico de 1,45 (equivalente a 88 a 90º Brix, escala usada en fabricas de azúcar), que constituye la miel. de. final o melaza; de la cual no se puede hacer cristalizar nuevamente sacarosa por los métodos comúnmente empleados.. ca. Generalmente todas las fábricas de azúcar, disponen de tanques especiales para su almacenamiento, en las que la melaza puede conservarse por largo. lio te. tiempo sin sufrir descomposición apreciable. La cantidad de melaza producida en una fábrica de azúcar de caña varía de 4. Bi b. a 10 % de la cantidad de caña y depende directamente de la calidad y pureza del jugo que proviene. La melaza constituye la perdida mas importante de azúcar en las empresas azucareras, además ha sido considerada a través del tiempo como un residuo en la cual la acumulación de los no azucares concentrados impedía por. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. viscosidad, la cristalización del azúcar restante, como una combinación entre sales, glucosa y sacarosa; o como una solución saturada ejerciendo la. ica. glucosa presente marcada influencia sobre la solubilidad de la sacarosa y la. uí m. composición del residuo, (17).. 1.2.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MELAZA.-. Q. La composición química de la melaza es muy variada y depende de la materia original de la que proviene es por eso que las melazas de las fabricas. ría. de caña de azúcar son diferentes a las de las otras materias primas. Cualitativamente la composición química de la melaza es casi la misma del. en. muestran en la Tabla Nº 1.. ie. jugo del que se deriva, como se puede apreciar por los análisis que se. In g. La melaza contiene todos los no azucares e impurezas acumuladas, procedentes del jugo o adquiridas durante las diversas fases del proceso de elaboración del azúcar, junto con una cantidad de sacarosa no aprovechable. de. y azucares reductores, en su mayoría glucosa; entre los nominados no azucares. están. comprendidos:. gomas,. ácidos. orgánicos,. cuerpos. ca. nitrogenados y además una parte de sales minerales.. lio te. Las sales minerales contenidas en la melaza y que constituyen la ceniza, están determinadas por los métodos de fabricación más que por el origen de. Bi b. la misma, (17).. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. TABLA Nº 1: CUADRO DE PROPIEDADES DE LA MELAZA DE LA EMPRESA. DESCRIPCIÓN. ica. AGROINDUSTRIAL LAREDO S.A.. ANÁLISIS. 88.40. PESO EPECIFICO (g/cm). 1.47. SACAROSA %. 36.41. AZUCAR REDUCTORES %. 9.09. AZUCARES TOTALES %. 45.50. ría. Q. GRADO BRIX. uí m. LAREDO. NO AZUCARES %. 42.90. AGUA %. ie. 11.60. In g. 1.3 MOSTO.-. en. Fuente: Empresa Agroindustrial Laredo S.A.. Es la dilución de melaza con agua a una densidad apropiada para conseguir. de. una buena fermentación con el empleo de una levadura. Se utiliza el agua, porque a tal concentración no podrá actuar las levaduras para fermentar el. ca. líquido azucarado que le llamamos “mosto”, (5).. lio te. TABLA Nº 2: DILUCIONES DEL MOSTO EN DIFERENTES ETAPAS. Bi b. TANQUES. BRIX INICIAL. BRIX FINAL. Antes de añadir. Después Reañadir. levadura. levadura. Tiempo de Desarrollo (hr.). CULTIVADOR. 13. 14º. 7. 8º. 20 24. PRE – FERMENTADOR. 16. 18º. 9. 10º. 16 20. FERMENTADORES. 24. 27º. 9. 11º. 48 60. Fuente: Empresa Agroindustrial Laredo S.A.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.4. AGUA PARA USO EN EL PROCESO.Es necesario cuando se trata de fermentación, conseguir agua lo mas pura. ica. posible; no solamente desde el punto de vista de contaminación, sino también acerca de las sustancias en suspensión en el agua que puedan tener. uí m. un efecto inhibitivo en el crecimiento de la levadura.. El agua que utilizamos en el proceso de dilución del mosto es agua destilada. Q. debido a su baja concentración de sales, generalmente el mosto se pasteuriza a 80 ºC por 30 minutos, con lo cual aseguramos una mejor fermentación,. ría. eliminando las especies de microorganismos nocivos que produce la melaza. en. 1.5. ALCOHOL ETILICO:. ie. así como las que contuviera el agua, (5).. In g. El Alcohol Etílico es un líquido incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78 ºC. Se mezcla con agua en cualquier proporción y da una mezcla azeotrópica con un contenido de aproximadamente el 96 % de etanol.. de. Su fórmula química es CH3-CH2--OH, principal producto de las bebidas alcohólicas.. ca. Desde la antigüedad se obtenía el Alcohol Etílico por fermentación. lio te. anaeróbica de una disolución con contenido en azúcares con levadura y posterior destilación. En el proceso de obtención de alcohol usando. Bi b. tecnología convencional, consta de varias etapas desde un desarrollo de una cepa pura a escala de laboratorio hasta llegar a obtener la población requerida en el fermentador con el objetivo de producir el alcohol. En este proceso nos encontramos con distintos parámetros los cuales hay que controlar como son: temperatura, pH, ºbrix y nutrientes. El pH se regula. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. mediante la adicción de acido sulfúrico al medio, mientras que, para los nutrientes se añade la cantidades requerida de sulfato de amonio y fosfato de. ica. amonio para asegurar los mismo, (30).. uí m. 1.6. FERMENTACIÓN ALCOHOLICA.-. La fermentación alcohólica es un proceso metabólico que se caracteriza por la degradación incompleta del azúcar a anhídrido carbónico (CO2) y etanol. Q. (C2H5OH) a través de enzimas del azúcar de ciertos microorganismos,. ría. levaduras básicamente, al resguardo de oxigeno libre. Se puede producir alcohol por fermentación de cualquier material amilásico que contenga. en. un azúcar fermentable.. ie. azúcar fermentable o un polisacárido que se pueda hidrolizar, para propiciar. In g. Los residuos agrícolas (paja de cereales), algunos subproductos de la industria agroalimentaria (pulpas, bagazos, melaza), los forrajes y las maderas no explotadas representan una considerable reserva valorada de. de. azucares de fermentación. Los materiales lipocelulósicos pueden ser hidrolizados empleando diferentes métodos propuestos por muchos. ca. investigadores quienes emplean agentes físicos y químicos o por hidrólisis. lio te. enzimática, empleando microorganismos como “Trichoderma Resci” cuyo. producto se somete a fermentación empleando cepas de “Saccharomyces. Bi b. Cerevisiae”, altamente alcohológenas. A nivel mundial la mayor parte del alcohol etílico que se produce es por vía fermentativa de fuentes azucaradas. Por ejemplo en nuestro país se utiliza la melaza final del proceso de obtención de la azúcar, utilizando la levadura como microorganismo productor de alcohol. Estas dos combinadas con sales de amonio como fuentes de nitrógeno y fósforo y un pH ajustado con ácido. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. sulfúrico en los equipos idóneos para el proceso se deben obtener una buena producción de alcohol, (17).. ica. Después de la década de los años 70, la producción de alcohol adquiere un nuevo giro debido al aumento de la demanda del etanol y el encarecimiento. uí m. de los hidrocarburos y la vía fermentativa vuelve a competir nuevamente.. Como consecuencia de la crisis internacional del petróleo, el etanol pasó a. Q. ser visto como un producto de mezcla, o aún como reemplazantes de gasolinas, esto determinó el establecimiento de numerosas plantas de. ría. producción de etanol por fermentación microbiológica, (29). En los países productores de azúcar, resultaron ser las fuentes más. ie. prometedoras de carbono para la obtención de etanol, los productos. en. intermedios y subproductos del proceso de producción de azúcar. Los países. In g. no productores de esta, comenzaron a usar cereales como fuente de carbono, analizando conjuntamente varias alternativas, tales como la utilización de los residuos comunales de papel y cartón, previa separación mecánica del resto. de. de los desechos para su hidrólisis enzimática y su posterior conversión a etanol, (5).. ca. Es el proceso mediante el cual muchos organismos extraen energía química. lio te. de las moléculas de glucosa y de otros combustibles en ausencia de oxigeno molecular. La fermentación anaeróbica constituye el tipo más sencillo y. Bi b. primitivo de mecanismo biológico que permite la obtención de energía de las moléculas nutritivas. Las ecuaciones de la fermentación alcohólica no. implica el oxigeno molecular, a pesar de lo cual tiene lugar reacciones de oxidación – reducción. El proceso de la fermentación alcohólica, es muy. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. antiguo; y su proceso químico es muy complejo ya que es la suma de una. . + H20. C6H12O6. Sacarosa. +. C6H12O6. glucosa. . 2C5H5OH. +. 2CO2. Q. C6H12O6. fructosa. uí m. C12 H22O11. ica. serie de reacciones, (17):. alcohol etílico. bióxido de carbono. ría. Azúcar invertido. ie. 1.6.1. Microorganismos Utilizados en la Fermentación Alcohólica.-. en. Las levaduras al igual que una larga serie de otros microorganismos viven. In g. libres e independientes en la naturaleza, se encuentran en las frutas, los granos y otras materias nutritivas que contienen azúcares, en el suelo (especialmente en los viñedos y en los huertos, en el aire, en la piel y en el. de. intestino de los animales). Se diseminan por intermedio de portadores y por el viento, por lo general. ca. son organismos monocelulares y se presentan en formas muy variadas desde. lio te. los esféricos, ovoides y elipsoidales. Las levaduras son los microorganismos de mas vasto y antiguo empleo por. Bi b. el hombre con fines utilitarios, se usan en la industria de alcohol, vino, cerveza, en todo tipo de licores y en múltiples procesos que exigen fermentación o inversión de azucares.. Las levaduras son los microorganismos más utilizados en la producción de etanol por la vía fermentativa, debido a que producen un mejor proceso de. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. separación después de la fermentación, además producen un contenido de toxinas muy inferior a otros microorganismos, (30).. ica. Ahora bien, el tipo de levadura a utilizar industrialmente debe reunir las siguientes condiciones:. Ser capaz de fermentar el mosto eficientemente, ya que los. uí m. . monosacáridos no son todos igualmente fermentables y, por ejemplo, las. Q. hexosas; glucosa y fructosa, son fácilmente fermentables por numerosas levaduras, mientras que la galactosa solo lo hacen algunas especies. Producir altas concentraciones de alcohol. Es importante desde el punto. ría. . de vista económico pues es significativo la incidencia del contenido. en. de éste por destilación.. ie. alcohólico que se obtenga en los medios con los costos de recuperación. Tolerar altas concentraciones de alcohol.. . Poseer características estables y uniformes, pues si varían las mismas. In g. . durante el proceso industrial (por cambios, variaciones o mutaciones), no. . de. se garantiza un eficiente proceso. Mantener su eficiencia a valores de pH alrededor de 4, ya que, en estas. ca. condiciones elimina la posibilidad de una contaminación bacteriana.. lio te. Algunas especies capaces de producir fermentación alcohólica son las levaduras Torulopsis, Cándida, ciertas especies Mucor y algunas bacterias,. Bi b. sin embargo, la más importante es la Saccharomyces. El género Saccharomyces incluye numerosas especies entre las cuales a los efectos del estudio que realizamos, es de máxima importancia la Saccharomyces Cerevisiae, por ser la más utilizada en la industria alcoholera, (31).. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.7. SACCHAROMYCE CEREVISAE.Es un hongo unicelular, un tipo de levadura utilizado industrialmente en la. ica. fabricación de pan, cerveza y vino. Se divide por gemación y puede tener una reproducción asexual cuando se encuentra en su forma haploide, y de. uí m. manera sexual cuando a partir de un cigoto se forma un asca que contiene cuatro ascosporas haploides.. Q. Las utilidades industriales más importantes de esta levadura son la producción de cerveza, pan y vino, gracias a su capacidad de generar dióxido. ría. de carbono y etanol durante el proceso de fermentación. Básicamente este proceso se lleva a cabo cuando esta levadura se encuentra en un medio muy. ie. rico en azúcares (como la D-glucosa). En condiciones de escasez de. en. nutrientes, la levadura utiliza otras rutas metabólicas que le permiten obtener. In g. un mayor rendimiento energético, y por tanto no realiza la fermentación. Desde el punto de vista científico, este microorganismo se ha empleado como modelo simple de la célula eucariota. Esto se debe a una serie de. de. ventajas como su facilidad de cultivo y su velocidad de división celular. Bi b. lio te. ca. (aproximadamente dos horas), (24).. FIGURA Nº 2: SACCHAROMYCE CEREVISAE. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. TABLA Nº 3: CLASIFICACIÓN CIENTÍFICA DE LA SACCHAROMYCE CEREVISIAE. ica. Clasificación científica Dominio: Eukaryota Fungi. uí m. Reino:. Clase:. Hemiascomycetes. Orden:. Saccharomycetales. Q. Phylum: Ascomycota. ría. Familia: Saccharomycetaceae Género: Saccharomyces. ie. Especie: S. Cerevisiae. en. Nombre Binomial. In g. Saccharomyces Cerevisiae Fuente: Creado por los Autores.. 1.7.1 Factores de crecimiento.-. de. a) Oxigeno.-. Las levaduras son microorganismos anaerobios facultativos, aunque se. ca. ha probado que en casa proporción son capaces de desarrollarse bajo. lio te. condiciones anaerobias por completo. En presencia de oxigeno, el crecimiento de la levadura es mucho mas vigoroso que en cultivos bajo. Bi b. condiciones en que no es posible el acceso de oxigeno.. b) Temperatura.La temperatura óptima para la máxima producción de levadura se encuentra a 36° C. El coeficiente crecimiento (r, gramos de levadura producidos por hora por gramo de levadura presente), a 20° C es 0.149, a 30° C será 0.311 y a 36 °C 0.342, con lo cual disminuye al aumentar la. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. temperatura. En la mayoría de la levadura el máximo de temperatura para el crecimiento se halla entre 34 – 47° C. La temperatura determina. ica. además la actividad de las distintas enzimas de la levadura, y también en este aspecto las diversas especies reaccionan de forma diferente.. uí m. c) La concentración de iones de hidrogeno:. El crecimiento y la fermentación de la levadura dependen en alto grado. Q. de la reacción del medio nutritivo. El pH optimo para el crecimiento de la Saccharomyces Cerevisiae es entre 4,4 – 4,8. En las alcoholeras se. ría. trabaja a un pH alrededor de 4,2 para evitar contaminaciones en el medio. ie. de microorganismos indeseables, (25).. en. 1.8. FERMENTACIÓN DEL ÁCIDO CÍTRICO.-. In g. Los procesos de fermentación juegan un rol importante en la producción de la mayor parte de los ácidos orgánicos como es el Ácido Cítrico. De todos los ácidos, posiblemente el Ácido Cítrico sea el producto más interesante,. de. dado que fue uno de los primeros productos de fermentación obtenidos con éxito, (6).. ca. El Ácido Cítrico tiene una extraordinaria gama de aplicaciones, es. lio te. reconocido mundialmente como uno de los ingredientes alimenticios mas adecuado para el consumo humano. Cada año, crece la aplicación industrial. Bi b. del Ácido Cítrico y por lo tanto requiere una mayor producción; lo cual implicaría una demanda de la creación de procesos cada vez más eficaces por parte de las empresas americanas y europeas. Estos procesos deberían estar orientados a mejorar cepas industriales de Aspergillus Níger hongo productor por excelencia del Ácido Cítrico. También deberían tener su. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. aplicación industrial otras cepas, catalogadas como buenas productoras de Acido. Cítrico,. tal. como. las. investigadas:. Aspergillus. foetidus,. ica. Saccharomycopsis lipolitica y otras, (23) (9). La producción de Acido Cítrico, también se dirige a la búsqueda de desechos. uí m. provenientes de otras industrias, sobre todo aquellas por su alto contenido de azucares reductores, necesarios para la producción de Ácido Cítrico. Son. Q. muchos los desechos industriales que alcanzan altas producciones de Ácido Cítrico, tales como la cáscara de mandarina, (21), lodo residual de la caña de. ría. azúcar prensada, (37), desechos de jugos de cocoa, (34), residuos de soya, (22), desechos de piña, (39), suero de queso, (12), vaina de algarrobo, (28),. ie. entre otros.. en. La presencia de amonio como fuente de nitrógeno es un requerimiento. In g. importante durante la fase de crecimiento, a fin de maximizar la concentración de biomasa de Aspergillus Níger responsable de la. de. acumulación de Ácido Cítrico, (25) (27).. 1.9. ÁCIDO CÍTRICO.-. ca. El ácido cítrico es un ácido orgánico tricarboxílico que está presente en la. lio te. mayoría de las frutas, sobre todo en cítricos como el limón y la naranja. Su. fórmula química es C6H8O7. Es un buen conservante y antioxidante natural. Bi b. que se añade industrialmente como aditivo en el envasado de muchos alimentos como las conservas vegetales enlatadas. En bioquímica aparece. como una molécula intermediaria en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, proceso realizado por la mayoría de los seres vivos, (25).. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Q. FIGURA Nº 2: Nomenclatura IUPAC: Ácido 3-Hidroxi-1,3, 5-pentanotricarboxílico. ría. La acidez del ácido cítrico es debida a los tres grupos carboxilos -COOH que pueden perder un protón en las soluciones. Si sucede esto, se produce un ión. ie. citrato. Los citratos son unos buenos controladores del pH de soluciones. en. ácidas.. Los iones citrato forman sales llamadas citratos con muchos iones metálicos.. In g. El citrato de calcio o sal amarga es un importante citrato, que se utiliza comúnmente en la preservación y condimentación de los alimentos. Además,. de. los citratos pueden quelar iones metálicos, y utilizarse como conservantes y suavizadores de agua.. ca. A temperatura ambiente, el ácido cítrico es un polvo cristalino blanco. Puede existir en una forma anhidra (sin agua), o como monohidrato que contenga. lio te. una molécula de agua por cada molécula de ácido cítrico. La forma anhidra se cristaliza en el agua caliente, mientras que la forma monohidrato cuando. Bi b. el ácido cítrico se cristaliza en el la agua fría. El monohidrato se puede convertir a la forma anhidra calentándolo sobre 74 °C. Químicamente, el ácido cítrico comparte las características de otros ácidos carboxílicos. Cuando se calienta a más de 175°C, se descompone produciendo dióxido de carbono y agua, (25).. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. El descubrimiento del ácido cítrico se atribuye al alquimista islámico Jabir Ibn Hayyan en el siglo octavo después de Cristo. El ácido cítrico fue el. ica. primer ácido aislado en 1784 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele, que lo cristalizó a partir del jugo del limón. La producción de ácido cítrico a. uí m. nivel industrial comenzó en 1860, basado en la industria italiana de los. Q. cítricos, (23).. TABLA Nº 4: PROPIEDADES FÍSICAS DEL ÁCIDO CÍTRICO ANHIDRO C6H8O7. Peso molecular. 92.13 g/mol. ie. ría. Formula. Ensayo de pureza. 0.5 % máximo. Arsénico. Menos de 3 ppm Menos de 0.05%. de. Ceniza. Menos de 10 ppm. In g. Metales pesados. en. Humedad. 99.5% mínimo. 153 oC. Constante de Ionización. 8.2 x 10-4. ca. Punto de ebullición. 6,4 cal. Calor de combustión. 474,6 cal. lio te. Calor de disolución. Fuente: Creado por los Autores.. Bi b. Este Ácido se obtiene por un proceso de fermentación. El Ácido Cítrico se obtenía originalmente por extracción física del ácido del zumo de limón. Hoy en día la producción comercial de ácido cítrico se realiza sobre todo por procesos de fermentación que utilizan dextrosa o melaza de caña de azúcar como materia prima y Aspergillus Niger como organismo de fermentación.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. La fermentación puede llevarse a cabo en tanques profundos (fermentación sumergida, que es el método más común) o en tanques no profundos. ica. (fermentación de superficie). La fermentación produce ácido cítrico líquido. uí m. que luego se purifica, concentra y cristaliza.. Cerca del 90% de la producción de ácido cítrico mundial es elaborado por la. Q. Unión Europea, Estados Unidos y China. El ácido cítrico ha llegado a ser el acidulante preferido por la industria de las bebidas, debido a que es el único. ría. que otorga a las bebidas gaseosas, en polvo o liquidas, propiedades. ie. refrescantes, de sabor y acidez naturales.. en. En la industria de frutas y vegetales también encuentra aplicación el ácido. In g. cítrico y sus sales de sodio y potasio como mejoradores del sabor y preservativos. Fácilmente se observa su uso en productos para el cuidado del. de. cabello, perfumes, cremas, lociones desodorantes, quita-esmaltes y jabones.. En el sector agroindustrial, en el tratamiento de terrenos se usan el ácido. ca. cítrico y el sulfato de calcio. El ácido cítrico para mejorar la asimilación de. lio te. los micronutrientes por parte de las plantas y el sulfato para el control de la alcalinidad de los suelos, (8). A continuación presentamos una tabla de los. Bi b. usos del Ácido Cítrico por sector:. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. TABLA Nº 5: USOS DEL ÁCIDO CÍTRICO POR SECTOR SECTOR. USO. Bebidas. ica. Saborizante y regulador de pH; incrementa la efectividad de los conservantes microbianos.. Dulces y conservas. uí m. Acidulante y regulador de pH para lograr una óptima gelificación.. Caramelos. Acidulante y regulador de pH con el objetivo de. Q. alcanzar la máxima dureza de los geles. Verduras procesadas. En combinación con ácido ascórbico, previene la. Alimentos congelados. ría. oxidación.. Ayuda a la acción de los antioxidantes, inhibe el. ie. deterioro del sabor y el color. Frutas y hortalizas enlatadas. en. Disminuye el pH, al actuar como quelante; previene la oxidación enzimática y la degradación. Aceites y grasas. Previene la oxidación. Se utiliza como acidulante, resaltador de sabores. de. Confitería y repostería. In g. del color, resalta el sabor.. y para optimizar las características de los geles En. Productos de la pesca. Para bajar el PH en presencia de otros. lio te. ca. Quesos pasteurizados y procesados. Bi b. Carnes. Lácteos. forma. de. sal,. como. emulsificante. y. texturizante. concervantes o antioxidantes. Se utiliza como auxiliar del procesado y modificador de textura. Estabilizante en cremas batidas. Fuente:http://www.foodproductdesign.com/archive/1993/0593DE.html&prev=/, 15 de Mayo del 2006.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ría. FIGURA Nº 3: CONSUMO DE ÁCIDO CÍTRICO POR SECTOR O DESTINO. TABLA Nº 6: COMPAÑÍAS PRODUCTORAS DE ÁCIDO CÍTRICO EN EL. en. ie. MUNDO. EE.UU. Brasil, México,. Miles Inc.. Colombia. de. Chas Pfizer. LOCALIZACION. In g. COMPAÑIA. A.G. Junbunzlauer Chemische. Austria, Alemania, Francia, Indonesia.. (Tn/año) 120.000 115.000 100.000. Citrique Belge. Bélgica. 60.000. lio te. ca. fabrik. EE.UU., Irlanda. CAP. TOTAL. Italia. 28.000. Reino Unido. 25.000. EE.UU.. 25.000. República Checa. 15.000. Israel. 12.000. Biacor. Jhon Sturge. Bi b. Cargill. AKTIVA Gadot. Fuente: www.infomed.sld.cu/revistas/far/vol_34_3_00/, 15 de Mayo del 2006.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.10. ASPERGILLUS NIGER.El Aspergillus Niger es un hongo que pertenece a la especie más común del. ica. género Aspergillus y es el principal productor industrial de Ácido Cítrico. El género Aspergillus fue descrito por primera vez por P. A. Micheli (1729),. uí m. que lo denominó con este nombre por su parecido con un "aspergillum". (instrumento religioso utilizado para dispersar el agua bendita). El. Q. Aspergillus es un hongo filamentoso del grupo Deuteromycetes u Hongos Imperfectos su aspecto microscópico es típico y se caracteriza por unas. ría. estructuras esporíferas o reproductoras llamadas cabezas conidiales. Estas cabezas están compuestas por una vesícula rodeada por una corona de. ie. fiálides en forma de botella, en cuyo extremo se forman cadenetas de. en. esporas. Esta ampliamente difundido en la naturaleza que se desarrolla en. In g. vegetales en descomposición, granos de cereal, heno, tejidos de algodón y lana y plumas; siendo su medio ideal, los ambientes oscuros, húmedos y cerrados. Las esporas pueden sobrevivir, en las condiciones adecuadas,. de. durante miles de años. Estudios recientes han demostrado que las esporas de Aspergillus mantienen intacta su capacidad invasiva, e incluso parece. Bi b. lio te. ca. aumentar su potencial alergénico después de miles de años.. FIGURA Nº 4: ASPERGILLUS. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Se conocen unas 900 especies del género Aspergillus. Rapper y Fennell los clasifican en 18 grupos, basándose en su aspecto macroscópico y en las. ica. características morfológicas de los conidióforos y fiálides; de ellas, 12 se relacionan con enfermedad humana, siendo las más importantes: Aspergillus. uí m. Fumigatus (85%), Aspergillus Flavus (5-10%) y Aspergillus Niger (2-3%).. Los Aspergillus pueden ocasionar múltiples procesos patológicos. Entre los. . Q. factores de patogenicidad de este hongo se encuentran:. El pequeño tamaño de sus conidias que permite que sean aspiradas,. . ría. causando infección en el pulmón y en los senos paranasales. Su capacidad de crecer a 37 ºC lo que le hace idóneo para afectar al. Su capacidad de adherencia a superficies epiteliales y posiblemente. en. . ie. humano.. . In g. endoteliales y su gran tendencia a invadir los vasos sanguíneos. La producción de un gran número de productos extracelulares tóxicos. de. para las células (elastasa, aflatoxina, fumigatoxina, etc.).. El Aspergillus Niger tiene el micelio lanoso de color blanco - amarillento. ca. que cambia a negro, el reverso es blanco amarillento, conidióforos largos y. lio te. lisos y fiálides biseriadas que cubren completamente la vesícula. Causa el molde negro en ciertos tipos de fruta y de vehículos, y es un contaminante. Bi b. común del alimento. El tamaño de los conidios en la espora son de 3.5-5 micrones o de 4 -5 micrones, (27).. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. FIGURA Nº 5: CULTIVO DEL ASPERGILLUS NIGER. FIGURA Nº 6: MORFOLOGÍA DEL ASPERGILLUS. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. TABLA Nº 7: CLASIFICACIÓN CIENTÍFICA DEL ASPERGILLUS NIGER. Hongos. Phylum:. Deuteromycota. Suborden:. Pezizomycotina. Clase:. Eurotiomycetes. Orden:. Eurotiales. Familia:. Trichocomaceae. Género:. Aspergillus. Especie:. A. Niger. uí m. Reino:. Q. Eukaryota. ie. ría. Dominio:. ica. Clasificación científica. en. Nombre binomial Aspergillus Niger. In g. van Tieghem 1867. Fuente: Creado por los Autores.. El Aspergillus Niger se cultiva para la producción industrial de algunos. de. compuestos químicos. El Aspergillus Niger se utiliza en la preparación industrial del Ácido Cítrico, del Ácido Glucónico y de las enzimas como: La. ca. glucoamylase y la α-galactosidase (Beano®, Haba-zyme™), las cuales han. lio te. sido determinadas como aceptables por la Organización Mundial de la Salud. La α -galactosidase, es una enzima utilizada en la prevención de la. Bi b. flatulencia. El hongo también es utilizado por la industria del “biotech” para producir las macromoléculas biológicas, especialmente como variantes que contienen isótopos magnéticos para el análisis NMR.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(38) uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Q. FIGURA Nº 7: MICROGRÁFO DE ASPERGILLUS NIGER CRECIDO EN. ría. MEDIO DEL AGAR DE SABOURAUD. ie. El Aspergillus Niger es menos probable a causar enfermedades que otra. en. especie de Aspergillus, pero si se respiran grandes cantidades de esporas, puede ocurrir la Aspergillosis, enfermedad seria del pulmón. La. In g. Aspergillosis es particularmente frecuente entre los trabajadores agrícolas que respiran ese polvo. Además puede causar infecciones al oído y a la piel,. de. (27).. 1.11. BIORREACTORES.-. ca. El biorreactor es la parte principal de cualquier proceso bioquímico. La. lio te. función principal de un biorreactor diseñado apropiadamente es la de proveer un medio controlado para alcanzar el crecimiento y la formación de productos óptimos o cualquiera de ambos, en el sistema celular particular. Bi b. empleado, (15). El biorreactor tiene una función primordial de proporcionar en la forma más homogénea posible, las condiciones químicas y fisicoquímicas en las que el cultivo presente los máximos rendimientos y su diseño debe ser tal que asegure un ambiente adecuado para los agentes transformantes, (3).. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(39) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. El funcionamiento de cualquier biorreactor depende de muchas funciones incluyendo:.  El mantenimiento de condiciones estériles. efectiva. para. la. distribución. microorganismos en el biorreactor sean uniformes.. de. los. substratos. y. uí m.  Agitación. ica.  La concentración de la biomasa, la cual debe permanecer alta.. Q. Hay tres grupos de biorreactores usados actualmente para la producción industrial:. ría.  Biorreactores no agitados, sin aeración (86 %). ie.  Biorreactores no agitados, con aeración (11 %). en.  Biorreactores, con aeración (13 %). Una diferencia con los reactores químicos es que trabajan a temperaturas y. In g. presiones bajas y comparativamente consumen o generan poca energía durante la reacción, mientras que en los fermentadores las células se están. de. generando constantemente por si mismas y se valoran en función de su. ca. productividad.. 1.11.1. PRINCIPALES TIPOS DE FERMENTADORES:. lio te. La disposición geométrica de estos recipientes particularmente en lo que afecta al modelo del flujo liquido, contribuye significativamente. a la. Bi b. realización de una fermentación medida en términos de rendimiento y velocidad de producción. Los distintos tipos de fermentadores se discuten mejor tomando como base, la terminología establecida en el diseño de reactores químicos a saber:(3) Los principales tipos de biorreactores son:. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(40) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación.  Biorreactor intermitente (FI).  Biorreactor continuo de tanque agitado (FCTA).. ica.  Biorreactor tubular (FT).. uí m.  Biorreactor de lecho Fluidizado (FLF).. 2. DESPCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS.-. Q. 2.1. DISEÑO DE LOS BIORREACTORES.-. Un Biorreactor es un dispositivo en donde se asegura un ambiente uniforme y. ría. adecuado para los microorganismos. Todo biorreactor debe cumplir con dos. ie. requisitos fundamentales:. en. - Mantener un medio homogéneo sin zonas muertas.. - Transferir oxigeno al medio empleando el mínimo de energía posible.. los siguientes aspectos:. In g. Cuando se inicia el diseño de un biorreactor de cualquier escala, se deben considerar. Mezclado y patrones de flujo.. . Configuración geométrica y tipo de reactor.. . Transferencia de oxigeno.. ca. de. . Consumo de energía.. lio te. . 2.2. AGITACION Y MEZCLADO.-. Bi b. Una fermentación microbiana puede ser considerada como un sistema de tres fases, que implica reacciones liquido-solidó y gas-liquido. La energía de transferencia, el sustrato y los metabolitos dentro del biorreactor deber ser puesto en contacto mediante un mecanismo apropiado de mezcla. La eficiencia. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(41) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. del transportador del cualquier sustrato puede ser crucial para la eficiencia de toda fermentación.. ica. Nre: D * N * ρ µ. Numero de Reynold:. : Diámetro del impulsor.. N. : Velocidad del rotor.. µ, ρ. : propiedades físicas.. Q. D. uí m. Donde:. Numero de potencia: Np: Po / D * N * ρ. ie. Donde:. ría. Describe el flujo solamente en el perímetro del agitador:. : Potencia no gasificada.. In g. en. Po. Este número ha sido correlacionado con el número de Reynold para varios tipos de agitadores. Influye el tipo de propiedad del medio de la viscosidad siendo algunas. de. soluciones viscosas con propiedades newtonianas y no newtonianas y soluciones visco elásticas en lo que se observan propiedades normales de estado líquido en. lio te. ca. recipiente agitado.. 2.3. CONFIGURACION GEOMETRICA Y TIPO DE REACTOR.-. Bi b. 2.3.1. FUNDAMENTOS DE ESCALAMIENTO.Todo proceso fermentativo empieza en el laboratorio y si es exitoso termina en la planta de producción. En el escalamiento se enfrentan dificultades que deben resolverse con una estrategia multidisciplinaría.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(42) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 2.3.2. FACTOR DE ESCALA.Se define como el número de veces que se desea escalar el volumen o la. ica. capacidad de operación de un biorreactor. Este parámetro establece un compromiso entre el cambio deseado y el trabajo experimental implicado.. uí m. 2.4. PRINCIPIOS DE SIMILITUD.-. La aplicación de este concepto conduce a establecer la similitud o no de equipos de. . Q. diferente escala.. Similitud geométrica: dos equipos son similares geométricamente cuando sus. ie. como números adimensionales como:. ría. relaciones lineales o superficiales son idénticas. Estas relaciones se manejan. - Relación altura a diámetro de un biorreactor cilíndrico.. en. - Relación diámetro promedio de partícula a diámetro del biorreactor.. In g. - Relación diámetro de entradas o salidas de gases a diámetro del biorreactor. - Relación área de transferencia de calor conductivo a área de transferencia de calor convectivo.. de. 2.5. CRITERIOS DE ESCALAMIENTO.-. ca. a. Geometría del reactor, v. b. Coeficiente transferencia de oxigeno volumétrico, KLa.. lio te. c. Masa tasa de corte. d. Potencia de entrada por volumen unitario del líquido, P/V.. Bi b. e. Tasa volumétrica de flujo gas por unidad volumen del líquido, Q/V. f. Velocidad superficial del gas, Vg. g. Tiempo de mezclado. h. Numero de Reynolds i. Factor de momento.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(43) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 2.6. TRANSFERENCIA DE OXIGENO.En los procesos de fermentación aeróbicos es necesario un suministro adecuado de. ica. oxigeno que satisfaga los requerimientos metabólicos de los microorganismos empleados (solubilidad de oxigeno en el medio).. uí m. Velocidad de transferencia de masa: KLa(C*-CL) Donde:. : Coeficiente de Transferencia de Masa.. C* – CL. : fuerza motriz.. C*. : Po / H. Po. : Presión parcial.. H. : Constante de la ley de Henry.. ie. ría. Q. KLa. en. Demanda de oxigeno: Do2 = Qo2 * X = µ X / Yo. Qo2. In g. Donde:. : Tasa Especifica de Asimilación. : Concentración de Células.. de. X. 2.7. TIPOS DE BIORREACTORES:. ca. 2.7.1. REACTOR ENZIMÁTICO:. lio te. Es el recipiente en el cual se lleva a cabo una reacción catalizada por enzimas o células libres o inmovilizadas, junto. con los mezcladores,. Bi b. equipos de toma de muestra y aparatos de control. El papel que cumple el reactor es el de obtener un producto especifico a una velocidad dada a partir de unos reactantes concretos y con un costo mínimo. El rendimiento de un reactor se mide por su actividad, estabilidad, selectividad y por el rendimiento en la obtención del producto, del nivel de conversión de. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(44) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. sustrato en producto que se pueda alcanzar y la concentración de los reactivos que se debe utilizar. Si se trata de un proceso continuo, se usa un. ica. reactor de mezcla total (CSTR), el cual se asume que el vaso del reactor está perfectamente mezclado, de tal forma que la concentración de los. vaso.. Q. V [d(S) / (dt) = Q (So) – Q (S) – v.V. uí m. componentes en el fluido de salida es igual que en la masa del fluido en el. Donde:. ría. V= (Vmax S) / (Ka + S) = (R.E.S.) / (Ka + S). S = concentración del sustrato.. en. Vmax. = velocidad máxima.. ie. V = velocidad de reacción.. In g. Ka = constante de michaelis – Menten R = Número de recambio.. de. E = Concentración de la enzima. 2.8.- DISEÑO DEL BIORREACTOR PARA LA PRODUCCIÓN DE ALCOHOL. ca. ETÍLICO.-. lio te. Para la producción de alcohol cítrico se diseño un biorreactor de lecho empacado para tratamiento continuo basándose en los principios de similitud, utilizando el método de semejanza Geométrica.. Bi b. La construcción del biorreactor de células inmovilizadas fue a escala 1:1 por lo cual no se necesitaron formulas de diseño pero si en el calculo de la alimentación y tiempo de llenado de sustrato en la columna interna de vidrio, los cuales se realizaron analítica y experimentalmente.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(45) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. : 4 cm.. Espesor. : 0.5 mm.. Altura del lecho inmovilizado. : 25 cm.. Diámetro del Biorreactor. : 12 cm.. Altura del líquido. : 25 cm.. uí m. Diámetro. ica. Longitud de la columna de vidrio:. Q. La formula para el cálculo de la alimentación es:. ría. -F d So = qp.x .dv = qp .x .A dz Y p/s Yp/s Donde: dSo = Sf – So. = velocidad especifica de la producían de alcohol. X. = Concentración de cedulas en el lecho.. Yp/s. = coeficiente de producción de alcohol. Z. = altura.. In g. en. ie. qp. Donde:. de. La formula para calcular el tiempo de llenado del lecho es: T= V F. ca. V = volumen de sustrato. F = caudal del sutrato.. lio te. 2.8.1. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO: - Columna externa de vidrio: Está construido de vidrio, tomando un. Bi b. estricto control de selección de material que se va utilizar en su construcción, teniendo en cuenta diversos factores como el costo y propiedades del material. - Columna interna de vidrio: Esta construido de vidrio boro silicato (tipo pirex) sin la presencia de burbujas de aire para garantizar una optima. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.