Obtención de bioetanol a partir de los efluentes de la industria de bebidas gaseosas para la minimización de impacto ambiental

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(1)Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA. uí. m ica. ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA. g. Q. OBTENCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE LOS EFLUENTES DE LA INDUSTRIA DE BEBIDAS GASEOSAS PARA LA MINIMIZACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL.. In. TESIS. AUTORES. de. PARA OPTAR EL TITULO DE INGENIERO QUÍMICO. :. ca. Br. GARCIA LIMAY, EDWIN EDINSON.. bl. io te. Br. PRINCIPE CHÁVEZ, ROSA MARÍA.. :. Bi. ASESOR. Dr. JOSE FELIX RIVERO MENDEZ. TRUJILLO – PERÚ 2018. 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. m ica. Jurado Calificador. ------------------------------------------------------. In. g. Q. uí. Dr. Ancelmo Castillo Valdiviezo (Presidente). io te. ca. de. ----------------------------------------------------Dr. Napoleón Yupanqui Gil (Secretario). Dr. José Rivero Méndez (asesor). Bi. bl. -----------------------------------------------------. 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. DEDICATORIA. Esta tesis está dedicada primeramente a Dios por estar siempre conmigo, cuidarme todos los días de mi vida y brindarme todo su amor, a mi familia por darme sus buenos consejos y ganas de seguir luchando y ser una mejor persona, a mi novia por. m ica. darme todas las fuerzas de seguir esforzándome al máximo y por todas la buenas palabras y consejos que supe aprovechar, a mis amigos compañeros y todas aquellas. uí. personas de una u otra manera han contribuido para lograr mis objetivos.. Bi. bl. io te. ca. de. In. g. Q. Muchas gracias.. Edwin García Limay. i 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. DEDICATORIA. A Dios y a mi abuelito Elmo, quienes desde el cielo guían mi camino. A mis padres Marina y. m ica. Rosendo, que siempre me han apoyado y guiado con sus sabios consejos y han estado en los momentos más difíciles y alegres de mi vida, por los tantos sacrificios que realizaron para darme. uí. una profesión, con mucho amor y cariño les. g. Q. dedico todo mi esfuerzo, se merecen esto y mucho más. A Marisol, Jorge y Julio mis queridos hermanos por ser mi apoyo. incondicional, por su dedicación y palabras de. In. aliento. A mis sobrinos Silvanita, Karen, Ángel, Ximena, Areli y Adriel porque llenan de alegría. de. cada día de mi vida. A Anthony, mi novio, mi. ca. futuro esposo, por su amor, por su cariño, por su apoyo moral y profesional que. io te. incondicionalmente me brinda día a día.. Bi. bl. A todos ustedes, con mucho amor. Rosa Príncipe Chávez. ii 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) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. AGRADECIMIENTO. A Dios por darme la vida y su amor incondicional, para seguir luchando y forjando aptitudes, demostrando muchos valores para vencer los obstáculos que te pone la vida, aprovechando al máximo cada instante siguiendo el camino trazado para mí; a. m ica. mis padres por otorgarme todo de sí, por ser mis consejeros y amigos que siempre estuvieron allí en cada momento de mi vida a quienes los quiero porque son todo para mí; a mis hermanos que compartimos juntos muchas cosas en cada momento vivido, por sus consejos y momentos buenos y algunos malos ratos pero que siempre. uí. estarán en el recuerdo; a todos mis amigos, profesores e ingenieros que tuve durante. g. Q. el transcurso de mi vida a nuestro asesor el Dr. José Félix Rivero Méndez y en especial a mi novia Betsabé García Rebaza por ser mi ayuda en los malos momentos. Bi. bl. io te. ca. de. In. y darme todo su cariño, respeto y amor por siempre.. Edwin García Limay iii 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. AGRADECIMIENTOS A mi Dios Por permitirme concluir un ciclo más de mi vida, por tener los mejores profesores que me enseñaron durante mi instancia en la facultad y sobre todo por tener a los seres más queridos. m ica. que creyeron en mí que son mis padres, hermanos y demás familiares.. A mis padres Marina y Rosendo.. Por toda una vida de preocupación y sacrificio por la familia. A ti papá, por tus desveladas. uí. al pararte temprano al trabajo y sobre todo tus cansadas, por tus consejos, tu ejemplo y por todo lo que me has dado. A ti mamá por tu siempre tenacidad y exigencia, acompañada de. g. Q. benevolencia, además de preocuparte cada semana de mi alimentación y que se ha revelado particularmente en esta etapa y por tus consejos. Muchas gracias a ustedes soy lo que soy.. In. A mi asesor Dr. José Rivero. Por su valiosa colaboración y asesoramiento en la elaboración del presente trabajo de tesis.. de. Por su dedicación para lograr mis objetivos, por alentarme siempre, por sus conocimientos puestos a mi disposición de una manera desinteresada y profesional que supo guiarme. A Anthony. ca. incondicionalmente para la elaboración de ésta Tesis.. io te. Porque eres esa personita que todo lo comprende y da lo mejor de sí misma sin esperar nada a cambio, mil gracias te has ganado mi amor, mi admiración y respeto.. bl. Agradezco a la Universidad Nacional de Trujillo, por brindarme la oportunidad de poder. Bi. realizar mis estudios superiores. Esta tesis es el resultado de varios meses de trabajo y estudio y han sido muchas las personas que de alguna manera y en algún momento han intervenido, asistido y colaborado en su desarrollo, a las cuales le agradezco especialmente el apoyo brindado en todo momento y fundamentalmente de manera muy especial a aquellos que anónimamente trabajaron a mi lado brindándome sus conocimientos y profesionalidad. Rosa Príncipe Chávez iv 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. INDICE. DEDICATORIA. i iii. INDICE. v. m ica. AGRADECIMIENTO. RESUMEN ABSTRACT. xii. uí. INTRODUCCIÓN..................................................................................................................... 1 Realidad problemática. .................................................................................................... 1. 1.2. Antecedentes. ..................................................................................................................... 2. 1.3. Fundamento teórico. ......................................................................................................... 5. g. Q. 1.1. Tecnología de las bebidas carbonatadas. ................................................................ 5. 1.3.2. Biocombustibles. ........................................................................................................ 9. 1.3.3. Bioetanol................................................................................................................... 12. 1.3.4. Usos del bioetanol. ................................................................................................... 13. 1.3.5. Hidrólisis. ................................................................................................................. 13. 1.3.6. Fermentación. .......................................................................................................... 15. 1.3.7. Destilación. ............................................................................................................... 24. 1.3.8. Impacto de la producción y utilización del bioetanol. .......................................... 25. 1.5 1.6. de. ca. 1.4. In. 1.3.1. Problema. ......................................................................................................................... 26. io te. 1. xi. Hipótesis. .......................................................................................................................... 26 Objetivos. ......................................................................................................................... 26 Objetico general....................................................................................................... 26. 1.6.2. Objetivos específicos. .............................................................................................. 26. Bi. bl. 1.6.1. Variables. ......................................................................................................................... 27. 1.7. 1.7.1. Variable Independiente........................................................................................... 27. 1.7.2. Variable dependiente. ............................................................................................. 27. 1.8 2. Importancia del problema. ............................................................................................. 27. MATERIALES Y METODOS. .............................................................................................. 29 2.1. Materiales e insumos. ...................................................................................................... 29 v. 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. 2.1.1. Material de estudio. ................................................................................................. 29. 2.1.2. Insumos. ................................................................................................................... 33. Equipos e instrumentos................................................................................................... 33. 2.2 2.2.1. Equipos. .................................................................................................................... 33. 2.2.2. Instrumentos de laboratorio. .................................................................................. 34 Metodología y procedimiento experimental.................................................................. 35. m ica. 2.3. 2.3.1 Descripción de cada una de las etapas de la obtención de bioetanol de bebidas gaseosas.. .................................................................................................................................. 35 Operaciones y condiciones para el proceso. .......................................................... 40. 2.3.3. Determinación del grado alcohólico ...................................................................... 41. uí. 2.3.2. 2.3.5. Determinación del porcentaje de bioetanol obtenido. .......................................... 46. 2.3.6. Estudio de impacto ambiental: Método Leopold. ................................................. 46. RESULTADOS ........................................................................................................................ 48 Determinación de bioetanol en una bebida alcohólica por refractometría. ............... 48. 3.2. Estudio de impacto ambiental con matriz de leopold .................................................. 60. 3.3. Determinación de pH y Brix (°Bx) del sustrato antes de la fermentación. ................ 61. 3.4. Determinación de °Brix después de la fermentación. .................................................. 61. In. 3.1. de. 3. g. Q. 2.3.4 Determinación de la demanda bioquímica de oxigeno (DBO), de la fracción líquida de los descartes antes y después de la separación del etanol. ................................. 42. DISCUSIÓN............................................................................................................................. 62. 5. CONCLUSIONES. .................................................................................................................. 67. 6. RECOMENDACIONES. ........................................................................................................ 68. 7. BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 70. io te. ca. 4. Bi. bl. ANEXOS .......................................................................................................................................... 74. vi 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. INDICE DE TABLAS. Tabla 1. Composición nutricional de bebidas gaseosas. ....................................................... 8 Tabla 2. Operacionalización de variables ............................................................................ 27. m ica. Tabla 3. Relaciones entre las impurezas del agua y los defectos de calidad en las bebidas gaseosas. ............................................................................................................................... 31 Tabla 4. Estándares químicos para el agua en la elaboración de bebidas carbonatadas. ..... 32 Tabla 5. Clasificación Taxonómica de Saccharomyces Cerevisiae. ................................... 36. uí. Tabla 6. Características generales de las levaduras. ............................................................ 37 Tabla 7. Preparación de disoluciones estándar de etanol a partir de una disolución patrón de. g. Q. 96% v/v de etanol a una temperatura de 25.4 °C. ................................................................ 48 Tabla 8. Índice de refracción para los diferentes tipos de descarte de bebidas gaseosas después del fermentado. ....................................................................................................... 49. In. Tabla 9. Índice de refracción para los diferentes tipos de descarte de bebidas gaseosas después de la rectificación. ................................................................................................... 50. de. Tabla 10. Datos del grado alcohólico (%v/v de etanol) después del fermentado y rectificación. ......................................................................................................................... 50 Tabla 11. Cuantificación de bioetanol de los descartes de bebidas gaseosas tipo fanta. ..... 52. ca. Tabla 12. Cuantificación de bioetanol de los descartes de bebidas gaseosas tipo Inca Kola. .............................................................................................................................................. 54. io te. Tabla 13. Cuantificación de bioetanol de los descartes de bebidas gaseosas tipo Sprite. ... 56 Tabla 14. Cuantificación de bioetanol de los descartes de bebidas gaseosas tipo Coca Cola. .............................................................................................................................................. 58. bl. Tabla 15. Variación de °Brix con respecto al tiempo durante la fermentación para los. Bi. distintos tipos de descartes. .................................................................................................. 59 Tabla 16. Matriz de importancia de causa-efecto de componentes ambientales con. actividades contaminantes sobre el medio ambiente a través de la matriz de Leopold........ 60 Tabla 17. DBO de los descartes antes y después de la separación del etanol. .................... 61 Tabla 18. pH y °Brix de los descartes de bebidas gaseosas antes de la fermentación. ...... 61 Tabla 19. ° Brix de los descartes de bebidas gaseosas después de la fermentación. ........... 61. vii 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. INDICE DE FIGURAS. Figura 1. Etapa de la glucólisis en Sacharomyces Cerevisiae para la obtención de etanol. 22 Figura 2. Fermentación en Saccharomyces cerevisiae. ....................................................... 23. m ica. Figura 3. Reacción química de fermentación en Saccharomyces cerevisiae. ..................... 23 Figura 4. Diagrama de bloques del proceso de elaboración y embotellamiento de bebidas gaseosas. ............................................................................................................................... 32 Figura 5. Diagrama de bloques para la obtención de bioetanol a partir de los descartes de. uí. bebidas gaseosas. .................................................................................................................. 40. g. Q. Figura 6. Índice de refracción vs concentración de etanol %v/v. ........................................ 49 Figura 7. Cromatograma de gases del bioetanol obtenido de la rectificación del descarte de la bebida gaseosa tipo Fanta. ................................................................................................ 51 Figura 8. Cromatograma de gases del bioetanol obtenido de la rectificación del descarte de. In. la bebida gaseosa tipo Inca Kola. ......................................................................................... 53 Figura 9. Cromatograma de gases del bioetanol obtenido de la rectificación del descarte de. de. la bebida gaseosa tipo Sprite. ............................................................................................... 55 Figura 10. Cromatograma de gases del bioetanol obtenido de la rectificación del descarte de la bebida gaseosa tipo Coca Cola. ........................................................................................ 57. Bi. bl. io te. ca. Figura 11. Variación de la concentración de °Brix respecto al tiempo de fermentación. ... 59. viii 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. INDICE DE FOTOGRAFIAS. Fotografía 1. Filtración de los descartes de bebidas gaseosas............................................ 89 Fotografía 2. Ensayos iniciales de fermentación realizados en reactores a base de botellas de. m ica. plástico de 200 ml de capacidad total. .................................................................................. 89 Fotografía 3: Proceso de fermentación en reactores de 1500 ml ........................................ 90 Fotografía 4: Toma de muestra para el control de parámetros. .......................................... 90 Fotografía 5: Proceso de destilación. .................................................................................. 91. uí. Fotografía 6: Conexión de la cocina eléctrica. .................................................................... 91 Fotografía 7: Medición de grado alcohólico con alcoholímetro. ........................................ 92. g. Q. Fotografía 8. Refractómetro Carl Zeiss Jena ....................................................................... 92 Fotografía 9. Titulación de la muestra con tiosulfato de sodio ........................................... 93 Fotografía 10. Análisis de Oxígeno Disuelto mediante el método Winkler para la. Bi. bl. io te. ca. de. In. determinación de DBO5. ...................................................................................................... 93. ix 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. ANEXOS. Anexo 1. Determinación de DBO5 inicial del descarte de la Bebida gaseosa Inca Kola. ................ 75 Anexo 2. Determinación de DBO5 final (Después de la destilación) del descarte de la Bebida gaseosa. m ica. Inca Kola. .......................................................................................................................................... 78 Anexo 3. Cromatogramas de alcoholes............................................................................................. 81. Bi. bl. io te. ca. de. In. g. Q. uí. Anexo 4. Fotografías ......................................................................................................................... 89. x 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. RESUMEN. En el presente trabajo de investigación se expone la problemática mundial en términos de contaminación e impacto ambiental, los actuales problemas ambientales y la. m ica. sobreexplotación petrolífera ponen de manifiesto la necesidad de buscar combustibles más ecológicos, cuya producción sea menos agresiva con el medioambiente, el bioetanol se utiliza ampliamente en muchos sectores industriales y en el sector farmacéutico, como. uí. excipiente de algunos medicamentos, cosméticos y perfumes. Cuando las industrias de. g. Q. alimentos y bebidas desechan parte de su producción, envían ese descarte a las plantas de tratamientos de efluentes para reducir al mínimo su poder contaminante, para eso en esta investigación se ha creado un nuevo sistema que permite a las fábricas de bebidas gaseosas. In. transformar esos desechos en bioetanol de manera sustentable y limpia, es decir producimos. de. bioetanol un tiempo máximo de 12 días, mediante un proceso de fermentación del azúcar del descarte con la levadura Saccharomyces Cerevisiae seguido de una destilación y rectificación. ca. con una concentración de 87.5% v/v de bioetanol; como consecuencia de este proceso, la carga orgánica de los descartes de bebidas gaseosas se reduce hasta un 87.5% y se obtiene. io te. otro producto con un alto valor agregado como el bioetanol.. Bi. bl. Palabras clave: Etanol; Bioetanol; Fermentación.. xi 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. ABSTRACT In the present research exposes the world-wide problematic in terms of pollution and environmental impact, the current problems environmental and oil overexploitation show the. m ica. need to look for more ecological fuels, whose production is less aggressive with the environment, bioethanol is widely used in many industrial sectors and in the pharmaceutical sector, as excipient of some medicines, cosmetics and perfumes. When the food and beverage. uí. industries discard part of their production, they send that waste to the effluent treatment plants. g. Q. to minimize their polluting power, for that reason in this investigation a new system has been created that allows the soft drink factories transform these wastes into bioethanol in a sustainable and clean way, that is to say we produce bioethanol for a maximum time of 12. In. days, by means of a process of fermentation of the sugar of the discarding with the yeast. de. Saccharomyces Cerevisiae followed by a distillation and rectification with a concentration of 87.5% v/v of bioethanol; as a consequence of this process, the organic load of discards of. io te. as bioethanol.. ca. soft drinks is reduced to 87.5% and another product with a high added value is obtained, such. Bi. bl. Keywords: Ethanol; Bioethanol; Fermentation.. xii 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. 1. 1.1. INTRODUCCIÓN.. Realidad problemática.. m ica. Cuando las industrias de alimentos y bebidas desechan parte de su producción, deben enviar ese descarte a las plantas de tratamientos de efluentes para reducir al mínimo su poder contaminante. Sin embargo se ha creado un nuevo sistema que permite a las fábricas de. uí. bebidas gaseosas transformar esos desechos en alcohol de manera sustentable y limpia.. g. Q. Los motivos por los que se descartan las partidas son diversos: muchas veces provienen de las góndolas de los supermercados por falta de gas o por haberse sobrepasado. In. la fecha de vencimiento y otras tantas son descartadas por problemas productivos en las fábricas, como, por ejemplo, productos con deficiencias en el envasado o etiquetado o que. de. por algún otro motivo no pasan los controles de calidad.. ca. Para aprovechar estos desperdicios, que se calcula que rondan el 2 por ciento de la producción, se ha diseñado un sistema que permite convertir el azúcar de las bebidas gaseosas. io te. en bioetanol para ser utilizado como combustible, insumo farmacéutico o materia prima de bebidas alcohólicas. Las bebidas gaseosas tienen una carga orgánica muy contaminante. bl. debido al contenido de azúcar, que ronda entre el 8 y el 12 % de su composición. En base a. Bi. ello, destaca la potencialidad de la innovación de producir bioetanol por medio de fermentación con levaduras seguido de una destilación. Como consecuencia de este proceso, la carga orgánica de la gaseosa se reduce en un 87.5 % y se obtiene otro producto con un alto valor agregado como el bioetanol.. 1 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. 1.2. Antecedentes. . En diciembre del 2001 a través del Consejo Nacional del Ambiente (CONAM), se forma un grupo técnico constituido por un representante de los ministerios de Energía. m ica. y Minas, agricultura, Economía y Finanzas y Transportes con el fin de promover el uso de biocombustibles líquidos en el país, en especial etanol. El etanol combustible a producirse en el Perú se elaboraría a partir de las áreas excedentes de caña de azúcar. uí. y de sorgo dulce.. g. Q. En el Perú actualmente no se elabora etanol combustible (alcohol anhidro), solo se produce:. Alcohol etílico sin desnaturalizar a 80° GL.. . Alcohol etílico y aguardiente desnaturalizados de cualquier graduación.. . Alcohol etílico sin desnaturalizar menor a 80° GL. de. In. . El ministerio de transportes de Perú prorrogo por un año, hasta el 31 de diciembre del. ca. 2004, la autorización para producir gasolina de 84 octanos con plomo, la de mayor consumo en el país. Según cifras del Instituto Nacional de Estadística e Informática. io te. – INEI 2002, en el Perú consume 953 millones de litros de gasolina (6 millones de barriles).. Cereda y Magaly (2004). Desarrollaron un estudio sobre la utilización del residuo. bl. . Bi. sólido obtenido en la extracción de almidón de yuca: Brasil; fue usado fundamentalmente en la alimentación animal, el objetivo de este trabajo fue desarrollar la evaluación técnica económica de la producción de alcohol a partir del subproducto de la obtención del almidón de yuca. Para esto se usó como enzima. complementaria la pectinasa para la hidrólisis del mosto, la caracterización del. 2 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. subproducto presentándolos siguientes resultados en base seca: 80% de almidón, 11.5% de fibra, 1.14% de cenizas, 0.85% de proteínas y 0.45% de azucares. El proceso de hidrólisis tuvo una conversión de 86.31% del almidón inicial y un 80% de rendimiento de azucares totales. Un análisis mostró que cerca del 75% de la materia. m ica. seca inicial fue hidrolizado y el residuo presento 37% de almidón, 30% de azucares totales, 30% de fibra en base seca, el mosto obtenido presentó una concentración de. uí. 13 ºBrix siendo necesario concentrarlo, la fermentación alcohólica se realizó en 48. su realización comercial. . g. Q. horas, el análisis económico demostró un proceso viable, necesitando un ajuste para. Guzman y Puelles (1998). Realizaron la investigación: Producción de etanol con. In. levaduras inmovilizadas en los Laboratorios de Microbiología Industrial de la facultad de CC.BB. y Química Analítica de la Facultad de Ingeniería Química de la. de. Universidad Nacional de Trujillo, Perú. Estableciendo la máxima producción de alcohol en fermentación, en condiciones de inmovilización de levadura, la materia. ca. prima para la elaboración del sustrato fue la melaza y el microorganismo fue. io te. Saccharomyces cerevisiae MIT L-51. El hidrolizado se lleva a cabo en un autoclave a 121 ° C durante una hora, la fermentación se llevó a cabo a una temperatura de 25-. bl. 27°C (temperatura ambiente), presión atmosférica y pH entre un rango de 3 y 4. Con. Bi. motivo de contrastación se hicieron pruebas de fermentación con levaduras libres y levaduras inmovilizadas en solución azucarada y solución de melaza, encontrándose mayor rendimiento de etanol con levaduras inmovilizadas en ambas soluciones (6.70% v/v para la solución azucarada y 6.88% v/v para la melaza frente a 5.90% v/v y 4.95% v/v de las levaduras libres), durante 34 horas de fermentación.. 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/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. . Grisales, Ríos, y Triana (2001). En el diseño de un proceso de producción de etanol anhidro a partir de jugo de caña, obtuvieron una concentración de 6 - 8% v/v de etanol. El jugo de caña contenía una composición de 14% de sólidos solubles (14 ºBrix) y en la fermentación el microorganismo utilizado fue Saccharomyces. . m ica. cerevisiae.. Millones, Enrique, Nuñez Gonzales, y Charly (2011). Realizaron la investigación:. uí. Producción de bioetanol a partir de los desechos lignocelulósicos industriales del Asparagus Officinalis, en la facultad de Ingeniería Química de la Universidad. g. Q. Nacional de Trujillo, Perú. Se realizó un pretratamiento mediante métodos físicos, químicos y fisicoquímicos, extracción de azucares reductores totales ART. In. determinándose una concentración máxima de 7g/L con lo cual se construyó el caldo fermentativo, el bioproceso se llevó a cabo a 25°C a un pH de 4.0 a 4.5 durante un. de. tiempo de 72 horas. Se encontró que la proteína unicelular y el porcentaje de etanol aumentan progresivamente a desde 0.13 hasta 1.8 g/L y desde 0.40 hasta 2.04%. Ramírez Lecca y Valverde Pérez (2010). Realizaron la investigación: Diseño de. io te. . ca. respectivamente.. planta para la producción de etanol carburante a partir de la caña de azúcar en la. bl. facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Trujillo, Perú. Se. Bi. utilizó reactores tipo tanque agitado en serie, debido a que la reacción fue fuertemente exotérmica y genera 16000 Btu/lbmol de azúcar fermentada, haciendo uso de la levadura Saccharomyces cerevisiae donde se activaron en el laboratorio a una temperatura de 28°C a 30°C, hasta lograr una población mayor a 200 millones de células por cm3, utilizando como medio de crecimiento el jugo estéril diluido.. 4 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. 1.3. Fundamento teórico.. 1.3.1 Tecnología de las bebidas carbonatadas. 1.3.1.1 Definición.. m ica. La bebida carbonatada o bebida gaseosa, es una bebida saborizada, efervescente (carbonatada) y sin alcohol. Estas bebidas suelen consumirse frías, para ser más refrescantes y para evitar la pérdida de dióxido de carbono, que le otorga la efervescencia. (Moreiras, et. uí. al., 2013, pág. 613).. g. Q. El agua con dióxido de carbono produce un equilibrio químico con el ácido carbónico. En América, comienza la fabricación de bebidas carbonatadas en Nueva York en 1832, cuando John Matthews inventa un aparato para mezclar agua con gas de dióxido de carbono. In. y, además, agregarle sabor. (Moreiras, et al., 2013, pág. 613).. de. De la popularidad de la bebida nacen negocios que mezclan el agua carbonatada con sabores a elección, llamadas fuentes de soda. Sabores como naranja, limón, uva eran muy. ca. demandados. En aquella época la gaseosa también se vendía en farmacias como remedio para curar diversos males. En 1885, W.B. Morrison un farmacéutico propietario de «Old Corner. io te. Drug Store» en Waco, Texas, desarrolló un distinguido sabor en su fuente de soda surgiendo la más antigua gaseosa, que aún se vende en Estados Unidos. (Moreiras, et al., 2013, pág.. Bi. bl. 613).. 5 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. 1.3.1.2 Ingredientes. 1.3.1.2.1 Agua carbonatada: Base esencial para la producción de cualquier gaseosa, en grandes fábricas primero. m ica. de desmineraliza el agua, y luego se le agregan minerales en cantidades predeterminadas. 1.3.1.2.2 Aditivos y edulcorantes.. Le confieren un sabor dulce y podríamos separarlos en tres clases: naturales: sacarosa. uí. (azúcar de mesa) y fructosa, sintéticos (más baratos, pero pueden tener sabores no muy. g. Q. agradables (ciclamato (E 952), acesulfamo K (E 950), aspartamo (E 951), etc.) y naturales, pero que no aportan glucosa. 1.3.1.2.3 Acidulantes.. In. Proporcionan la acidez adecuada (ácido cítrico, ácido fosfórico), estabilizantes de la. de. acidez, colorantes, aromatizantes, conservantes, antioxidantes y espesante. 1.3.1.3 Estacionalidad.. ca. Se encuentra disponible durante todo el año.. io te. 1.3.1.4 Porción comestible.. 100 gramos por cada 100 gramos de producto.. bl. 1.3.1.5 Fuente de nutrientes y sustancias no nutritivas.. Bi. Agua, fósforo y azúcares. (Moreiras, et al., 2013, pág. 613).. 6 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. 1.3.1.6 Valoración nutricional. Las gaseosas son muy ricas en azúcares y calorías, pero prácticamente no tienen ningún valor nutricional. El ingrediente activo en la mayor parte de las bebidas gaseosas es el ácido fosfórico, el cual actúa sobre el calcio de los huesos. Además, el pH de estas bebidas. m ica. ronda los 2,8, un pH muy ácido. El consumo de bebidas gaseosas debido al aumento del consumo de fósforo aumenta las pérdidas de calcio, que en los huesos genera que se debiliten,. uí. volviéndose mucho más quebradizos. Cuanto menos calcio tienen los huesos disponibles, más porosos se vuelven, lo cual redunda, por supuesto, en que también sean mucho más. g. Q. quebradizos.. El consumo de gaseosas edulcoradas con azúcar incrementa la probabilidad de. In. desarrollar obesidad, fundamentalmente en niños. Pero el riesgo de obesidad no es el único,. de. también está la caries y el deterioro de la salud dental en general. Aunque un consumo moderado, dentro de una dieta adecuada, no conllevará ningún problema de salud y. ca. contribuirá a la hidratación del organismo.. Bi. bl. io te. (Moreiras, et al., 2013, pág. 613).. 7 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. 1.3.1.7 Composición nutricional. Tabla 1. Composición nutricional de bebidas gaseosas.. Bi. bl. Recomendaciones día - hombres. Recomendaciones día - mujeres. 84 Tr 0 0 0 0 0 0 0 21 0 179 8 Tr 2 Tr 16 2 30 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -. 3000 54 100-117 23-27 67 17 3.3-6.6 10 <300 375-413 >35 2500 1000 10 140 350 15 <2000 3500 700 70 1.2 1.8 20 1.8 400 2 60 1000 15 12. 2300 41 77-89 18-20 51 13 2.6-5.1 8 <230 288-316 >25 2000 1000 18 110 330 15 <2000 3500 700 55 0.9 1.4 15 1.6 400 2 60 800 15 12. g. Q. uí. m ica. Por vaso (200 g). In. de. io te. ca. Energía (Kcal) Proteínas (g) Lípidos totales AG saturados (g) AG mono insaturados (g) AG poliinsaturados (g) - 3 (g) C18:2 Linoleico (-6) (g) Colesterol (mg/1000 Kcal) Hidratos de carbono (g) Fibra (g) Agua (g) Calcio (g) Hierro (g) Yodo (g) Magnesio (mg) Zinc (mg) Sodio (mg) Potasio (mg) Fosforo (mg) Selenio (g) Tiamina (mg) Riboflavina (mg) Equivalentes niacina (mg) vitamina B₆ (mg) Folatos (g) Vitamina B₁₂ (g) Vitamina C (mg) Vitamina A: Eq. Retinol (g) Vitamina D (g) Vitamina E (mg). Por 100 g de porción de comestible 42 Tr 0 0 0 0 0 0 0 10.5 0 89.5 4 Tr 1 Tr 8 1 15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -. Fuente: Extraído del libro Bebidas (Moreiras, et al., 2013, pág. 614).. 8 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. 1.3.2 Biocombustibles. Los combustibles de origen biológico, o “biocombustibles”, son aquellos obtenidos a partir de biomasa. Estos combustibles pueden sustituir parcialmente el consumo de combustibles fósiles tradicionales (petróleo y carbón), constituyen una fuente de energía. m ica. renovable y de bajo impacto ambiental. Además, en comparación con otras energías alternativas, como la proporcionada por el hidrógeno, el reemplazo de los combustibles. uí. fósiles por biocombustibles en el sector de transporte automotor puede ser realizado con menores costos, debido a que no requieren grandes cambios en la tecnología actualmente. g. Q. utilizada, ni tampoco en el sistema de distribución (Boddey, et al., 2008, pág. 504). Los Biocombustibles se clasifican formalmente en “generaciones” de acuerdo al. In. insumo o materia prima y a la tecnología empleada para su producción.. de. 1.3.2.1 Combustibles de primera generación. Los biocombustibles de primera generación se producen directamente de cosechas. ca. que pueden destinarse a la alimentación humana o del ganado, y por lo tanto su producción. io te. es muy polémica teniendo en cuenta los millones de personas en el mundo que mueren por hambre, incluyen el empleo de recursos alimenticios para la producción de energía, la. bl. explotación y erosión de suelo (Tipos de biocombustibles, s.f.).. Bi. Las principales fuentes de los biocombustibles de primera generación son el almidón,. el azúcar, grasas animales y los aceites vegetales. Los principales cultivos empleados son el maíz, la caña de azúcar, la soja y los aceites vegetales vírgenes (Tipos de biocombustibles, s.f.).. 9 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. 1.3.2.2 Combustibles de segunda generación. Los combustibles de segunda generación también se conocen con el nombre de biocombustibles avanzados. Lo que les diferencia de los de primera generación es el hecho. m ica. de que la materia prima usada para su producción no son cosechas que pueden destinarse para alimentación en primera instancia. Por ejemplo, un aceite virgen sería un biocombustible de primera generación; pero no así los aceites obtenidos mediante extracción química que no. uí. sirven para alimentación humana. También se diferencia en que se cultivan aprovechando. g. Q. áreas marginales improductivas en cultivos para alimentación y que no se requiere agua o fertilizantes para su cultivo (Tipos de biocombustibles, s.f.).. Se suelen emplear tecnologías específicas para su extracción. Esto no significa que. In. los biocombustibles de segunda generación no se puedan quemar directamente como la. de. biomasa. Las fuentes principales de los biocombustibles de segunda generación contienen gran cantidad de lignina y celulosa, por lo que necesita procesos previos a su fermentación:. ca. conversión termoquímica (gasificación, pirolisis o torrefactado) y conversión bioquímica. io te. (Tipos de biocombustibles, s.f.).. 1.3.2.3 Biocombustibles de tercera generación.. bl. El término “tercera generación” se ha empezado a aplicar recientemente a los. Bi. biocombustibles y se refiere a los biocombustibles obtenidos a partir de algas o microalgas. Por ello también se les conoce como oleoalgal, oilgae o algaeoleum. Anteriormente, los biocombustibles obtenidos de las algas quedaban englobados en los de segunda generación, pero visto los superiores rendimientos partiendo de menor cantidad de materia prima, se ha considerado apropiado crear un grupo específico para ellos (Tipos de biocombustibles, s.f.).. 10 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. Por si fuera poco, las algas producen un aceite que se refina fácilmente en diesel o incluso en ciertos componentes de la gasolina. Y más importante aún, es que las algas pueden manipularse genéticamente para producir desde etanol a gasolina o diesel puros (Tipos de. m ica. biocombustibles, s.f.). El butanol es un biocombustible de gran interés por su parecido excepcional a la gasolina. De hecho, tienen la misma densidad energética y mejor perfil de emisiones. Pero. g. Q. genética de las algas (Tipos de biocombustibles, s.f.).. uí. su producción era muy complicada hasta que se consiguió de forma efectiva por modificación. Hoy en día, hay varias empresas que se dedican a su fabricación a escala comercial y. In. se está convirtiendo en el biocombustible más popular, por encima del etanol, ya que no. biocombustibles, s.f.).. de. implica realizar cambios en el motor para su uso y no produce daños en el motor (Tipos de. ca. 1.3.2.4 Biocombustibles de cuarta generación.. io te. Por último, los biocombustibles de cuarta generación son producidos a partir de microorganismos genéticamente modificados, los que emplean CO2 o alguna otra fuente de. bl. carbono para la obtención de estos biocombustibles (Tipos de biocombustibles, s.f.).. Bi. En la actualidad se conocen numerosos genes, enzimas y rutas metabólicas y se cuenta. con las herramientas genéticas y moleculares necesarias para diseñar “a medida” una vía de síntesis completa del producto de interés en un microorganismo huésped, (Tipos de biocombustibles, s.f.).. 11 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. 1.3.3 Bioetanol. El alcohol etílico o etanol cuya fórmula química es C2 H5 OH es un alcohol que se presenta como un líquido incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78°C. Es el componente activo de las bebidas alcohólicas. Se puede obtener a través de dos procesos de. m ica. elaboración: la fermentación o descomposición de los azucares contenidos en distintas frutas, y la destilación, consistente en la depuración de las bebidas fermentadas (Morrison, 1992).. uí. El bioetanol es un biocombustible de origen vegetal que se produce a partir de la fermentación de materia orgánica rica en azúcar (caña, remolacha o vino), así como de la. g. Q. transformación en azúcar del almidón presente en los cereales. Se utiliza en motores de explosión como aditivo o sustitutivo de la gasolina. La producción de bioetanol se basa en. In. un proceso bien conocido: la fermentación alcohólica (Gracia, 2011, pág. 77). En todos los casos se parte de almidón o celulosa. Una vez hidrolizados para obtener. de. glucosa, ésta se somete a fermentación de donde se obtiene el etanol. En las primeras etapas de la fermentación, cada molécula de glucosa se transforma en dos moléculas de ácido. ca. pirúvico (Gracia, 2011, pág. 77).. io te. 1.3.3.1 Grado alcohólico.. Es el porcentaje de alcohol en el producto, indica la pureza del producto,. bl. generalmente se reconoce como Grados Gay Lussac (°GL) cuando se expresa en porcentaje. Bi. volumen/volumen (García, 1990). El grado alcohólico de una bebida se define como el tanto por ciento en volumen de. alcohol etílico (etanol) contenido en la misma. Así el grado alcohólico de agua – etanol según (Pantoja, 2005) es la siguiente: Grado alcohólico = %V. Etanol = (V etanol/ V disolución)* 100 12 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. 1.3.4 Usos del bioetanol. El mercado del etanol puede subdividirse en tres, de acuerdo a sus destinos fundamentales como: combustible, uso industrial y bebidas. El uso como combustible representa el 61% de la producción mundial, ya sea para mezclar o reemplazar petróleo o. m ica. derivados, alrededor del 23% se destina a la industria procesadora (cosméticos, farmacéutica, química, entre otros) y el 16% restante se destina a la industria de bebidas (Henry y Claure,. uí. 1998).. El etanol es utilizado en distintas empresas que se encuentran en la rama químico-. g. Q. industrial, médico-farmacéutico y en la producción de biocombustibles a partir de materias primas como: la caña de azúcar y maíz, las cuales compiten con la industria de producción. In. de alimentos (Montoya, et al., 2005).. Puede utilizarse como único combustible, realizando modificaciones a los motores;. de. pero en la mayoría de los países se prefiere utilizar mezclas de etanol con gasolina, que van. 1.3.5 Hidrólisis.. ca. desde un 10% hasta un 85% de etanol en volumen (Domínguez, 2003).. io te. El objetivo de la hidrólisis es romper el polímero de los polisacáridos, presentes en la fracción de sólidos insolubles en agua, que se producen en el pre tratamiento. Este sólido está. bl. constituido principalmente por celulosa (Ikegami, et al., 2002, págs. 49-54).. Bi. En la hidrólisis, la celulosa es transformada en glucosa. Esta reacción es catalizada. por un ácido o enzimas (celulasa). Si se emplea la hidrólisis sin pretratar el material, el rendimiento es menor al 20%, mientras que si el material esta pretratado, el rendimiento puede ser superior al 90% (Hamelinck, et al., 2005, págs. 384-410).. 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/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.5.1 Tipos de hidrólisis. 1.3.5.1.1 Hidrólisis ácida. La hidrólisis ácida, ha sido llevada a escala comercial desde 1909 en USA y otros. m ica. países de Europa y Asia, para fermentar la glucosa en alcohol, utilizando madera como sustrato (Ferrer, et al., 2002, págs. 23-33). Bajo condiciones ácidas fuertes, es posible hidrolizar los enlaces de los polisacáridos a temperaturas superiores a 160°C, sin embargo. uí. los procesos comerciales típicos operan por debajo de 120°C, para minimizar la degradación de la fructosa y la glucosa. La glucosa y la fructosa se degradan a temperaturas superiores a. g. Q. 106°C y un pH menor a 2. ( Bower, et al., 2008, págs. 54-62).. Para concentraciones de ácido bajas (0,5-1,5%), es posible emplear temperaturas. In. entre 121 y 160°C. Para los procesos de hidrólisis los rendimientos del azúcar pueden ser de. de. 70% e incluso mayores al 90% de acuerdo a las condiciones y el material. La hemicelulosa es generalmente más susceptible a la hidrólisis ácida que la celulosa, se pueden obtener. ca. rendimientos de más del 85% con solo una pequeña conversión de celulosa a glucosa. io te. (Brethauer & Wyman, 2010, págs. 62-74).. 1.3.5.1.2 Hidrólisis enzimática.. bl. Tres tipos de enzimas actúan sinérgicamente para hidrolizar la celulosa: endo-β-1,4glucanasa esta enzima ataca la parte endógena de los canales de celulosa, celobiohidrolasas. Bi. las cuales atacan el final del polímero, la celobiosa es hidrolizada hasta glucosa por las βglucosidasas (Sukumaran, et al., 2010, págs. 26-33). Se pueden adicionar otras enzimas como hemicelulasas y lignasas que faciliten el acceso a la celulosa. Tanto las bacterias como los hongos pueden producir celulasas para la hidrólisis del material lignoicelulósico (Prasad, et al., 2007). 14. 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) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.6 Fermentación. Un proceso de fermentación es un proceso que se lleva a cabo en un recipiente llamado fermentador. El microorganismo va aumentando la concentración de su biomasa en el transcurso del proceso al mismo tiempo que el medio se va modificando y se forman. m ica. productos nuevos como consecuencia de las actividades catabólicas y anabólicas.. El comportamiento de un microorganismo en crecimiento es el resultado de la. uí. interacción que se produce entre la célula y el medio ambiente dentro del biorreactor.. g. Q. La respuesta del microorganismo a las condiciones de operación en el fermentador es el resultado de la influencia de las variables de naturaleza física y química que afectan directamente el proceso. Los factores que pueden afectar la operabilidad del proceso están. In. vinculados con las condiciones de operación que se utilizan en los biorreactores, un ejemplo. de. de estos son, la temperatura, la velocidad de agitación, la concentración de oxígeno disuelto, el pH, etc.. ca. La fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleta, totalmente. io te. anaeróbico, siendo el producto final un compuesto orgánico. Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de fermentaciones.. bl. El proceso de fermentación es anaeróbico ya que se produce en ausencia de oxígeno.. Bi. Fue descubierta por Louis Pasteur, que la describió como la vie sansl´air (la vida sin el aire). La fermentación típica es llevada a cabo por las levaduras. Podemos también definir la fermentación como la oxidación incompleta de carbohidratos, aminoácidos y sustancias similares por la acción de los microorganismos. (Fiechter, 1984).. 15 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. 1.3.6.1 Fermentación alcohólica. La fermentación alcohólica es el proceso a través del cual los azúcares contenidos en el mosto o medio de cultivo se convierten en alcohol etílico en un medio anaerobio y por la acción de la levadura, con la presencia de nutrientes, temperatura, pH y acidez optima, de. m ica. manera que la levadura pueda actuar correctamente sobre los azucares y la fermentación, para obtener un rendimiento esperado. (Morrison, 1992).. uí. El proceso simplificado de la fermentación alcohólica es el siguiente:. g. Q. Azucares + levaduras = Alcohol etílico + 𝐂𝐎𝟐 + Calor + Otras sustancias Los rendimientos moleculares de la reacción son:. In. 𝐂𝟔 𝐇𝟏𝟐 𝐎𝟔 + 𝟐𝐀𝐃𝐏 → 𝟐(𝐂𝐇𝟑 𝐂𝐇𝟐 𝐎𝐇) + 𝟐𝐂𝐎𝟐 + 𝟐𝐀𝐓𝐏 + 𝟐𝐇𝟐 𝐎. de. Puede definirse como el proceso metabólico que transforma los hidratos de carbono (carbohidratos) en alcoholes, ácidos orgánicos, aldehídos o cetonas con la formación de. ca. dióxido de carbono. Esta denominación está dada sobre la base de las alteraciones que en. io te. presencia de levaduras ocurren en los jugos azucarados de frutas (Cutimbo Quispe, 2004). Si el alimento (sustrato), es adecuado para las células (levaduras) se alimentan, se. bl. multiplican y en el proceso se produce un arterial residual (alcohol). En algunos casos la presencia del producto (alcohol), inhibe la acción de las células, a medida que la. Bi. concentración de alcohol aumenta, las células se multiplican más lentamente y para un 12% de alcohol las células se detienen (Bourgeois y Larpent, 1995).. 16 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. 1.3.6.2 Sustratos utilizados en la fermentación Los sustratos más comúnmente usados para la fermentación son los azúcares, en especial la D-glucosa. Una clase de fermentación importante de la glucosa es la fermentación alcohólica. Para muchas levaduras en un medio adecuado, la fermentación significa la. aire, en etanol los siguientes productos finales:. m ica. conversión de hexosas, principalmente glucosa, fructosa, manosa y galactosa, en ausencia de. uí. 𝐆𝐥𝐮𝐜𝐨𝐬𝐚 + 𝟐𝐀𝐃𝐏 → 𝟐𝐄𝐭𝐚𝐧𝐨𝐥 + 𝟐𝐂𝐎𝟐 + 𝟐𝐀𝐓𝐏 + 𝟐𝐇𝟐 𝐎. g. Q. Alrededor del 70 % de la energía es liberada como calor; el resto es preservado en dos enlaces fosfatos terminales de ATP (trifosfato de Adenosina), para usarlo en las reacciones de transferencia, tales como la activación de la glucosa (fosforilación) y de. 1.3.6.2.1 Tipos de sustrato. de. In. aminoácidos antes de las polimerización (Muller, 1981).. Están definidos tres tipos de materias primas para la producción de etanol (Palacio. ca. Llanes, 1956) las cuales son:. io te. Materiales portadores de azucares simples: Contienen carbohidratos en forma de mono, di o tri sacáridos como fuentes de azucares. Los azucares fermentan directamente.. bl. Almidones: Contienen carbohidratos en formas de almidón (polisacárido cuya. Bi. unidad estructural más sencilla es la D - glucosa) como fuente de azucares. Primero se deben convertir en azucares fermentables mediante la acción de enzimas (sacarificación). Celulosas: Contienen carbohidratos en formas más complejas y deben ser convertidos en azucares fermentables por previo proceso de sacarificación.. 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/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.6.3 Microorganismos de fermentación alcohólica. Los microorganismos presentes en el medio ambiente, responsables de los procesos vitales para nuestra existencia y permanencia, se están estudiando de tal forma que han permitido realizar investigaciones que despertaron interés biotecnológico en la producción. m ica. de etanol como aporte no solo económico y energético, sino ambiental. Hoy en día, la investigación y el desarrollo tecnológico han permitido que a través de la biotecnología y. uí. específicamente de la micro biotecnología optimizar el papel que cumplen los. 1.3.6.3.1 Sacharomyces cerevisiae.. g. Q. microorganismos en la generación de etanol (Bullock, 2003).. Es un hongo eucariótico unicelular comúnmente conocido como levadura. La. In. Sacharomyces cerevisiae, q ha sido tradicionalmente usada en la producción de bebidas. de. alcohólicas y alimentos ya que fermenta y asimila la glucosa y normalmente también la sacarosa, maltosa y galactosa, no así la lactosa.. ca. La capacidad de producción de alcohol y la tolerancia ala mismo son dos. io te. características relacionadas desde el punto de vista funcional ya que la segunda puede limitar a la primera; sin embargo, son independientes en su origen fisiológico, es decir, la habilidad de una levadura de producir alcohol a partir de un carbohidrato no necesariamente implica. Bi. bl. que esta tenga una alta tolerancia y viceversa. La producción de alcohol es un fenómeno complejo cuyo rendimiento depende de. diversos factores la concentración del inoculo, la composición del medio, las condiciones de fermentación, etc. (García, 1990).. 18 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) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.6.4 Condiciones necesarias para la fermentación alcohólica. 1.3.6.4.1 Concentración de azúcares. Determina el tiempo de la fase de multiplicación celular (crecimiento exponencial),. m ica. de la fase estacionaria y de la fase de muerte. La concentración de azucares debe mantenerse en niveles bajos para la multiplicación inicial de la levadura. De 10 ºBrix a 18 ºBrix de concentración de azúcar es satisfactoria, en ocasiones se emplean concentraciones demasiado. uí. altas que inhiben el crecimiento de las levaduras (Betancourt, 2001).. g. Q. (Fajardo y Sarmiento, 2007). Estudiaron el efecto de la adición del azúcar en la producción de alcohol para la obtención de licor en un proceso artesanal, las concentraciones de azucares en el mosto se evaluaron por refractómetro, y el contenido de alcohol del licor. In. por hidrometría. Los resultados in situ evidenciaron un efecto favorable de la elevación del. de. contenido de azúcar (18 a 20 °Brix) para la fermentación. 1.3.6.4.2 pH .. ca. Es un factor importante en la fermentación, debido a su importancia en el control de. io te. la contaminación bacterial como también el efecto en el crecimiento de las levaduras, en la velocidad de la fermentación y en el rendimiento de etanol con Sacharomyces cerevisiae. La. bl. reacción óptima para un proceso fermentativo con levaduras se debe realizar a un pH de 4,5. Bi. y 5,0. (Carpenter, 1979). La fermentación continua satisfactoriamente cuando el pH del mosto ha sido ajustado. entre 4 y 4.5. Este pH favorece a las levaduras y es lo suficientemente bajo para inhibir el desarrollo de muchos tipos de bacteria (Gonzales, 1978).. 19 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. 1.3.6.4.3 Temperatura. Otro de los parámetros que habitualmente se mide en la fermentación alcohólica, es el control de temperatura siendo una determinación muy fácil de realizar, y que de manera indirecta determina la actividad de las levaduras, sirviendo además para predecir la posible. m ica. parada de la fermentación por exceso de temperatura (Hidalgo, 2002).. La temperatura puede tener lugar en un rango de temperatura desde los 13ºC- 35ºC.. uí. Las levaduras son microorganismos mesófilos. Cuanto mayor sea la temperatura dentro del. g. Q. rango establecido mayor será la velocidad del proceso fermentativo siendo también mayor la proporción de productos secundarios. Sin embargo, a menor temperatura es más fácil conseguir un mayor grado alcohólico, ya que a altas temperaturas hacen fermentar más rápido. In. a las levaduras llegando a agotarlas antes (Gonzales, 1978).. de. Las levaduras son menos resistentes a los cambios de temperatura que las bacterias ya que no aguantan temperaturas por debajo del punto de congelación. Siendo 20 - 30 °C el. ca. intervalo óptimo para su crecimiento. A los 45 - 47°C mueren, por lo que si las quiere. io te. eliminar de cualquier alimento o bebida basta calentarla a 50 – 60 ° C por 5 minutos (Madrid, et al., 1994).. bl. 1.3.6.4.4 Metabolismo aeróbico de carbohidratos en Saccharomyces cerevisiae.. Bi. Se mencionó con anterioridad que las principales fuentes de carbono utilizadas por. esta especie son glucosa, fructosa, sacarosa, maltosa y malto-triosa, entre otras. La vía de utilización de la glucosa y fructosa es la vía glicolítica o glicólisis. (Dickinson & Schweizer, 2004).. 20 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. La sacarosa es hidrolizada extracelularmente por la acción de la enzima denominada “sacarasa” o “invertasa”, mientras que la maltosa (disacárido formado por dos glucosas) y malto-triosa (oligosacárido) son hidrolizadas intracelularmente.. m ica. Las levaduras, además, acumulan carbohidratos en su interior en la forma de trehalosa (disacárido formado por dos moléculas de glucosa) y glucógeno, que pueden ser utilizados cuando sean requeridos.. uí. El resultado de la glicólisis es el desdoblamiento de una molécula de glucosa en dos. g. Q. moléculas de piruvato con producción de dos ATP y dos cofactores reducidos NADH. En condiciones aeróbicas, el piruvato es descarboxilado a acetil-CoA, produciendo. In. una molécula de NADH. El acetil-CoA ingresa al interior de la mitocondria, donde sufre una. reducidos NADH y FADH2.. de. serie de reacciones cíclicas (conocidas como ciclo de Krebs), generando los cofactores. ca. El paso final de la respiración comprende la oxidación de los cofactores y liberación de energía en forma de ATP por la acción secuencial de complejos multienzimáticos situados. io te. en la membrana interna de la mitocondria, proceso conocido como cadena de transporte de electrones .En la maquinaria de respiración celular, el oxígeno molecular es el aceptor final. bl. de electrones.. Bi. (Dickinson & Schweizer, 2004).. 21 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) io te. ca. de. In. g. Q. uí. m ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Figura 1. Etapa de la glucólisis en Sacharomyces Cerevisiae para la obtención de etanol.. bl. 1.3.6.4.5 Metabolismo anaeróbico de carbohidratos en Saccharomyces cerevisiae.. Bi. En condiciones anaeróbicas, el metabolismo de las hexosas comprende la glicólisis. descripta en la sección anterior, pero se diferencia del metabolismo aeróbico en el destino que sigue el piruvato. En ausencia de oxígeno, el piruvato es descarboxilado a acetaldehído, molécula que actúa como aceptor final de electrones en el proceso de oxidación el NADH (producido durante la glicólisis) a NAD+, formando etanol como producto final. 22. 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. Este proceso se conoce como fermentación y la formación de etanol ocurre solo para permitir regenerar el NAD+ y, de este modo, continuar la síntesis de ATP para el crecimiento celular (Figura 5). La oxidación de una molécula de glucosa en forma fermentativa. io te. ca. de. In. g. Q. uí. m ica. proporciona dos moléculas de etanol y dos de ATP (Dickinson & Schweizer, 2004).. Bi. bl. Figura 2. Fermentación en Saccharomyces cerevisiae.. Figura 3. Reacción química de fermentación en Saccharomyces cerevisiae.. 23 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) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.7 Destilación. La destilación es una de las operaciones ampliamente empleada en la industria química, bien para separar distintos componentes de una corriente, o en la purificación de productos intermedios o finales. La operación de destilación y rectificación busca separar el. m ica. alcohol producido durante la fermentación de los otros compuestos presentes en el mosto, tales como aldehídos, esteres y metanol que se presentan durante el proceso, así como los. uí. otros compuestos propios del mosto que no han sido asimilados por las levaduras, tales como. 1.3.7.1 Tipos de destilación. 1.3.7.1.1 Destilación simple.. g. Q. azucares residuales, sustancias nitrogenados, fosfatos y otros (Vian y Ocon, 1991).. In. Se realiza en una única etapa, se parte de una mezcla de dos sustancias en la que sólo. de. una de ellas es volátil, se pueden separar ambas mediante una destilación de 80 °C por lo menos. El componente más volátil se recogerá por condensación del vapor y el compuesto. ca. no volátil quedará en el matraz de destilación (León, 2007).. io te. 1.3.7.1.2 Destilación fraccionada.. La destilación fraccionada o rectificación, incorpora una columna de fraccionamiento (o de rectificación) entre la disolución y el refrigerante, lo que equivale a realizar etapas. Bi. bl. consecutivas de destilación simple (Pantoja, 2005). 1.3.7.1.3 Destilación a vacío. En el caso de la destilación a vacío, se trata de una destilación sencilla o fraccionada. realizada a presión reducida; donde este hace que las temperaturas de ebullición sean más bajas, lo que permite separa sustancias con puntos de ebullición elevados y/o que pueden descomponerse a temperaturas elevadas (Pantoja, 2005). 24 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/.