Automatización del proceso de fermentación de la melaza para la obtención de alcohol etílico

Resumen

Se presenta el diseño de solución para el proceso de fermentación de la melaza para la obtención de alcohol etílico. Se presenta un sistema de automatización asistido por un controlador lógico programable (PLC) de la familia micrologix 1500, que permite actuar, monitorear y mantener las variables propias del proceso, tales como temperatura, nivel, concentración de oxigeno y pH, en un estado de funcionamiento normal . Adicionalmente se presenta, el sistema de control que consta de una serie de instrumentación o equipos conectados a un sistema SCADA, que permiten proporcionar la información necesaria al operador o supervisor del proceso de fermentación en el área de biotecnología de la Facultad de Ciencias Agropecuarias de la Universidad del Cauca.

Introducción

En el mundo el proceso de fermentación es muy utilizado en muchas aplicaciones industriales. En el sector de los alimentos tienen muchísima importancia, en el sector de lácteos es fundamental, en la panadería es muy útil, pero en el sector mas conocido y del cual talvez se obtienen los mas altos rendimientos de producción es del sector cervecero y de vinos. Países como Alemania y Francia son conocidos por producir las mayores cantidades y calidades en estos productos.

En Colombia, durante muchos años la producción de  bebidas alcohólicas ha sido una gran fuente de ingresos para muchas familias que viven de este negocio.  El principal compuesto que es el alcohol etílico se obtiene en su gran mayoría  de un proceso de fermentación y una destilación posterior.

La fermentación es una reacción de oxido-reducción realizada por bacterias como las levaduras que son microorganismos que trasforman  tres posibles monosacáridos (glucosa, fructosa y galactosa) en alcohol etílico y CO2 mezclado con algunos desechos. El  proceso de fermentación es simple y los sobrantes, como el bagazo, es utilizado como alimento para animales o combustible. En la fermentación de caña de azúcar no solo se produce etanol sino también butanol, glicerina, ácido cítrico y ácido levulínico.

La implementación de un sistema de control que permita la obtención de alcohol etílico a partir de levaduras es el reto que tiene el programa de Ingeniería Agroindustrial de la Universidad del Cauca, razón por la cual se realiza un trabajo entre estudiantes e ingenieros de la universidad del Cauca para lograr diseñar un sistema de automatización para el proceso de fermentación etílica que logra alcanzar ciertos aspectos óptimos de producción. Inicialmente se realiza una observación detallada de la situación actual del proceso y se abordan los posibles espacios, métodos o equipos que no están aportando de manera eficiente para el proceso y sobre los cuales se podría actuar.

Se desarrolla un sistema que permita la optimización de los recursos utilizados para el proceso de fermentación que se realiza actualmente en el área de biotecnología de la Facultad de Ciencias agropecuarias de la universidad del Cauca (como se muestra en el laboratorio de biotecnología, ver figura 1) y poder brindar una herramienta académica que familiarice de alguna forma a los estudiantes con el campo industrial y los diferentes sistemas e instrumentación con que se van a encontrar en su desarrollo profesional.

Figura 1. Área de Biotecnología.

• 1. Sistema de alarmas 11. Lavamanos

• 2. Incubadora analógica 12. Columna de destilación de OH

• 3. Incubadora digital 13. Compresor de aire

• 4. Autoclave manual 14. reactivos químicos

• 5. Horno eléctrico 15. Recipientes plásticos

• 6. Autoclave eléctrica 16. Stand de equipos lab. biotecnología

• 7. Autoclave a presión 17. Refrigerador

• 8. Tablero acrílico 18. Mesón de laboratorio

9. Calentador eléctrico 19. Butacas de madera

10. Destilador de agua.

Como muchos procesos de producción que podemos encontrar en la industria es el de crear, idear o proponer metodologías de procedimiento de producción que permitan optimizar el proceso de la mejor forma. El proceso de fermentación no es la excepción y más si consideramos el hecho de que el origen y aplicación actual de este proceso es más de tipo académico, de aprendizaje, de experimentación y que talvez no se haya pensado, hasta el momento, en una posible implementación y producción industrial.

Figura 2. Equipos para el proceso de oxigenación de las levaduras

Actualmente se tiene una producción bastante manual, como se muestra en la figura 1 y 2, donde intervienen muchas personas haciendo tareas muy técnicas o mecánicas. Métodos, instrumentos o equipos que no permiten aumentar la producción, mejorar tiempos de trabajo, de esfuerzo, de personal, de calidad, etc. Las variables (temperatura, pH, densidad, cantidad de volúmenes de materia prima, nivel, etc) y situaciones "extrañas" del proceso no son medidas, supervisadas ni mucho menos controladas.

Figura 3. Obtención de alcohol a escala de laboratorio

Con el planteamiento técnico y financiero realizado inicialmente de este proyecto se logra ofrecer un sistema de automatización que busca mejorar el procedimiento del proceso y por lo tanto de los resultados obtenidos del mismo. De esta manera se plantea un sistema basado en un controlador lógico programable (PLC) y un sistema SCADA, que en conjunto permiten adquirir la información de los instrumentos de campo, hacer y ejecutar una ley de control sobre el proceso con la supervisión y monitoreo de un operario desde una sala u área de control. Esta implementación permitirá reducir notablemente los costos de producción convirtiendo un proceso como la fermentación en un generador de eficiencia, rendimiento y desarrollo optimo dentro de un proceso productivo o como segmento de producción más grande.

Marco teórico

2.1 LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA

La fermentación es el proceso donde la glucosa es transformada por un microorganismo en etanol y en una serie de componentes con especiales cualidades sensoriales (olor y sabor) y con desprendimiento de CO2 y calor.

Para tener una idea, la transformación de 1 Kg. de azúcar, produce aproximadamente 500 a 520 gr. de alcohol y de 480 a 500 gramos de CO2.

2.2 LA LEVADURA:

Las levaduras son microorganismos unicelulares, pero con una evolución apreciable, de manera que les hace estar mas cerca de la escala evolutiva de los vertebrados que de las bacterias, por lo que tendrán un metabolismo complejo, capaz de generar toda una serie de productos.

Dentro del género Saccharomyces (que engloba más de 20 especies), solo la S. Cerevisiae y la S. Bayanus, son importantes en la fermentación.

El crecimiento y desarrollo de la levadura, como cualquier microorganismo, esta condicionado por un número de factores y condicionantes físico-químicos. Así llamamos "factor limitativo" a aquel cuya ausencia o modificación acarrea la detención del crecimiento, evitando la presencia de estos factores se consigue que todo se desarrolle según los intereses.

Es importante tener claro que el desarrollo de la levadura y la fermentación están íntimamente ligados. El azúcar se transforma a medida que las levaduras se multiplican. Por lo tanto la fermentación será más rápida, cuando las levaduras se reproducen con rapidez.

2.3 NECESIDADES DE LA LEVADURA DE CERVEZA

– OXIGENACIÓN:

La limitación de la aireación, hace que la fermentación sea mas lenta, las tasas de fermentación son menores (se fermenta menos azúcar), con lo que será difícil transformar todo el alcohol.

Si sometemos a la solución a una aireación constante. Obtendríamos un incremento en el crecimiento de las levaduras y más rápida es la descomposición del azúcar.

– TEMPERATURA:

Tabla 1. Rango de temperatura en la fermentación

La fermentación es el doble de rápida a 30ºC, que a 20ºC, o lo que es lo mismo, por cada grado que se eleva la temperatura las levaduras transforman el 10% mas de azucares en el mismo tiempo.

Un mosto de 200 gr./l de azúcar, fermentaría en 3 o 4 días a 30ºC, tardaría 15 días a 20ºC, pero semanas a 10ºC. 

La mayoría de las Saccharomyces tiene su máximo de desprendimiento de CO2 a 20ºC.

 - ACIDEZ:

Se fermentan mas azucares en un medio neutro que en uno ácido. Para su crecimiento, la levadura tiene un óptimo de pH entre 4 y 6. Un pH alcalino ralentiza el crecimiento de las levaduras. Este rango debe garantizarse en el proceso.

– ALCOHOL:

La resistencia al alcohol, depende de cada levadura. La proporción de azúcar transformado y el alcohol formado, disminuye en presencia de un medio parcialmente alcoholizado (atención a los que se plantean el cambio de parte de la solución de agua y azúcar).

CO2:

Solo en casos en que se produce la fermentación bajo presión, puede ser un factor importante, llegando a parar la fermentación. Si el CO2 escapa libremente, carece de importancia.

– AZÚCAR:

El exceso de azúcar, puede paralizar o impedir la fermentación, basándose simplemente en el fenómeno de la osmosis. Así es fácil deducir que no por añadir mas azúcar obtendremos mas alcohol y por tanto mas CO2.

En enología se conoce como grado alcohólico probable el resultado de dividir la concentración en gramos por litro de azúcar por 17. Si pensamos en las graduaciones normales de los vinos jóvenes (aproximadamente de 10 a 12º), es fácil deducir la cantidad de azúcar apropiada que deberíamos de añadir.

Diseño

Se plantea un sistema de automatización (ver figura 4), que lo integran un Controlador Lógico Programable (PLC) de la familia micrologix 1500 de Allan Bradlley, un sistema SCADA que permite la supervisión y monitores del proceso, una marmita industrial de 220 VAC, 8 electrovalvulas y un agitador eléctrico de 12VDC como actuadores del proceso, sensores del proceso: sensores de temperatura, de nivel, concentración de oxigeno y pH, que permiten conocer el estado de las variables, un sistema neumático alimentado por un compresor de 550W y 90Lbs de capacidad para permitir el cierre y apertura de la compuerta de la marmita por medio de un pistón que actúa directamente sobre ella, el compresor también permite suministrar controladamente cantidades de oxigeno al fermento en proceso. Se tienen también 14 circuitos de control, 10 para transmitir la señal de salida del controlado hacia cada uno de los actuadores de campo y los cuatro circuitos de control restantes para adquirir la señal leída por los sensores del proceso.

El sistema diseñado tendrá el siguiente funcionamiento:

• 1. Activación del sistema.

Un operador o encargado de dar inicio al proceso de fermentación enciende o activa el sistema energizando la instrumentación de campo. Además de esto también previamente se debe realizar una observación preventiva y si es necesario una verificación del buen estado de los elementos de campo.

• 2.  Apertura de compuerta de la marmita.

La apertura de la compuerta de la marmita se podrá realizar de forma esporádica por parte del operador o sino de acuerdo al diseño software que se disponga para este sistema. Teniendo en cuenta que esta tarea es realizada por personal capacitado y que las sustancias utilizadas en el proceso de obtención del alcohol no son nocivas para la salud. Desde el sistema supervisorio se podrá dar la orden de apertura de la compuerta o por cumplimiento de alguna condición software del sistema se abrirá en ese momento.

• 3. Adición de la solución, sustancias o compuesto en la marmita.

Con la supervisión de una persona experta en el proceso de fermentación, la cual verifica la cantidad de levadura, melaza, condiciones del medio que se deben presentar (temperatura, concentración de oxigeno, etc.), y teniendo en cuenta producción fijadas por los encargados del proceso, se agrega la sustancia que se quiere fermentar por el sistema de control.

La cantidad de melaza que se debe suministrar a la marmita esta programada desde software y se ejecuta por medio de una electrovalvula ON/OFF, para que se introduzca la cantidad correcta en el momento correcto. La cantidad de levadura que se debe agregar a la marmita se hace de forma manual por el operador. Esto es debido a que esta fase del proceso es fundamental para la adecuada obtención del alcohol, por lo cual se debe hacer cargo personal calificado.

Figura 4. Diseño realizado para el proceso de fermentación.

• 4. Inicio de la fase aerobia.

Esta fase del proceso dura aproximadamente 48 horas, aunque con la manipulación de las condiciones del medio que permite hacer este tipo de sistema, se estima dure menos. De esta forma, durante el tiempo que dura esta fase se llevaran a cabo periódicamente toma de muestras y seguidamente se observaran y analizaran en el microscopio por parte de personas encargadas; esto permite saber el estado, crecimiento y comportamiento de las levaduras, con lo que se podrá entrar a actuar sobre rangos de temperatura, cantidad de oxigeno presente, grado pH de la sustancia y demás manipulaciones que se puedan hacer con el fin de optimizar el proceso de fermentación, que consistiría básicamente en aumentar el crecimiento de las levaduras, disminuir el tiempo de duración de esta fase, extraer la mayor cantidad de etanol de las moléculas de azúcar y obtener un producto de muy buena calidad.

• 5. Finalización de fase aerobia

Esto ocurre de acuerdo a la observación y consideraciones que puedan tomar los encargados después de analizar las muestras realizadas del fermento. De esta manera se cierra la compuerta de la marmita y se da inicio a la segunda etapa, la fase anaerobia.

• 6. Inicio de fase anaerobia.

Luego de que se a cumplido la fase aerobia se da inicio a la fase anaerobia, donde se suspende el suministro de oxigeno a la sustancia y a las levaduras del proceso, dando comienzo a la ultima etapa de este proceso de fermentación. Esta inicia cuando se considera que el crecimiento del cultivo de levaduras es de tipo exponencial.

• 7. Finalización fase anaerobia.

Una vez finaliza la etapa anaerobia se abre la compuerta de la marmita y se deja reposar cierto tiempo para que se separe la parte mas liquida, la cual contiene la mayor concentración de etanol. Por parte del personal autorizado se realiza la verificación de la calidad y estado del proceso y una vez se considere viable, se abre la válvula de salida hacia el tanque de descarga y se da por terminado el proceso de fermentación para la cantidad dispuesta en el contenido de la marmita. El sustrato o sustancia densa que queda en el fondo de la marmita luego de terminar el proceso y de extraer el etanol, se expulsa hacia un depósito dispuesto para esta sustancia por medio de una electrovalvula. Luego de esto el sistema, teniendo en cuenta consideraciones técnicas y de funcionamiento por parte del personal autorizado, quedara listo para realizar nuevamente el proceso de fermentación indicado.

En esta etapa la agitación se hace también de manera continua y bastante lenta, y solo hasta cierto tiempo antes de terminar esta fase. Es importante mencionar que durante la etapa aerobia se tiene activado de manera constante el agitador, que permite:

• Tener una buena oxigenación de las levaduras.

• Mantener en continuo contacto las levaduras con toda la azúcar disponible en la marmita.

• Que la manipulación que se pueda ejercer sobre las variables del proceso (temperatura, pH y oxigeno) se han efectivas.

Desde el sistema supervisorio realizado en RSView (la programación del PLC en RSlogix y el supervisorio asociado no se realizan en este proyecto, es mucho mas técnico y depende de los criterios de producción que se adopten al considerar esta propuesta), desde un área de control se podrá monitorear el funcionamiento del proceso y actuar sobre él de forma eficiente y productiva.

Figura 5. Micrologix 1500

Se decide seleccionar un controlador lógico programable (PLC), figura 5, como elemento central y cerebro del proceso, porque permite mayor confiabilidad y eficiencia en el manejo de las variables y del tratamiento de la información que se adquiere de ellas. Además de ser un instrumento industrial muy confiable permite la flexibilidad en el momento que se requiera hacer modificaciones de procedimiento o de equipos dentro del proceso. También, algo bien importante que hay que considerar es el hecho de contar con el conocimiento y experiencia de haber manipulado este tipo de instrumento y de los equipos e interfaz de comunicación que se requieren para efectuar el control.

Se propone realizar un sistema de SCADA para integrar el supervisado y funcionamiento del sistema desde una estación central o desde un lugar alejado de ambientes hostiles y pesados que se puedan generar en este tipo de procesos, que despliega y procesa datos para que los operadores puedan supervisar y evaluar el sistema en tiempo real. Esto permite observar condiciones atípicas o anormales que pueden servir como indicadores de amenazas potenciales.

Resultados

Al plantear la problemática y establecer una posible solución a la misma, se propone llevar a cabo la implementación del sistema descrito a lo largo de este documento con el fin de optimizar el método llevado a cabo en el proceso de fermentación para la obtención de alcohol etílico a partir de la melaza. De acuerdo al estudio realizado para realizar esta propuesta se considera que al tener el sistema funcionando se lograra observar que evidentemente el sistema utilizado satisface las condiciones y requerimientos propuestos inicialmente por las partes.

Adicionalmente, con el paso del tiempo, se lograra obtener importantes resultados que permiten a la empresa ahorrar significativamente consumos de potencia, ejecutar tareas de análisis en forma mucho más continua, aumentar y flexibilizar la producción y contar con información total del estado del sistema en un tiempo dado, lo que resultara valioso para medir características de desempeño y de capacidad de los equipos. Con base en lo anterior, se logra demostrar que el desarrollo de esta aplicación cumple con los objetivos o metas previstas de ganar eficiencia y reducir costos a través de la implementación de un proceso de automatización.

Conclusiones

1. Con la automatización del proceso de fermentación se logra optimizar los recursos disponibles, mayor confiabilidad y seguridad del proceso controlado, mejorar la calidad de producción, enriquecer el conocimiento de los estudiantes con un sistema de automatización de un proceso real del sector industrial, flexibilidad para expansiones futuras

2. Es de anotar que aunque el proceso reviste mejoras y beneficios significativos su implementación inicial es costosa, factor que debe analizarse muy bien en el momento de la planeación y de ser posible descartar otras opciones.

3. Se debe tener en cuenta que debido a los enormes avances tecnológicos que se dan día a día, se hace estar al tanto del surgimiento de nuevas técnicas y dispositivos que ofrezcan ventajas en cuanto a su aplicabilidad en los diferentes ámbitos de la ingeniería en automática industrial en relación a este tipo de proceso productivo, con miras a que se analice su viabilidad y factibilidad de aplicación.

Referencias

CIFUENTES, Julio. Aspectos relevantes de la producción de alcohol etílico a partir de la caña de azúcar. Bogota, 1980. Tesis (Ingeniero Industrial). Universidad de los andes. Facultad de Ingeniería.

GIRAL PEREIRA, José. Fermentos. México, D.F. La Casa de España en México, 1940

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http://members.fortunecity.es/robertexto/archivo5/disoluciones.htm.

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GEPLACEA, "La diversificación de la agroindustria de la caña de azúcar en América Latina y el Caribe". México, 1991.

GOOGLE. Sensores.

www.google.com/dispositivosdemedida/sensores. html

Autor:

Pablo Turmero