Alcohol orgánico: otra alternativa de diversificación

2. Fermentación alcohólica a partir de varios sustratos azucarados
3. Sustratos utilizados en los procesos fermentativos
4. Microorganismos utilizados en la fermentación alcohólica
5. Producción ecológica, nueva variedad con futuro
6. Fermentación láctica
7. Bibliografía

Introducción.

Hay muchas definiciones para describir la biotecnología. En términos generales biotecnología es el uso de organismos vivos o de compuestos obtenidos de organismos vivos para obtener productos de valor para el hombre. Tradicionalmente la biotecnología tiene muchas aplicaciones. Un ejemplo sencillo es en la industria alimenticia, la producción de vino y de cerveza se encuentra entre los muchos usos prácticos de la biotecnología.

La biotecnología moderna está compuesta por una variedad de técnicas derivadas de la investigación en biología celular y molecular, las cuales pueden ser utilizadas en cualquier industria que utilice microorganismos o células. En los últimos años dentro la biotecnología han nacidos nuevas tendencias como son las producciones ecológicas.

El tema de las producciones ecológicas no está ampliamente difundido. Todavía hay una cantidad de productores y consumidores que no tienen una información acabada de este tema. Conviene aclarar que la palabra orgánico, ecológico o biológico, son sinónimos. Todo este enfoque de producción está respaldado por la certificación que le da garantía al consumidor de que lo que está comprando y pagando es realmente lo que es, un producto orgánico, que se verifica e inspecciona desde su fase primaria hasta su fase final de producción. No solamente se estudia la parte biológica, sino también la parte económica y cuáles son los beneficios, fundamentalmente, para el productor.

A nivel mundial este tema sigue creciendo a una tasa constante y sostenida entre un 20 a 25% anual, es decir que es el sector de la producción que crece a mayor tasa en el mundo, y que no es igualado prácticamente por ningún sector de los alimentos. Lo que se ve es el crecimiento de la demanda sobre todo de los países de la Unión Europea, Estados Unidos y el Sudeste Asiático que no logran el autoabastecimiento.

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 miel 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 sulfúrico en los equipos idóneos para el proceso se debe obtener una buena producción de alcohol; pero cual sería la combinación si en vez de querer producir un alcohol por la vía tradicional quisiéramos obtener un alcohol ecológico ya con este fin cambian un poco el proceso, este exige la no utilización de productos químicos como las sales de amonio y el ácido sulfúrico antes mencionados. Habría que buscar otra tecnología para la producción del mismo como un ajuste de pH mediante ácido láctico producido por bacterias lácticas las cuales también mejoran el medio cultivo, es decir hacen un medio más asequible para las levaduras. Un alcohol obtenido por una tecnología como esta seria un altamente cotizado en el mercado internacional lo cual traería grandes beneficios para la economía del país y también desde el punto de vista ambiental estaríamos dando un paso a la conservación de nuestro entorno.

Desarrollo.

1-Fermentación alcohólica a partir de varios sustratos azucarados.

1.1- Generalidades de la fermentación alcohólica.

La fermentación siempre ha sido una parte importante de nuestras vidas: las comidas pueden ser estropeadas por las fermentaciones microbianas, las comidas pueden ser hechas por las fermentaciones microbianas, y las células del músculo usan la fermentación para proporcionarnos las contestaciones rápidas. Podría llamarse la fermentación el personal de vida porque nos da la comida básica, el pan. Pero cómo la fermentación realmente no se entendió hasta que Louis Pasteur en la última parte del decimonoveno siglo y las investigaciones que siguieron.

La fermentación es el proceso que produce bebidas alcohólicas o producto lácteos agrios. Para una célula, la fermentación es una manera de conseguir la energía sin usar oxígeno. En general, la fermentación es degradación de substancias orgánicas complejas en más simples. La célula microbiana o animal obtiene la energía a través de la glucólisis, mientras hendiéndose una molécula de azúcar y los electrones quitando de la molécula. Los electrones se pasan entonces a una molécula orgánica como el ácido del pirúvico. Esto produce la formación de un producto desechado que se excreta de la célula. Productos desechados formados de esta manera incluyen alcohol etílico, alcohol del butílico, ácido láctico, acetona, etc.

Las vías de producción de etanol han variado en diferentes épocas. Antes de la segunda guerra mundial se utilizaba la vía fermentativa, luego fue desplazada por vía petroquímica que consistía en la hidrogenación catalítica del etileno.

Catalizador

CH2 = CH2 + H2 CH3 -CH2 -OH

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 de los hidrocarburos y la vía fermentativa vuelve a competir nuevamente.

Como consecuencia de la crisis internacional del petróleo, el etanol pasó a ser visto como un producto de mezcla, o aún como reemplazantes de gasolinas, esto determinó el establecimiento de numerosas plantas de producción de etanol por fermentación microbiológica (Olguín E .J.; Téllez P, otros, 1988).

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + CALOR D G =234.5Kj

A partir de entonces se inicia la investigación de nuevas fuentes de materias primas, así como la búsqueda de mejoras tecnológicas.

En los países productores de azúcar, resultaron ser las fuentes más prometedoras de carbono para la obtención de etanol, los productos intermedios y subproductos del proceso de producción de azúcar.

Los países 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 los desechos para su hidrólisis enzimática y su posterior conversión a etanol (Blanco C. G, 1982).

Según Quintero (Quintero, R, 1981), de manera esquemática se puede representar la fermentación de la siguiente forma:

Microorganismos + Nutrientes + Cond. Ambientales Fermentación

Productos intracelulares: Proteínas, endotóxinas, etc.

Productos extracelulares: Antibióticos, alcohol, etc.

Es el proceso mediante el cual muchos organismos extraen energía química de las moléculas de glucosa y de otros combustibles en ausencia de oxigeno molecular. La fermentación anaeróbica constituye el tipo más sencillo y 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. Este aspecto se pone de manifiesto en que el etanol es una molécula relativamente reducida es decir, rica en hidrogeno y el CO 2 es una molécula relativamente oxidada, es esto, pobre en hidrógeno.

La fermentación alcohólica transcurre por la misma ruta enzimática de la glucólisis, pero necesita dos etapas adicionales.

En la primera parte, el átomo de carbono α del piruvato es atacado por el pirofosfato de tiamina y experimenta una descarboxilación o sea, perdida de CO2; el coenzima queda en la forma de 2-hidroxietil – derivado que puede considerarse una forma del acetaldehído activado o ligado al coenzima.

piruvato acetaldehído + CO 2

En la etapa final al acetaldehído se reduce a etanol y el potencial de reducción es proporcionado por el NADH + H+, en una reacción catalizada por la alcohol – deshidrogenada.

Acetaldehído + NADH + H+ etanol + NAD+

Las reacciones de la fermentación alcohólica resultan completas en su visión del fenómeno cuando en las mismas se tiene en cuenta la formación de ATP a partir de fosfatos. En realidad, este proceso no puede ocurrir sin la simultánea fosforilación oxidativa del ADP.

C6H12O6 + 2Pi + 2ADP 2CH3 -CH2 -OH + 2CO2 + 2ATP + 2H2O

Durante la etapa de crecimiento de los cultivos, los mismos son sometidos a una oxigenación fuerte, mediante la aireación del medio, lo que permite la utilización de la glucosa por oxidación completa. Este proceso rinde una gran cantidad de energía que en parte es fijada mediante el sistema ADP – ATP y posibilita el desarrollo de reacciones de síntesis celular, que consumen gran cantidad de energía. Una vez que el cultivo en el fermentador ha alcanzado el número de células necesario para la degradación óptima de la materia prima se elimina la aireación y las condiciones anaeróbicas se establecen en el medio por el consumo de oxígeno remanente y el desprendimiento de CO2.

En las condiciones anaerobias, el aporte de energía a las células es muy pequeño comparado con el de la respiración y con las necesidades energéticas de la síntesis lo que implica que en estas condiciones no se produzca el crecimiento celular. La experiencia indica, no obstante, que aún en condiciones anaerobias existe una mínima reproducción celular a expensas y acorde con el pequeño aporte energético recibido por la célula. Este fenómeno es conocido como "Efecto Pasteur" (Quintero,R.R, 1981).

1.2- Sustratos utilizados en los procesos fermentativos.

Los sustratos son componentes del medio capaz de sustentar el crecimiento de microorganismos o la producción de metabolitos secundarios. La función del medio nutriente es idéntica a la de los medios de reacción química, es decir, proporcionar los componentes químicos necesarios y en las 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 medio líquido. Solo en casos especiales se usan medios con nutrientes sólidos o gaseosos. Además de los componentes esenciales, como fuente de carbono y de energía y nitrógeno, el medio debe contener otros muchos nutrientes que se requieren para la propagación de las células microbianas. El ajuste de la composición del medio y las propiedades físico-químicas 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. 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 materia prima varía de un país a otro. Varios autores entre ellos Palacio y Almazána and Horii J.TIBS, 1979, Blanco C.G, 1978, coincidieron en definir 3 tipos de materias primas para la producción de etanol, las cuales son:

a)- Materiales portadores de azúcares simples (tales como caña de azúcar, melazas, sorgo dulce, etc.) el cual contiene carbohidratos como fuentes de azucares.

b)- Almidones (tales como la yuca, maíz, papa, etc) los cuales contienen carbohidratos en formas de almidón como fuente de azúcares.

c)- Celulosas (tales como la madera, residuos agrícolas, etc.) cuyos carbohidratos se encuentran en formas más complejas.

Se incluye un cuarto grupo de materia prima, (Blanco C.G, 1978).

4. Hidrocarburos gaseosos.

En las tres primeras, el alcohol se produce por fermentación de azúcares con levaduras. La materia prima de la primera clase fermenta directamente. La segunda consta de hidratos de carbono complejos, como el almidón, que primero se deben convertir en azúcares fermentables mediante la acción de enzimas.

1. Existen reportes de sistemas semicontinuos en dos etapas: hidrólisis – fermentación para la producción de etanol a partir de almidón de papa usando simultáneamente Aspergillus niger y Saccharomyces cerevisiae, con resultados comparables a los del método clásico de monocultivo pero con tiempos de bioproducción inferiores. La hidrólisis del almidón y posterior fermentación produjo cantidades significativas de biomasa, azúcares simples, y enzimas como productos colaterales al etanol, (Callender,I.J;Barford,J.P, 1983).

2. Las sustancias celulósicas de la tercera clase se convierten en azúcares fermentables por hidrólisis con ácidos inorgánicos. La alternativa de emplear residuos lignocelulósicos en la producción de etanol, constituye hoy día una posibilidad altamente prometedora por su amplia disponibilidad en el mundo. La existencia en los diversos países iberoamericanos, de abundantes recursos lignocelulósicos, justifica la dedicación por parte de estas naciones, de un esfuerzo importante al desarrollo y adaptación de tecnologías tendientes a la utilización integral y racional de los mismos. Como materia prima, se emplean primordialmente el eucaliptus como ejemplo de madera dura, el pino como representativo de madera blanda, el bagazo como residuo agroindustrial y el cardo como ejemplo de cultivo agroenergético, (Brasil Acucareiro. Vol. 99.Ano 82 No 5). La idea de producir etanol a partir de esta vía data de las décadas de 1940 y 1950, y su producción se ha llevado a escala comercial en algunos países, principalmente del mundo desarrollado.

   La cuarta clase de materias primas se obtiene por hidratación del etileno o por hidrogenación del monóxido de carbono (CO). Es evidente que este grupo no es objeto de análisis del presente trabajo pues se obtienen alcoholes por vía sintética y no fermentativa.

   En particular son de interés las materias primas del primer grupo, o sea, las 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 asociada al microorganismo para metabolizar el sustrato sin necesidad de tratamientos previos para la degradación de carbohidratos.

   La producción de etanol a partir de estos materiales generalmente incluyen tres etapas fundamentales, Primero la conversión de carbohidratos en azúcares simples o asimilables por los microorganismos productores de alcohol, después la fermentación de estos azucares a etanol y finalmente la separación del etanol y otros productos por destilación,( Daugulis,A.J;Bbrown,N.N.;Cluctt,W.L.and Dulop,D.B, 1981).

3. Otra alternativa para la fermentación alcohólica es el suero de leche. Este tiene diferentes efectos sobre el proceso, dado por el incremento de la producción de levadura aproximadamente 0.5 toneladas por día de producción aumentando un 0.29 % del porciento alcohólico de la batición y reduciendo el ciclo fermentativo en una o dos horas, Chibata,I.Am. 106,186.1979), (Dahiya D.S;Koshy M.Dhamijass;otros, 1982).

   Hay reportes de metodologías para obtener alcohol a partir de sustratos celulósicos y amiláceos, (Fernández Morales, Georgia y col, 1982) pero que aún no están aplicados industrialmente.

   Se ha estudiado la obtención de alcohol por fermentación en estado sólido con S. cerevisiae en Helianthus tuberosum (Fontes,J.B, 1979) .

   En Cuba siempre se ha empleado la miel final de caña (miel C) como materia prima fundamental para la producción de alcohol etílico , aunque se han realizado varios estudios donde se utilizan las mieles de blanco directo, miel B, etc, por ejemplo, Martínez y Villa, (G.P.Marcos, 1986) realizaron análisis de las mieles de blanco directo y la mezcla de las mismas con mieles finales, recomendando las mejores condiciones operacionales para aumentar la eficiencia en la fermentación alcohólica.

   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, (Galbe,M;Zacchi,G,1994).

   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 mostrado que la incorporación de éste último,a escala de laboratorio ,permiten un rendimiento de alcohol más elevado,( García, R; Valdés I, 1997).

   1.2.1- Miel final.

   Es uno de los substratos más utilizados en los bio-procesos y uno de los más estudiados. En los últimos años la demanda excede la producción, por lo que ha sido sustituida parcialmente por otras fuentes de carbono, (González Ma D; Vázquez M; otros, 1989), (Hernández M.L,1993), (www.sicoar.com.uy/claes "Informe de la FAO, 2001"), (J. Rosevear,A, 1984), (Karsch,T;Ethal,V.and Esser K.J, 1983). Las mieles son siropes viscosos, oscuros que se obtienen como residuo final de la producción de azúcar. Los componentes principales de la miel lo constituye el agua, que se encuentra en su mayor parte como agua libre y otra parte retenida como agua de hidratación, y los hidratos de carbono. El azúcar presente en la miel se encuentra fundamentalmente como sacarosa, glucosa, fructuosa y pequeñas cantidades de manosa en mieles almacenadas. En su composición están presentes los no azucares orgánicos e inorgánicos, entre los que se pueden citar los compuestos nitrogenados, ácidos, aminoácidos, albúminas, vitaminas, ceras, esteroles, lípidos, sales minerales o cenizas etc.

   La miel está constituida también por una fracción de origen mineral de gran importancia en la que se encuentran más de 20 metales y no metales en distintas proporciones. Se reportan varios trabajos sobre el estudio de la caracterización de las mieles de varias destilerías del país entre ellos el de Jover, J. y colaboradores, (Kennedy,J.F, 1979), (Klibansky M, 1985)

   Las propiedades de las mieles fluctúan de acuerdo con la variedad de planta, la que a su vez cambia en función de la zona, época del año y de las condiciones climáticas. Otros factores que afectan la composición de las mieles están relacionados con el proceso fabril que es el único que puede ser modificado.

   La Tabla I muestra la composición media de las mieles de caña y de remolacha, las que no pueden considerarse de forma absoluta, ya que, son magnitudes muy variables.

   Tabla I: Composición promedio de la miel final de caña y de remolacha

   Componente	Miel de caña	Miel de remolacha
   Agua (%)	15-20	16-20
   Materia orgánica (%)	74	72
   Sacarosa (%)	32	50
   Glucosa (%)	14	1
   Fructosa (%)	16	1
   Azúcares totales (%)	62	52
   Nitrógeno total (%)	0.51	1.7
   Proteína Kjeldahl (%)	3.2	10.6
   Ceniza (%)	12.4	7.4

   1.2.2- Jugo de los filtros:

4. Se reportan estudios con cultivos mixtos o microorganismos trabajados genéticamente donde su objetivo fundamental es lograr utilizar sustratos complejos de degradar, que incluso en algunos casos son residuos. Las bacterias Escherichia coli y Zymomonas mobilis y la levadura Saccharomyces cerevisiae han sido objeto de estudios desde el punto de vista genético para ser utilizados en la sacarificación y fermentación de la celulosa, la utilización de residuos agrícolas, sueros y almidones.(David,E, 1978), (Direct Conversion of Starch Hydrolyzate to Ethanol Using A.Inmobilizate of Amyloglucosidae and Saccharomyces Cerevisae in Batch Stirred Tank Reactor.Bioprocesses engineering V7.1992.265—267), (Dr. Kretzchmarh).También se reportan estudios de cultivos mixtos de hongos y levaduras como Trichoderma viride y Pachysolen tannphylus, (Dunm’s A Production Read G.of fermentation alcohol as a fool source Prescott, 1981) Aspergillus ninger y Saccharomyces cerevisiae , (Ethanol and methanol from cellulosi biomass"Fuels and electricity from renowable resources.Un conference on environment and development.Brazil.1992), para lograr estos objetivos.

   Este se considera conflictivo en el proceso de fabricación de azúcar crudo ya que contiene polisacáridos como el almidón y la dextrana que afectan el propio proceso de clarificación y operaciones posteriores a causa del aumento de viscosidad del jugo clarificado, meladura, masa cocida,etc, que afecta inclusive la calidad del azúcar crudo.

   Este jugo debe ser decantado para su uso posterior como sustrato en la fermentación alcohólica. Así, en algunos trabajos realizados, (L Strayer, 1982) donde se verifican los parámetros propuestos por el MINAZ para la fermentación alcohólica de mezclas de miel final con jugo de los filtros con vista a futuras pruebas industriales, se concluye que es necesario clarificar previamente los jugos recomendando el empleo de la poliacrilamida como floculante.

5. Además de los sustratos antes mencionados existen otros que pueden ser utilizados como por ejemplo algunas corrientes del proceso azucarero, y entre ellas del jugo de los filtros de cachaza clarificado,(Kujol P, 1979), (L Strayer,1972), (La industria de los derivados de la caña de azúcar."ICIDCA. Ed. Científico-Técnica.), el cual se puede definir como la corriente intermedia que se obtiene en las operaciones de separación de la torta de cachaza extraída del jugo clarificado en el proceso de fabricación del azúcar crudo. El jugo de los filtros (J.F.) debido a su baja retención tiene aproximadamente un 5% de sólidos insolubles, lo que obliga a recircularlos en cantidades de 10 a 20% con el jugo mezclado en el proceso de fabricación del azúcar, variando esta recirculación de acuerdo a la cantidad de materia extrañas que contenga la caña.
6. En trabajos realizados posteriormente, (La industria de los derivados de la caña de azúcar. " ICIDCA. Ed. Científico-Técnica.), se reporta el empleo del jugo de los filtros clarificados en la fermentación alcohólica con similares resultados.

Se evaluó el jugo de los filtros en la obtención de etanol, llegando a la conclusión que aunque el consumo de jugo por hectolitro de alcohol referido a las mieles se incrementa debido a la disminución de azúcar presente en el mismo, su utilización reporta grandes ventajas desde el punto de vista tecnológico al proceso y como sustituto de una parte de la miel final que pudiera destinarse a otros usos.

1.2.3-Vinazas de destilería.

Las vinazas se obtienen como residuo de la destilación de la batición fermentada.

Existen diferencias significativas entre las vinazas provenientes de miel final de caña y los de remolacha. Casi siempre, los mostos de mieles finales de caña presentan un menor contenido de nitrógeno y un mayor contenido de minerales, que los de cereales o remolacha, por lo cual su utilización en la alimentación animal es más limitada a escala mundial. En la Tabla II se ilustra la composición promedio de la vinaza de destilería de miel final de caña y de remolacha. Hay diferencias que se deben a la composición de la miel final utilizada y la tecnología empleada en la destilería.

 Tabla II: Composición promedio de las vinazas de destilería.

 Las vinazas de destilería pueden ser utilizadas como una de las alternativas para las mezclas de sustratos en la fermentación alcohólica y es desechado de las destilerías, ( Laval Cia,1982), (Otero , M.A y otros,1990). La recirculación de la vinaza provoca una serie de beneficios al proceso de fermentación, entre los cuales se puede citar:

• Fermentaciones más rápidas debido al retorno de los nutrientes, principalmente compuestos nitrogenados y sales minerales.
• Mayor acidez en los fermentadores, por tanto, fermentación más sana.
• Recirculación de azúcares eventualmente no fermentables y de levaduras muertas que van a servir como nutrientes, pues por el calentamiento de la columna son de fácil asimilación por otra célula (termólisis).

Tabla #1. Comparación del rendimiento alcohólico en diversos cultivos.

 1.3- Microorganismos utilizados en la fermentación alcohólica.

Las levaduras al igual que una larga serie de otros microorganismos viven 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 intestino de los animales).

Se diseminan por intermedio de portadores y por el viento, por lo general son organismos monocelulares y se presentan en formas muy variadas desde los esféricos, ovoides y elipsoidales.

Las levaduras son los microorganismos de mas vasto y antiguo empleo por 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 separación después de la fermentación, además producen un contenido de toxinas muy inferior a otros microorganismos, (Palacio,H,1956), (Pelayo O.C,1990).

Ahora bien, el tipo de levadura a utilizar industrialmente debe reunir las siguientes condiciones:

• Ser capaz de fermentar el mosto eficientemente, ya que los monosacáridos no son todos igualmente fermentables y, por ejemplo, las hexosas; glucosa, fructosa y manosa, 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 de vista económico pues es significativo la incidencia del contenido alcohólico que se obtenga en los medios con los costos de recuperación de éste por destilación.
• Tolerar altas concentraciones de alcohol.
• Poseer características estables y uniformes,pues si varían las mismas durante el proceso industrial (por cambios, variaciones o mutaciones), no se garantiza un eficiente proceso.
• Mantener su eficiencia a valores de pH alrededor de 4, ya que, en estas condiciones elimina la posibilidad de una contaminación bacteriana.
• Mantener su eficiencia a valores de temperatura alrededor de 35 oC, ya que en el proceso fermentativo se genera calor, que eleva la temperatura a valores que pueden pasar de 40 oC. Las temperaturas óptimas de producción de alcohol para la mayoría de las levaduras está alrededor de 30 oC. Contar con cepas que puedan ser eficientes a 35 oC es muy conveniente.

Algunas especies capaces de producir fermentación alcohólica son las levaduras Torulopsis, Cándida, ciertas especies Mucor y algunas bacterias, sin embargo, la más importante es la Saccharomyces.

1. 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 mas utilizada en la industria alcoholera. Entre los géneros más utilizados están: Saccharomyces cerevisiae,( Prescott, Samuel Cate,1962), S. ellipsoideus, S. anamensisi, Candida seudotropicalis , (Quintero, R.R,1981), (Revista Centro azúcar N- 1,año 27,octubre –diciembre 2000), C.shehatae,( Rodríguez rodee Armas M.C,1985), S. carlsbergensis, Kluyveromyces marxianus,( Roger P,1978), (Silvia M.G,1981), Candida bytyrii, Pichia stipatis, entre otros,( Pelayo O.C,1990), (Smidrkarl,M;Nejedly,1989).Las levaduras del género Saccharomyces cerevisiae son las más frecuentemente usadas.

En la actualidad existe una tendencia marcada en la utilización de bacterias, entre ellas Zymomonas mobilis, (Suárez M.B; Michelena G.L,1988) que muestra la capacidad de producir etanol a partir de glucosa, con rendimientos y productividades muy atractivas.También se reportan trabajos con cultivos mixtos de Saccharomyces cerevisiae con similares resultados, (Suárez M.B; Michelena G.L).

En los últimos años se han realizado trabajos interesantes a través de la Ingeniería genética en los que se han obtenido, por ejemplo, Saccharomyces cerevisiae transformadas para la utilización de residuos agrícolas, sueros y almidones, (Triantatyllos,R,1994), (Valdés I; García,R,1997), Zymomonas mobilis han sido mutadas para obtener resistencia a altas concentraciones de etanol a través la isoenzima modificada ADH, (Verbina N. Mm; otros,1988), también en la utilización de materiales celulósicos, (Yu-Chun-Yen,1986).

Se reporta el empleo de cultivos mixtos de Saccharomyces cerevisiae – K. fragilis a escala industrial donde se obtienen buenos resultados en los % alcohólicos y rendimiento alcohol-sustrato en destilerías cubanas, (Yuji T; Noriaki S, 1994). También se ha reportado la utilización de este cultivo mixto en el suero lácteo con buenos resultados.

1.3.1- Factores de crecimiento.

Oxigeno:

Las levaduras son microorganismos anaerobios facultativos, aunque se ha probado que en casa proporción son capaces de desarrollarse bajo condiciones anaerobias por completo. En presencia de oxigeno, el crecimiento de la levadura es mucho mas vigoroso que en cultivos bajo condiciones en que no es posible el acceso de oxigeno.

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° C0.342, con lo cual disminuye al aumentar la temperatura (J- White y D. J. Muñiz, 1951).

En la mayoría de la levadura el máximo de temperatura para el crecimiento se halla entre 34 – 47° C. La temperatura determina además la actividad de las distintas enzimas de la levadura, y también en este aspecto las diversas especies reaccionan de forma diferente.

La concentración de iones de hidrogeno:

El crecimiento y la fermentación de la levadura dependen en alto grado de la reacción del medio nutritivo. El pH optimo para el crecimiento de la Saccharomyces cervisiae es entre 4,4 – 4,8. En las alcoholeras se trabaja a un pH alrededor de 4,2 para evitar contaminaciones en el medio de microorganismos indeseables.

Potencial de óxido – reducción:

El rH es la fuerza reductora de hidrogeno gaseoso de una atmósfera de presión, que a sido activada por un electrodo de platino. rH 42 representa el potencial de un electrodo rodeado por oxigeno puro de una atmósfera de presión. Los rH expresan, por tanto, la relación de de hidrogeno y oxigeno de una solución. El punto neutro es 21, correspondiente a un pH igual 7. El margen vital de las levaduras se extiende por lo general desde rH 10 hasta rH 27.5. A ambos lados de esta cifra, el potencial de oxido – reducción resulta toxico. La mayoría de los sacarmicetes prefieren cifras rH alrededor de 20.

Sin embargo las levaduras pueden acostumbrase a vivir a un valor bajo de potencial oxidación y reducción.

1.3.2 – Producción de alcohol convencional.

En el proceso de obtención de alcohol usando 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, brix y nutrientes. El pH se regula 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 amonio para asegurar los mismo.

Cultivo puro:

Se prepara en el laboratorio utilizando materias primas similares a las del proceso industrial en condiciones de absoluto esterilidad, a veces se evita airear a menos que se pueda garantizar esto estérilmente ya que es importantísimo garantizar la pureza del cultivo.

Cultivador:

Se utiliza un medio de cultivo que contiene alrededor de 80 g/L del azúcar utilizado en el proceso, además, del resto de sales que complementan el medio para el adecuado crecimiento de la levadura. Aquí la formación de alcohol es escasa y el crecimiento en la práctica se conduce hasta cerca del final de la fase logarítmica, en que se cuenta una población microbiana abundante.

Pre – fermentador:

No se esteriliza el medio y la pureza del cultivo va lograrse reduciendo el pH hasta valores de 4,2. En esta etapa la aeriación es deficiente y se produce la propagación de la levadura y la formación de alcohol. El pre – fermentador nos garantiza un cultivo de aceptable pureza microbiológica y cierto grado de adaptación al medio alcohólico (Dr. Ing. Maria teresa Hernández, 1986)

1.4 – Producción ecológica, nueva variedad con futuro.

Según un reporte de Posted, (Posted, O Jueves, 2001), en Cuba no solo se pretende producir azúcar orgánica, en varios centros del país se realizan estudios sobre la producción de derivados, entre estos se incluye la producción de pulpa para la industria de papel, filtra para la industria de cerveza, alimentación animal, medicinas veterinarias, y producción de alcohol orgánico entre otros. Cuba es uno de los pocos países que investigan sobre esta línea y ya existen resultados que pronto se pondrán a prueba al nivel de escala que abarque producciones mayores que a escala de laboratorio.

1.4.1- Sobre las producciones ecológicas.

Para nadie es un secreto los avances que existen en el mundo respecto al proceso de fermentación alcohólica y a la obtención de etanol en general, se han realizado miles de estudios y cada uno de ellos trae consigo avances y estadísticas verdaderamente impresionantes desde el punto de vista económico y técnico. Cada día se da un paso adelante en búsqueda del mejoramiento en la calidad y en la eficiencia en este proceso.

Los estudios más recientes se inclinan hacia la obtención de un producto cada vez mas sano para la salud del hombre y que coopere con el saneamiento del medio donde se promuevan estas producciones. Ya en varios países del mundo existen producciones de carácter orgánico y se han realizado varios estudios sobre la producción de azúcar orgánica y sus derivados.

Un informe de la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (Internet: www.sicoar.com.uy/claes,2000), indica que el consumo de alimentos producidos de manera orgánica esta creciendo cada vez más y brinda nuevas oportunidades de mercado tanto para los agricultores como para las empresas. "A pesar de que solo un pequeño porcentaje de agricultores se convierte en productores orgánicos, en algunos países desarrollados este tipo de agricultura representa una franja significativa del sistema alimentario, como 10 por ciento en Austria y 7,8 por ciento en Suecia", preciso un documento difundido por la FAO. "En otros países, como Estados Unidos, Francia, Japón y Singapur, el porcentaje de crecimiento anual es superior a 20 por ciento», añadió el informe, tras aclarar que «para los países en desarrollo no es fácil introducirse en los mercados de agricultura orgánica de las naciones industrializadas". "A los agricultores se les niega el acceso a estos mercados hasta pasados dos o tres años del comienzo de la gestión orgánica de los cultivos, ya que los países desarrollados no certifican hasta pasado ese tiempo que las tierras y el ganado puedan clasificarse como orgánicos, aduciendo que es necesario para la depuración de los residuos químicos". El documento también precisó que "en la mayor parte de los casos, para vender sus productos en los países desarrollados los agricultores tienen que contratar a una empresa de certificación que inspeccione y confirme anualmente que los cultivos responden a criterios de gestión orgánica". "A veces este servicio puede resultar muy caro", destacó la FAO, tras recordar que solo "pocos países en desarrollo cuentan con organizaciones propias para la certificación orgánica". Durante su reunión anual del pasado Enero, los delegados gubernamentales estudiaron las formas de incentivar la agricultura orgánica. Las dos características fundamentales de esta son obligar a la rotación de cultivos para fortalecer los suelos, y prohibir el uso de casi todos los elementos sintéticos disponibles. La reducción del uso de plaguicidas sintéticos tóxicos, que según datos de la Organización Mundial de la Salud (OMS) provocan cada año el envenenamiento de tres millones de personas, mejoraría también las condiciones de salud de las familias que viven de la agricultura. El informe concluye que "para mantener la confianza de los consumidores en la integridad de los productos orgánicos, las naciones tendrían que fomentar las empresas de certificación orgánica propias, y reforzar las reglas en materia, castigando a quienes tomen parte en actividades fraudulentas y persiguiendo y evaluando sistemáticamente el fraude y sus efectos sobre el mercado".

2. Alcohol Orgánico.

El Ingenio Azucarero OTISA (INTERNET, WWW.otisa.com) que actualmente produce azúcar y melaza orgánica para exportación, se ha proyectado al desarrollo de nuevos productos bajo la clasificación orgánica. Por ello lanzaron al mercado su alcohol orgánico, siguiendo la misma línea de producción del azúcar y la melaza, siendo un subproducto obtenido en la fabricación de la azúcar orgánica. Este producto resulta muy atractivo por su esencia y aroma, para la joven industria de los cosméticos orgánicos.

1.4.2.1- Proceso de fabricación.

La materia prima que se utiliza en la fabricación del alcohol orgánico es la miel de azúcar de tercera, más conocida como melaza orgánica, obtenida en el proceso de centrifugado continuo en la producción azucarera. Para poder producir alcohol con la denominación de orgánico es necesario prescindir de agregar sustancias químicas obtenidas por síntesis, tales como ácido sulfúrico, penicilina, urea, fosfato y antiespumante, en algunas etapas del proceso de producción del alcohol.

El alcohol es empacado en barriles plásticos de 200 litros de capacidad

 1.5- Fermentación láctica.

La fermentación láctica consiste en una transformación de azúcar en ácido láctico. Por fermentación láctica se puede entender en la fisiología fermentativa la producción de ácido láctico realizado por bacterias del grupo de ácido láctico, por ejemplo Lactobacillus del bruckii, Streptococcus lactis, etc (Hanse – Jorgensen, 1963).

Ecuación global:

C6H12O6 2CH3CHOHCOOH

Este proceso tiene una gran semejanza con el proceso detallado de la fermentación alcohólica, la carboxilasa interviene descaboxilando el ácido pirúvico, mientras que en la fermentación láctica la cozimasa deshidrogenada deshidrogena el ácido pirúvico.

Morfológicamente las bacterias lácticas aparecen como cocos o como bastones, Los cocos pueden ser diplo o estreptococos, las bacterias en forma de bastón que no posean movilidad, pueden aparecer aisladas o en cadenas. Respecto al tamaño de las bacterias y de la longitud de las cadenas, la familia de las bacterias lácticas presenta grandes diferencias.

Según S.Orla – Jense, al grupo de las lactobacterias "verdaderas" solo pertenecen las bacterias que:

1. son capaces de formar ácido láctico.
2. Precisan de combinaciones nitrogenadas para su crecimiento, es decir, los mismos complejos aminoácidos que el organismo animal.
3. Son gran positivas.
4. Son anaerobia facultativas (no presenta crecimiento superficial o este es escaso).
5. No poseen catalasa.
6. No reducen el nitrato.

1.5.1- Requerimiento nutritivos.

Temperatura de crecimiento.

Algunas especies del genero streptococcus pueden crecer a temperatura que descienden hasta los 3° C (pero casi siempre solo hasta los 10° C). La temperatura óptima para los streptococcus de la leche se encuentra hacia los 30° C.

La temperatura mínima de las lactobacterias bacilares se encuentra alrededor de los 20° C y la temperatura máxima para muchas especies por encima de los 50° C. La temperatura optima se encuentra por lo general entre 30 – 45 ° C, Elsevier, 1990.

Hidratos de carbono.

Para los cocos lácticos, el optimo de hidrato de carbono oscila entre 0.5 y 2 %, mientras que el optimo de carbohidratos para las formas bacilares se encuentra comprendido entre el 2 y e 5 %.

Sin embargo, una concentración azucarada del 2% es especialmente favorable en casi todos los casos. Ahora bien, si se quiere conservar las bacterias con vida en cultivo durante mucho tiempo deben cultivarse sobre medio nutritivos cuya concentración de azúcar no sobre pase el 0.25%, pues el acido formado a partir del azúcar resulta toxico para las bacterias.

También algunos alcoholes superiores pueden ser utilizados como fuente d carbono y ser transformado en acido láctico, Montaño Ortega. M, 1991.

Alimentación nitrogenada.

Como fuente nitrogenada prácticamente solo se puede emplear productos de degradación de la proteína, tales como peptonas, aminoácidos amoniaco. Pero la utilización de aminoácidos y amoniaco dependen en alto grado de la presencia de probióticos. Las lactobacterias están mal equipadas con enzimas proteoliticas, por ello, a la célula bacteriana viva las proteínas deben ofrecerse en forma soluble, en mejor de los casos degradada en parte.

La mayoría de las lactobacterias medran bien en leche, lo que entre otras cosas debe atribuirse a que las bacterias, a pesar de carecer de exozimas proteoliticas, pueden aprovechar los caseinatos coloidales. Si se eliminan estos últimos, la bacteria solo se desarrolla mal. (S.Orla – Jense, N. C. Otte y A. Snog – Kjaer, 1936)

1.5.2- Aplicación de lactobacterias en alcoholeras.

En la fabricación de alcohol se acidifica una pequeña cantidad de macerado a 50° C hasta un 1% de acido láctico, aproximadamente; entonces se esteriliza a 70° C, se refrigera y se mezcla con levadura a 18° C. Cuando fermente este premacerado, se añade al macerado principal, que con ello se acidifica. En ocasiones se prescinde de la esterilización a 70° C, con lo cual las bacterias vivas pasan al macerado principal.

La lactobacterias transforma una parte de las proteínas en combinaciones nitrogenadas solubles, que la levadura puede asimilar con facilidad. Es natural que también aquí juegue un papel de desdoblamiento de la fitina. Esta función es tan valiosa que no se llega a tener en cuenta la esterilización del macerado arriba mencionada destruye la diastasa, que si no podría haber transformado algunas dextrina no fermentables en sustancias fermentecibles (Hanse – Jorgensen, 1963).

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Reinier Abreu Naranjo

Título Universitario: Ingeniero Químico.

Profesor en Centro Universitario "José Martí" Febrero de 2005