Este efecto de inhibición aeróbica se conoce con el nombre de reacción o efecto Pasteur. Tal efecto no se produce cuando en lugar de células vivas se utilizan extractos de levadura. Se manifiesta, sin embargo, de nuevo, si se añaden al sustrato enzimas óxido-reductoras. Podría suponerse que el efecto era causado por algunas enzimas desconocidas. Lo que hoy se sabe acerca de las modificaciones producidas por el efecto Pasteur indican que no es probable que tales enzimas sean los únicos agentes que afectan el mecanismo de control. Se han supuesto muchas explicaciones del efecto Pasteur, entre ellas las expuestas por Nord y Weiss, pero sin señalar exclusivamente la causa de este efecto a una enzima especifica, más bien se inclina por explicarlo a partir de varios factores combinados. (Sánchez, 1996; Navarro, 2009).
En 1897 el químico alemán Eduard Buchner, descubrió que un extracto de levaduras libre de células puede producir fermentación alcohólica. Preparó un jugo de levaduras (que tenían la propiedad de producir a partir de azúcar, etanol y dióxido de carbono), triturándolas con arena y sometiéndolas a elevada presión. La antigua incógnita fue entonces resuelta, la levadura produce la enzima y esta lleva a cabo la fermentación. (Enciclopedia, 2002; Navarro, 2009). Este descubrimiento prestó gran empuje a los estudios subsiguientes sobre las reacciones intermedias de la fermentación alcohólica. Luego, el primer paso importante para aclarar el mecanismo bioquímico de la fermentación lo dieron los alemanes quienes observaron que la fermentación podía producirse sin las células vivas de levadura, demostrando así por vez primera que este proceso metabólico se llevaba a efecto catalizado por enzimas o fermentos. (Sánchez, 1996; Navarro, 2009). El dióxido de carbono y el etanol, son el resultado principal de la fermentación alcohólica, pero se descubrió pronto que durante el proceso fermentativo se encontraban presentes otros productos, aunque en cantidades pequeñas, tales como el acetaldehído (CH3CHO), glicerol (CH2OH-CH-OH-CH2-OH), ácido pirúvico (CH3CO-COOH) y otros. En 1905 Harden y Young descubrieron la importancia de los fosfatos en la fermentación sin células. Demostraron que durante la primera parte de la fermentación desaparecen los fosfatos inorgánicos mientras se producen fosfatos orgánicos, como ésteres de hexosa.
El difosfato de hexosa es un intermediario importante en los esquemas de Embden –Meyerhof y otros autores, sobre el desdoblamiento de los hidratos de carbono. Este compuesto tiene dos restos de fosfato o ácido fosfórico, unidos al primero y al sexto átomo de carbono de la hexosa, que parece ser la fructosa. Se han procesado dos monofosfatos de hexosa que tienen propiedades distintas:
El éster de Robinson ( éster – 6 – fosfórico de la glucopiranosa)
El éster de Neuberg ( éster – 6 – fosfórico de la fructofuranosa)
Robinson y Morgan han aislado un fosfato de la trehalosa a partir de una fermentación llevada a cabo con levadura desecada. El esquema de Neuberg para el mecanismo de la fermentación alcohólica está basado en parte, en el hecho de que el ácido pirúvico es un intermediario y fermenta a una velocidad igual a la de la glucosa y también en la posibilidad de aislamiento de una triosa.
La formación de la glicerina que sobreviene pasajeramente durante la fermentación alcohólica se puede proseguir de formas diferentes. C. Neuberg y L. Hirson agregaban sulfito o bisulfito de sodio, con lo cual se fijaba el acetaldehído y por ello, no podía actuar como aceptor de hidrógeno. Esta forma de fermentación glicérica se denomina segunda ecuación de Neuberg. La cantidad de glicerina formada en estos procesos depende de la especie de la levadura y de la composición del líquido fermentativo.
(Segunda ecuación de Neuberg)
Desde el punto de vista teórico, de 100 kg de hexosa deberían formarse 57 kg de glicerina, pero en la práctica esta cantidad difícilmente rebasa los 20 kg y además de glicerina también se forma algo de alcohol, ya que debido a la acción tóxica de sulfito, a la levadura no se le puede agregar tanta cantidad de sulfito como para fijar el aldehído.
Así mismo, Neuberg ha demostrado que la glicerina también puede obtenerse en grandes cantidades cuando la fermentación se efectúa en sustrato alcalino, es decir, con un pH = 8.95. Entonces no se produce ninguna desasimilación entre los fosfatos de triosa, con la cual el azúcar se descompone en glicerina, acetaldehído y dióxido de carbono.
Evidentemente, ha quedado bien establecido que las enzimas de los microorganismos son las responsables de que un sustrato, de origen azucarado, amiláceo o celulósico, pueda ser transformado en el producto de nuestro interés (alcohol etílico). (Sánchez, 1996; Navarro, 2009)
Tradicionalmente las levaduras, han sido las más utilizadas para esta transformación de los diferentes sustratos, entre ellas podemos citar:
Saccharomyces cerevisiae.
Saccharomyces anamensis.
Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus.
Candida seudotropicalis.
Kluyveromyces marxianus.
Kluyveromyces fragilis.
Saccharomyces carlbergensis.
Saccharomyces uvarum.
Fermentación alcohólica
Fermentación:
No es más que la degradación de las moléculas combustibles, para los seres vivos, para obtener energía.
La fermentación alcohólica es el proceso principal para obtener alcohol etílico. Diferentes procedimientos tecnológicos pueden ser:
Método Melle – Boinot.
Sistema Jaquemine.
Sólido.
Sumergido.
Inmovilizada.
Al vacío.
Fermentación Método Melle – Boinot
Este sistema concibe la idea de recuperar la levadura contenida en baticiones fermentadas y utilizarlas en fermentaciones posteriores. Se previene la contaminación bacteriana al tratar la crema centrifugada con ácido sulfúrico a pH 1.5 – 2.0 durante 2 horas. Algo muy importante es que se requiere una temperatura de 32 ºC en fermentadores. Si se compara este método con el sistema Jaquemine, vemos que posee una mayor productividad y además permite la recuperación de levaduras que pueden ser destinadas a la alimentación animal y la recirculación de la misma.
Si vemos las condiciones objetivas de Cuba este sistema resulta peligroso y caro ya que el riesgo de la contaminación siempre está presente y esto equivale a pérdidas sustanciosas en tiempo y dinero. Por otro lado es un sistema caro ya que para mantener la temperatura de los fermentadores en 32 ºC se requiere de una planta de refrigeración que es sumamente costosa. Si a esto le sumamos la centrifugación y separación de levaduras, entonces se encarece aún más. (David, 1986; Navarro, 2003; Navarro, 2008; Navarro, 2009)
Fermentación Sistema Jaquemine
El proceso de fermentación discontinua consiste en realizar las fermentaciones en fermentadores independientes unos de otros, mediante la adición en cada uno de ellos del fermento y la miel diluida. La etapa inicial del ciclo es la necesaria limpieza del fermentador. La etapa de llenado del fermentador, como un paso más en el desarrollo y multiplicación de las levaduras la podemos acometer de 3 formas diferentes:
1. De modo lento y continuo.
2. En tres o más etapas de llenado llamadas "refrescos".
3. De modo rápido y continuo.
La elección del método depende fundamentalmente de los recursos de refrigeración disponibles, ya que el propósito es evitar la elevación de la temperatura más allá de los niveles aceptados por los microorganismos. (David, 1986; Sánchez, 1996; Navarro, 2003; Navarro, 2008; Navarro, 2009). El proceso industrial de obtención de alcohol lleva dos etapas, una aeróbica y otra anaeróbica
Etapa aeróbica:
Para obtener etanol es necesario primeramente la reproducción de las células de los microorganismos empleados en el proceso, ya que a mayor población de microorganismos en el proceso obtendremos mayor cantidad de etanol. Esto se logra durante la etapa aeróbica durante la cual se adiciona el oxigeno necesario para que los microorganismos se multipliquen. (David, 1986; Sánchez, 1996; Navarro, 2003; Navarro, 2008; Navarro, 2009)
Etapa anaeróbica:
Esta es la etapa final del proceso de fermentación. Es un sencillo y primitivo mecanismo biológico que permite la obtención de energía de las moléculas nutritivas (azúcares). Esta etapa ocurre en ausencia de oxígeno. (David, 1986; Sánchez, 1996; Navarro, 2003; Navarro, 2008; Navarro, 2009)
Fermentación sólida
Este tipo de fermentación ocurre en ausencia de líquido y generalmente en frutas, materias azucaradas y materiales lignocelulósicos, puede ocurrir espontáneamente o mediante el empleo de levaduras, hongos o enzimas. Ocurre generalmente en bandejas (Dustet, 2006; Navarro, 2009).
Fermentación sumergida
Este tipo de fermentación, es la que se realiza dentro de los fermentadores en presencia de líquido (Navarro, 2003; Navarro, 2009).
Fermentación inmovilizada
Este es un tipo de fermentación novedosa, y dentro de ella las células inmovilizadas son las más empleadas. Este es un proceso más eficiente donde se han variado las levaduras y los azúcares a fermentar con la finalidad de obtener alcohol etílico.
En la producción de glucosa y celobiosa (Herrera, 1981, Navarro, 2009) se ha inmovilizado la enzima a – glucosidasa de Aspergillus phoenicis en presencia de alúmina y celulosa para la hidrólisis de los materiales lignocelulósicos. Se han utilizado las células de Saccharomyces cerevisiae inmovilizadas en alginato para producir etanol a partir de glucosa (Biotech and Bioeng, 1995; Navarro, 2009).
En 1994, Sauroman ha utilizado células de Pichia stipitis inmovilizadas para producir etanol a partir de xilosa.
En 1992 Iconomou, en Grecia ha utilizado células de Saccharomyces cerevisiae en gamma – alumina Houndry Ho 415 pellets cilíndricos para reducir los costos de producción del etanol a partir de melazas.
Se ha desarrollado la sacarificación con células inmovilizadas de hongos Aspergillus awamori y comparado lo resultados con los de la sacarificación con células de Saccharomyces pastorianus para producir etanol a partir de celulosa (Fujii y colbs, 2001; Navarro, 2009).
En Brasil se está utilizando la tecnología Lentikats para la inmovilización de células de Zymomonas mobilis en gel PVA (alcohol polivinílico), el cual es más barato, no es tóxico, no es biodegradable y posee una buena estabilidad mecánica, entre otras propiedades (Rebros y colbs, 2006; Navarro, 2009).
Evolución de la destilación y la rectificación
El primer tratado sobre destilación fue publicado por Arnaud de Villenove en 1478, pero fue Raymond de Lluye en España el primero en divulgar la destilación en Europa. El francés Charentel destiló vino de mala calidad, apareciendo el brandy (González, 1997; Navarro, 2009). Simultáneamente con el gran progreso en el campo de la fermentación ocurrió un notable progreso en los equipos mecánicos de las destilerías. A fines del siglo XIX aparecieron los aparatos de destilación con calderas múltiples, que representaron un gran avance en relación con los alambiques simples. El desarrollo técnico del siglo impulsó la industrialización del alcohol, sus múltiples usos lo convirtieron rápidamente en uno de los productos industriales de mayor valor y significación.
Durante el siglo XX otros acontecimientos científicos e innovaciones tecnológicas han hecho progresar notablemente esta industria y en poco tiempo han ejercido una influencia modernizante y progresista en las destilerías de alcohol (David, 1986; Navarro, 2009).
Destilación y rectificación
La destilación tiene por objeto separar uno o más líquidos entre si o de sustancias disueltas en ellos, aplicando los fenómenos de vaporización y condensación.
Es evidente que cuando se evapora una mezcla de dos líquidos, la cantidad proporcional del componente más volátil será mayor en los vapores que en la mezcla líquida original. Si estos vapores son condensados sucederá que en la nueva mezcla líquida que se obtiene, la cantidad proporcional del componente más volátil será igual a la de los vapores. Esta operación se denomina destilación simple y se aplica en muchos procesos industriales y de laboratorio. En sus primeros tiempos la industria alcoholera utilizó la destilación simple mediante aparatos llamados alambiques.
El alambique consiste en un recipiente cerrado que tiene en su parte superior un tubo conectado a un serpentín por cuyo exterior se hace circular agua. Dentro del recipiente se pone el líquido a destilar y se le aplica calor hasta alcanzar el punto de ebullición. Los vapores emitidos pasan al serpentín, donde se condensan. Este es el procedimiento primitivo de destilación para fabricación de aguardiente.
Si repetimos sucesivamente las operaciones descritas de destilación y condensación simple, es posible obtener un líquido en el que progresivamente aumentará la concentración de alcohol, tal operación es la destilación fraccionada.
Los vapores emitidos no se condensan totalmente de una sola vez en un condensador, sino en 2 ó 3 etapas, en otros tantos condensadores en serie, por lo que se obtendrá en los distintos condensadores, líquidos de diferentes composiciones. Si la mezcla es de agua – alcohol, el líquido del primer condensador será más rico en agua que el obtenido en el segundo condensador y el de este a su vez será más rico que el del tercero. Este es el fundamento de la condensación fraccionada.
En la industria alcoholera el proceso denominado genéricamente destilación, consiste en la destilación, seguida de rectificación y condensación fraccionadas (David, 1986; Navarro, 2009).
En las últimas décadas del siglo XX se desarrolló la destilación al vacío, en la destilación alcohólica con el objetivo de mejorar esta operación disminuyendo el tiempo requerido para destilar y reduciendo las temperaturas de ebullición de los líquidos. Es decir es un método para destilar sustancias por debajo de su punto de ebullición. Cuanto mayor es el grado de vacío, menor es la temperatura de destilación. Por lo que la principal ventaja de este método es la utilización de bajas temperaturas (Domenech, 2006; Navarro, 2003; Navarro, 2009; www.alambiques.com).
Obtención del aguardiente industrial
Tiene lugar en la columna destiladora, la cual tiene la función de extraer del líquido fermentado la totalidad del alcohol que este contiene. Tal extracción es llamada destilación y proporciona un producto de composición compleja que contiene 40 – 70 % de alcohol en volumen y cantidades importantes de aldehídos, esteres, ácidos, alcoholes superiores y agua. Este producto es el que se llama aguardiente en el lenguaje de oficio, pero de acuerdo a la terminología técnica se denomina flegma. Si esta flegma o aguardiente es sometida a una rectificación posterior obtendremos un alcohol de calidad apropiada (David, 1986; Navarro, 2009).
Obtención del alcohol de cabezas
El alcohol de cabezas se obtiene en los condensadores de la columna rectificadora. La columna rectificadora, tiene la función de obtener en el mayor grado de pureza posible, el alcohol contenido en las flegmas o aguardiente procedente de la columna destiladora.
Esta columna funciona bajo el mismo principio de destilación que la destiladora: Un líquido que desciende a contracorriente con vapores, ocurriendo en cada plato una condensación y una vaporización con el consecuente enriquecimiento de los vapores en alcohol. Entre ambas columnas existe una importante diferencia de operación: La destiladora se alimenta en un plato superior y la rectificadora en un plato inferior.
Una vez obtenidos los vapores alcohólicos en la columna rectificadora, estos pasan a los condensadores. Aquí es donde se produce el alcohol de cabezas. Del flujo que al primer condensador llega, una parte es retrogradada a la columna para mantener la relación de reflujo necesario que permita la calidad del alcohol pasteurizado. La otra parte es conducida hasta el condensador secundario, donde ocurre la misma operación, ya que la condensación es también fraccionada, luego esta corriente pasa al condensador terciario, donde se termina de completar la operación.
Hay dos teorías clásicas, enunciadas a fines del siglo XIX por dos eminentes científicos franceses, a quienes se debe fundamentalmente el desarrollo de la rectificación continua.
Ernesto Sorel sostiene que la eliminación de una impureza en la rectificación es dependiente del grado de solubilidad de esa impureza en alcohol concentrado y caliente. Su idea tiene una expresión matemática muy sencilla.
i = K * I
Donde: i – peso de la impureza contenida en 1 kg de vapor.
K – coeficiente que es función de la composición del líquido generador.
I – peso de la misma impureza en 1 kg de líquido generador de vapor.
El valor de K fue obtenido experimentalmente para distintas impurezas en flegmas típicas y es conocido como el coeficiente de Sorel.
Emilio Barbet admite la diferencia de solubilidad de las impurezas, pero se apoya preferentemente en las diferencias de los puntos de ebullición de las impurezas con respecto al alcohol etílico. Unas tienen un punto de ebullición inferior al alcohol etílico y otras superior.
Barbet determinó el coeficiente K" y lo llamó coeficiente de purificación, el cual relaciona la concentración de las impurezas y la del alcohol, tanto en el líquido como entre los vapores.
K" = (i / d) / (I / D) I / D = e y i / d = s entonces K" = s /e
Donde: i – peso de la impureza en 1 kg de vapor.
I – peso de la impureza en 1 kg de líquido.
d – peso del alcohol en 1 kg de vapor.
D – peso del alcohol en 1 kg de líquido.
También Barbet determinó valores de K" para diversas impurezas.
El líquido resultante de la condensación parcial de los vapores en el calientavinos, es retornado o retrogradado al plato más alto de la columna. Este líquido contiene más agua, es decir, es menos rico en alcohol que el obtenido en el segundo condensador. Entra al plato superior y desciende para terminar uniéndose a la batición que entra en el plato de alimentación. En el descenso hace contacto con los vapores ascendentes y mediante los mecanismos ya explicados, los vapores se enriquecen en los productos más volátiles, en tanto en el líquido permanecen el agua y los componentes de punto de ebullición más alto.
Los primeros vapores despedidos serán ricos en los productos más volátiles, es decir, de más bajo punto de ebullición, como son los aldehídos, en consecuencia, el producto obtenido en la primera fase de la rectificación será un alcohol con alta proporción de productos más volátiles que él. En el oficio este producto se llama alcohol de cabezas o simplemente cabezas (Palacios, 1956; David, 1986; Navarro, 2009).
Conclusiones
Teniendo en cuenta todo lo antes expuesto se puede considerar que la industria alcoholera a partir de materias primas azucaradas, es una industria en crecimiento sostenido. Acontecimientos científicos e innovaciones tecnológicas en los últimos 30 años, han hecho progresar notablemente esta industria y en poco tiempo han ejercido una influencia modernizante y progresista en las destilerías de alcohol.
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14. Sánchez O. Monografía, Obtención de bioetanol. CENDA, Cuba. 1996.
15.
Verónica Navarro Hernández: Especialista del Grupo de Control de Calidad. Dirección de Aseguramiento del CENSA. Graduada de Ingeniera química–tecnóloga y Master en Ingeniería Alimentaria (ISPJAE, 2009). Con 16 años de experiencia en destilería y tres años en laboratorio de control de producciones biofarmaceúticas.
Autor:
Verónica Navarro Hernández
Grupo de Control de Calidad. Dirección de Calidad. Centro Nacional de Sanidad Agropecuaria (CENSA). Carretera de Tapaste y 8 Vías. Apdo 10, San José de las Lajas, La Habana, Cuba
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