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I. INTRODUCCION

La fermentacin es un proceso metablico energtico que comprende la

descomposicin de molculas, tales como carbohidratos, de manera anaerobia.

Es un proceso que realizan muchos microorganismos, efectuando reacciones sobre

algunos compuestos orgnicos y liberando energa. Hay muchos tipos diferentes de

fermentacin, pero en condiciones fermentativas solamente se efecta una oxidacin

parcial de los tomos de carbono del compuesto orgnico y, por consiguiente, slo

una pequea cantidad de la energa potencial disponible se libera.

La fermentacin ha sido utilizada desde tiempos antiguos en la preparacin de

alimentos y bebidas. El desarrollo qumico ha revelado la naturaleza biolgica del

proceso de fermentacin. El producto de la fermentacin es el alcohol etlico,

pequeas cantidades de propanol, butanol, cido actico, y cido lctico; los alcoholesde alta concentracin tambin se pueden formar. El alcohol etlico est familiarizado

con las bebidas alcohlicas. En su forma no natural es usado como un solvente

industrial y como materia prima para la manufactura de acetaldehdo, acetato etlico,

cido actico, dibromito de etileno, glicol y muchos otros qumicos orgnicos. El

alcohol puro tambin puede ser utilizado para propsitos medicinales, farmacuticos y

saborizantes.

II. OBJETIVOS

Conocer el proceso de fermentacin de melaza de caa de azcar empleando

saccharomyces cerevisiae como microorganismo, para as poder controlar las

variables del proceso adecuadamente.

Obtencin de alcohol mediante el proceso descrito.

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III. MARCO TEORICO

3.1. DEFINICIN GENERAL DE FERMENTACIN

La palabra fermentacin proviene de una adaptacin del trmino en latn fermentare, que

significa "ebullir"; se utiliz porque describa la ebullicin aparente que se observa durante

la fabricacin de vinos, a causa de la produccin del dixido de carbono, gas que se libera

en forma de burbujas y provoca movimiento en el lquido.

El concepto de fermentacin se ha ido modificando con el tiempo y, actualmente, abarca

una gran cantidad de procesos y productos diversos: el trmino se aplica tanto a procesos

muy simples como a los que se desarrollan a escala, por lo que resulta difcil describirlo.

(Hernndez, 2003)

3.1.1. El concepto bioqumico de fermentacin

Desde el punto de vista bioqumico, una fermentacin se define como un proceso

mediante el cual las sustancias orgnicas (sustrato) sufren una serie de cambios qumicos

(reducciones y oxidaciones) que producen energa: al finalizar la fermentacin, se

presenta una acumulacin de varios productos, unos ms oxidados (aceptaron

electrones) y otros ms reducidos (donaron electrones) que el sustrato, con un balance

total de energa positivo. Esta energa es utilizada en el metabolismo de los

microorganismos.

Es importante mencionar que, en el concepto bioqumico, no se consideran como

fermentaciones los procesos en los que participa el oxigeno. Cuando el aceptor final de

electrones es el oxgeno molecular y no una sustancia orgnica, el proceso se conoce

como respiracin.A continuacin se incluyen dos ejemplos de fermentaciones, desde el

punto de vista bioqumico.

La produccin, a partir de glucosa, de etanol y dixido de carbono;

C6H12O6 - - - - - - - - > C2H5OH + CO2 + H2O

La produccin, a partir de glucosa, de lactato:

C6H12O6 - - - - - - - - > C3H5O3 + H2O

(Hernndez, 2003)

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3.1.2. El concepto microbiolgico de fermentacin

Desde el punto de vista microbiologa, en [a actualidad, se entiende por fermentacinaquel proceso en el que los microorganismos producen metabolitos o biomasa, a partir de

la utilizacin de sustancias orgnicas, en ausencia o presencia de oxigeno. La

descomposicin de los sustratos es llevada a cabo por enzimas producidas por los

microorganismos para tal finalidad. Se debe observar que el concepto llega a excluir a los

microorganismos del proceso, siempre y cuando estn presentes sus enzimas; sin

embargo, en estos casos, lavelocidad de obtencin y los rendimientos del producto son

menores. (Hernndez, 2003)

Los microorganismos pueden clasificarse como:

Aerobios, que nicamente pueden metabolizar y crecer en presencia de oxigeno

atmosfrico. Anaerobios, que no solo metabolizan y crecen en ausencia de oxgeno libre, sino

que necesitan que sea eliminado, por serles perjudicial,

Facultativos, capaces de cambiar su metabolismo, de aerobio a anaerobio, en

funcin del ambiente donde se hallen.

Los enzimas o fermentos segregados por los microorganismos son poderosos

catalizadores de naturaleza proteica que, sin embargo, pueden actuar de forma

independiente de la de los respectivos microorganismos que los generan. (Vincent y

lvarez, 2006)

3.2. FERMENTACIN ALCOHLICA

La fermentacin alcohlica es una de las etapas principales que transforman el mosto o

zumo azucarado, en un liquido con un determinado contenido de alcohol etlico, Dura,

aproximadamente, una semana, a una temperatura de 20 0C y se traduce por una

disminucin de la densidad del mosto.

Hay materiales nutritivos como la glucosa que ya contienen oxigeno en su molcula, y

ste participa en la combustin. En el caso de la fermentacin alcohlica, el oxigenonecesario para oxidar carbono y obtener dixido de carbono junto con etanol est

contenido en la propia molcula de glucosa, y esta conversin no requiere el concurso del

oxgeno atmosfrico.

En el caso concreto de la fermentacin alcohlica, al descomponerse la glucosa en

alcohol etlico y dixido de carbono, se desprende slo un 7,33 % de la energa

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susceptible de recuperacin. Desde el punto de vista energtico este rendimiento es muy

bajo, pero lo compensa el hecho de que estas cortas cantidades de energa representan

un verdadero capital productivo.

Gracias a las levaduras presentes en el mosto, los azcares son transformados mediante

un cierto nmero de etapas en etanol y anhdrido carbnico, segn la ecuacin de Gay

Lussac:

C6H12O6 - - - - - - - - > 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP + 25, 4 Kcal

Como se observa, en la fermentacin alcohlica no se quema nada, ni aparece por

ninguna parte el oxigeno de procedencia exterior, que no coopera directamente en las

reacciones. Hoy consideramos las fermentaciones como procesos anaerobios, en

contraste con los aerobios, donde el oxigeno atmosfrico no slo interviene, sino que es

indispensable para su desarrollo.

Estas diferentes reacciones acarrean la aparicin de diversos compuestos, algunos de los

cuales intervienen en la calidad organolptica del producto.

En un envejecimiento prolongado, las levaduras se autodestruyen por la accin de sus

propias enzimas (fenmeno de autolisis), liberando unos compuestos que pueden entrar

en la composicin del producto. (Vincent y lvarez, 2006)

3.3. MELAZA DE CAA DE AZUCAR

3.3.1. Definicin

Las melazas, mieles finales o melazas "blackstrap", suelen ser definidas, por muchos

autores como los residuos de la cristalizacin final del azcar de los cuales no se puede

obtener ms azcar por mtodos fsicos.

La Norma ICONTEC 587 de 1994, define como miel final o melaza (no cristalizable) al

jarabe o lquido denso y viscoso, separado de la misma masa cocida final y de la cual no

es posible cristalizar ms azcar por mtodos usuales (ICONTEC, 1994).

La denominacin melaza se aplica al efluente final obtenido en la preparacin del azcar

mediante una cristalizacin repetida. El proceso de evaporacin y cristalizacin es

usualmente repetido tres veces hasta el punto en el cual el azcar invertido y la alta

viscosidad de las melazas ya no permitan una cristalizacin adicional de la sacarosa

(Swan y Karalazos, 1990).

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La melaza es una mezcla compleja que contiene sacarosa, azcar invertido, sales y otros

compuestos solubles en lcali que normalmente estn presentes en el jugo de caa

localizado, as como los formados durante el proceso de manufactura del azcar. Adems

de la sacarosa, glucosa, fructosa y rafinosa los cuales son fermentables, las melazas

tambin contienen sustancias reductoras no fermentables (Tabla 1). Estos compuestos nofermentables reductores del cobre, son principalmente caramelos libres de nitrgeno

producidos por el calentamiento requerido por el proceso y las melanoidinas que si

contienen nitrgeno derivadas a partir de productos de condensacin de azcar y amino

compuestos (Honig, 1974).

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3.3.2. Clasificacin

La Asociacin Americana de Control Oficial de Alimentos (AAFCO), recomienda diferentes

clasificaciones para las melazas, segn el azcar total y el contenido de humedad, as:

Melaza Superior Blackstrap: Melaza de caa que contiene 23.4% de agua o

menos, y 53.5% o ms de azcares totales.

Melaza Blackstrap: Melaza compuesta por 23.5% a 26.4% de agua y 48.5% a

53.5% de azcares totales (Castro, 1993).

Otra clasificacin de las melazas, se da por el porcentaje de materia slida en peso, o

grados Brix, de la siguiente manera;

Melaza Blackstrap: Es el subproducto de la elaboracin del azcar, cuyo

porcentaje de materia slida en peso (grados Brix), diluido con igual peso de agua

es de 42.5 grados Brix.

Melaza de Caa Alimenticia: Es la melaza blackstrap diluida con agua, hasta una

concentracin en grados Brix, no menor de 39.75; a este producto no se le ha

especificado un valor de concentracin de azcares.

Melaza High Test o Jarabe Invertido: Es el producto obtenido por la concentracin

del jugo clarificado, hasta un porcentaje de materia slida en peso de 85% e

invertido con cido o con invertasa (Castro, 1993).

3.3.3. Composicin

La composicin de las melazas es muy heterognea y puede variar considerablemente

dependiendo de la variedad de caa de azcar, suelo, clima, perodo de cultivo, eficiencia

de la operacin de la fbrica, sistema de ebullicin del azcar, tipo y capacidad de los

evaporadores, entre otros. Por otro lado, la melaza de caa se caracteriza por tener

grados Brix slidos disueltos de 68- 75% y un pH de 5.0- 6.1% (Castro, 1993).

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Tabla 1: Composicin de la melaza de caa de azcar.

Componentes Constituyentes Contenido(P/P)

Componentes mayores

Materia seca 78%

Protenas 3%Sacarosa 60 - 63 % p/pAzcares reductores 3 - 5 % p/p

Sustancias disueltas(diferentes

4 - 8 % p/p

Agua 16%

Grasas 0,40%

Cenizas 9%

Contenido de mineralesCalcio 0,74%

Magnesio 0,35%

Fsforo 0.08%Potasio 3.67%

Contenido de

aminocidos

Glicina 0.10%

Leucina 0.01%

Lisina 0,01%

Treonina 0,06%

Valina 0.02%

Contenido de Vitaminas

Colina 600 ppm

Niacina 48,86 ppmAcido Pantotnico 42.90 ppm

Piridoxina 44 ppm

Riboflavina 4,40 ppm

Tiamina 0.88 ppm

Fuente:Tellez, 2004; Yepez, 1995.

3.4. SACCHAROMYCES CEREVISIAE

Saccharomyces cerevisiae es la especie de levaduras utilizada por excelencia para la

obtencin de etanol a nivel industrial debido a que es un microorganismo de fcil

manipulacin y recuperacin, no es exigente en cuanto a su cultivo, no presenta alto

costo, tolera altas concentraciones de etanol, en la fermentacin produce bajos niveles de

subproductos, es osmotolerante, capaz de utilizar altas concentraciones de azcares,

presenta alta viabilidad celular para el reciclado y caractersticas de floculacin y

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sedimentacin para el procesamiento posterior (Carballo, 2000). La clasificacin

taxonmica de la levadura se observa en la Tabla 2.

Tabla 2. Clasificacin Taxonmica de Saccharomyces cerevisiae

Reino HongoDivisin Amastoqomycota

Clase Ascomycetes

Subclase Hemiascomycetidae

Orden Endomycetales

Familia Sacchaomycetaceae

Subfamilia Saccharomycetaidae

Gnero Saccharomyces

Especie Cerevisiae

Fuente:Carballo, 2000.

Las levaduras, son organismos eucariticos unicelulares, por lo tanto sus estructuras se

encuentran formadas por pared celular, ncleo diferenciado y organelos como ribosomas

y mitocondrias; la formacin de una cpsula de polisacridos, la ausencia o presencia de

vacuolas y el desarrollo de las mitocondrias dependen de las condiciones fisicoqumicas y

de la edad del cultivo (Tuite y Oliver 1991).

Las caractersticas generales de las levaduras se resumen en la Tabla No. 3.

Tabla 3. Caractersticas generales de las levaduras

Caractersticas Levaduras

Dimensiones (micras) 4 - 8

Tiempo de duplicacin (horas) 1 - 3

PH (rango ptimo) 4,5 - 5,5

Nitrgeno (%) 7,5 - 8,5

Protena (%) 35 - 45

cidos nucledos (%) 6 - 12

Carbohidratos (%) 30 - 45

Fuente:Ospina y Palacios, 1994.

Saccharomyces cerevisiae es una levadura cuya colonia es de color crema o blanco,

apariencia hmeda y brillante, de bordes irregulares (Figura 2). La temperatura ptima de

crecimiento es de 25 a 30C. Puede producir ascosporas cuando hay requerimientos

nutricionales adecuados.

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Figura 2. Vista macroscpica de Saccharomyces cerevisiae en medio YPG

Fuente: Manual de Medios de Cultivo. Merk. 2000.

Sus dimensiones son: 2.5 10 micras de ancho y 4.5 21 micras de largo.

Microscpicamente se observan redondas y ovoides, elipsoides, a veces cilndricas y

filamentosas. Fermenta glucosa, galactosa, sacarosa y maltosa y no fermenta lactosa.

Asimila galactosa, sacarosa, maltosa y rafinosa. La aireacin ptima es de 0.6 0.9 vvm

(Ariza y Gonzlez, 1997).

El nombre de Saccharomyces significa azcar de hongos. Producen una fermentacin

vigorosa y es conocida como la levadura de la cerveza, sirve como fuente de enzimas

(invertasa), como extracto de levadura autolisado para sustituir los sabores naturales del

extracto de carne, hace fermentar la masa del pan, interviene en la fabricacin del vino y

como fuente de protena, vacunas, cidos grasos y aceites (Ariza y Gonzlez, 1997).Saccharomyces pertenece al gnero de las levaduras de la familia Saccharomycetaceae;

las clulas son esferoidales, elipsoidales o cilndricas (Figura 3): La reproduccin

vegetativa ocurre por mecanismos multilaterales: los pseudomicelios pueden ser

formados por algunas especies, pero presenta ausencia de hifas verdaderas. En

presencia del 02 las cepas pueden metabolizar oxidativamente sustratos como glicerol,

etanol y lactato (Yepez, 1995).

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Figura 3. Vista Microscpica de Saccharomyces cerevisiae

(http://www.n-t.ru/tp/nr/mk_p02.jpg) .

Saccharomyces cerevisiae y otras especies de levaduras en general, realizan

fermentacin alcohlica, en la cual el etanol es formado a partir de la D-glucosa; ste

azcar es convertido en piruvato por la va de Embden-Meyerhof Parnas en la cual el

piruvato es descarboxilado a acetaldehdo por la piruvato descarboxilasa y la tiamina

pirofosfato y el acetaldehdo reducido finalmente a etanol (Halasz y Laszlity, 1991).

3.4.1. Requerimientos nutricionales

Saccharomyces cerevisiae requiere ciertos nutrientes y condiciones ambientales para su

apropiado crecimiento y reproduccin. Algunos elementos son bsicamente necesarios

como por ejemplo carbono, hidrgeno, oxgeno, nitrgeno y fsforo

(Ospina y Palacios, 1994).

El carbono sirve como fuente de energa y como material constitutivo de la masa celular.

El nitrgeno se encuentra en la clula formando parte esencial de las protenas,

aminocidos y cidos nucleicos; el fsforo se encuentra en los cidos nucleicos, en la

lecitina y en diversos compuestos fosforilados que participan activamente en los procesos

de degradacin oxidativa y de intercambio energtico (ATP, ADP, AMP, NADP). Para que

las fuentes de Nitrgeno, Fsforo y Carbono presentes en el sustrato sean aprovechados

por la levadura se requiere que se encuentren en forma asimilable

(Ospina y Palacios, 1994).

3.4.2. Requerimientos fsico-qumicos

El crecimiento de S. cerevisiae se ve favorecido por un pH prximo a 4.05.0 y no se

desarrollan bien en medio alcalino a menos que se hayan adaptado al mismo. A pesar de

la tolerancia bastante amplia de esta levadura para las variaciones de pH a partir de los

sustratos habitualmente usados en los medios de cultivo forman productos en especial

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cidos que influyen en el crecimiento celular, produccin enzimtica y utilizacin de

glucosa. As por ejemplo, algunas investigaciones han observado que con un pH inicial

del medio a valores entre 4.0 y 4.5 se obtiene mejor crecimiento y utilizacin de glucosa,

mientras que la mxima produccin de enzima se observa a un pH de 3.0

(Tuite y Oliver, 1991).

3.4.3. Composicin qumica

Las levaduras contienen un 75% de agua y un 25% de materia seca aproximadamente.

La composicin de la materia seca de la levadura se presenta en la Tabla 5.

Tabla 4: Composicin qumica de las levaduras.

Componentes Porcentaje (%)

Ceniza 7

Carbohidratos 43

Protena 48

Grasa 2

Fuente:Haehn, 1991.

Las sustancias minerales de las levaduras representan por lo general un 5 9% del peso

seco. Los componentes principales son cido fosfrico, alrededor del 50% y potasio del

30% (Haehn, 1991).

Las sustancias nitrogenadas de la levadura representan unas dos terceras partes de supeso seco (3075%), contienen entre 5 y 12% de Nitrgeno (Castellanos, 1991). Estas

sustancias se reparten en un 64% de protena, 10% de peptonas y aminocidos, 8% de

amonio, 10% de purina y el resto consiste en pirimidinas y vitaminas. El contenido normal

de aminocidos depende de la alimentacin, de la cantidad de oxgeno, de la temperatura

del cultivo, etc. (Tuite y Oliver, 1991).

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4. MATERIALES Y METODOLOGIA

4.1. Materiales

RefractmetroBaldes de plstico

Melazas Levadura

Melazas

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4.2. Diagrama de Flujo para la obtencin de alcohol a partir de melaza

Materia Prima

Dilucin

140Brix 19

0Brix 24

0Brix

Inoculacin

Fermentacin

Trasiego

Destilacin

Rectificacin

Saccharomycescerevisiae

0.5 g/L

Metabisulfito

0.3 g/L

Melaza

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a. Preparacin De La Melaza

Debido a su resistente concentracin de azcar, la melaza no soporta una fermentacin

directa, por lo tanto primero debe ser diluido a la concentracin deseada. Este es llamado

masa, templa o mosto, y presenta los carbohidratos listos para la inoculacin.

La temperatura para una eficiencia alta de la solucin radica en los 30 C. Adems, habr

que acidularse la solucin de melaza, es decir, modificarse su pH hasta obtener uno

aproximado de 4.5 (una opcin es agregarle a la solucin acido sulfrico)

Despus que la melaza es diluida a la concentracin deseada, una mezcladora

automtica ayudar a darle una concentracin homognea para el proceso de

fermentacin, antes de que sea bombeado a una serie de fermentadores.

b. Esterilizacin

Despus de pasar por el tratamiento primario, el caldo deber sufrir pasteurizacin:

calentamiento y enfriamiento inmediato. Un tratamiento ms completo del caldo implica

adicin de cal, calentamiento y posterior decantacin

En general, el enfriamiento del caldo se realiza en dos etapas:

Haciendo pasar el caldo caliente por un cambiador de calor (regenerativo) en

contracorriente con el caldo mixto fro, donde el caldo mixto se calienta y el caldo para

destilera se enfra (60 0C)

Enfriamiento final hasta aproximadamente 30 C, normalmente realizado en cambiadores

de placas utilizando agua en contracorriente, como fluido de enfriamiento.

c. Preparacin del cultivo de la levadura

Preparar el cultivo de microorganismos, en un balde esterilizado, a partir de 5 litros de

solucin de melaza ya preparada, agregando a ella, aproximadamente, 50 g de levadura

liofilizada y aproximadamente 2.5 g de sulfato de calcio o amonio.

Suministrar aire al cultivo hasta que se empiece a producir CO2, manteniendo la

temperatura a 30 0C.

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Agregar el cultivo al equipo de fermentacin manteniendo en todo momento la

temperatura aproximada a los 30 C.

d. Separacin Y Purificacin

El mtodo ms antiguo para separar el etanol del agua es la destilacin simple, pero la

pureza est limitada a un 95-96% debido a la formacin de un azetropo de agua-etanol

de bajo punto de ebullicin. En el transcurso de la destilacin hay que desechar la primera

fraccin que contiene principalmente metanol, formado en reacciones secundarias. An

hoy, ste es el nico mtodo admitido para obtener etanol para el consumo humano.

Para poder utilizar el etanol como combustible mezclndolo con gasolina, hay que

eliminar el agua hasta alcanzar una pureza del 99,5 al 99,9%. El valor exacto depende dela temperatura, que determina cundo ocurre la separacin entre las fases agua e

hidrocarburos.

Para obtener etanol libre de agua se aplica la destilacin aceotrpica en una mezcla con

benceno o ciclohexano. De estas mezclas se destila a temperaturas ms bajas el

azetropo, formado por el disolvente auxiliar con el agua, mientras que el etanol se queda

retenido. Otro mtodo de purificacin muy utilizado actualmente es la adsorcin fsica

mediante tamices moleculares

Para el caso de la levadura, cuando se ha alcanzado en el fermentador un mximo valor

de produccin, en esta fase algunas clulas se dividen y otras mueren donde las clulas

vivas utilizan los compuestos provenientes de las muertas como nutriente, manteniendo la

poblacin constante durante la fase.