DISEÑO DE UN BIOPROCESO, Guías, Proyectos, Investigaciones de Procesos Químicos

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ÍNDICE

• INTRODUCCIÓN
• HISTORIA DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA
• 1.0. FERMENTACIÓN ALCOHOLICA
• 1.1. APLICACIONES EN LA INDUSTRIA
• 1.2. TECNOLOGÍAS INNOVADORAS - 1.3 IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA
• 1.4. PERSPECTIVAS FUTURAS DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA
  • 2.0. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
    • 2.1. BIOMASA
    • 2.3. PROCESO DE CONVERSIÓN DE LA BIOMASA
    • CONVERSIÓN 2.4. VARIABLES O FACTORES A CONTROLAR DURANTE EL PROCESO DE
    • 2.5 DIAGRAMA GENERAL DEL BIOPROCESO
    • 2.6 APROVECHAMIENTO DE SUBPRODUCTOS NO DESEADOS
    • 2.7 PURIFICACIÓN DE EL PRODUCTO DESEADO......................................................
  • CONCLUSIÓN
  • BIBLIOGRAFÍA

HISTORIA DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA

La humanidad ha aprovechado la fermentación alcohólica desde tiempos remotos, utilizando cereales para crear cerveza y uvas para elaborar vino. Los antiguos griegos, en su mitología, atribuyeron el descubrimiento de este proceso a Dionisio, el dios del vino. A lo largo de los siglos, otros métodos como la destilación comenzaron a desarrollarse hacia el año 1150, lo que impulsó el avance de la alquimia en la Edad Media. En el siglo XVIII, científicos como Cavendish lograron identificar el dióxido de carbono como uno de los productos generados durante la fermentación, mientras que Lavoisier realizó experimentos para analizar las proporciones de carbono, oxígeno e hidrógeno involucrados en este fenómeno. Sin embargo, fue en el siglo XIX cuando el entendimiento de la fermentación dio un gran salto. Joseph Louis Gay-Lussac fue uno de los primeros en describir una reacción de fermentación que generaba etanol a partir de glucosa, aunque aún se desconocían sus fundamentos. Durante el siglo XIX, surgió un debate acalorado entre científicos sobre la naturaleza misma de la fermentación. Mientras que químicos como Berzelius y Liebig defendían teorías mecanicistas, Louis Pasteur apostaba por una explicación vitalista. Finalmente, en 1875, Pasteur demostró que la fermentación ocurre en condiciones anaeróbicas. Fue también en este siglo cuando se descubrió que las levaduras son las responsables de la fermentación. Sin embargo, fue en 1897 cuando Eduard Buchner aisló la enzima biomasa, identificándola como el componente esencial de este Los descubrimientos posteriores a partir del periodo que va desde mediados del siglo XX hasta comienzos del siglo XXI se centran exclusivamente en la mejora de los procesos de fermentación alcohólica y conciernen más a la optimización del rendimiento industrial bien sea mediante una buena selección de cepas de levaduras, de una temperatura de funcionamiento óptima, de cómo realizar fermentación en un proceso continuo: biorreactores [1][2].

1.0. FERMENTACIÓN ALCOHOLICA

La fermentación alcohólica es un proceso catabólico que ocurre sin oxígeno, impulsado por ciertos microorganismos. Estos microorganismos convierten la glucosa en etanol, dióxido de carbono y moléculas de adenosín trifosfato (ATP), que utilizan para su metabolismo energético anaeróbico. El etanol producido se utiliza en la fabricación de diversas bebidas alcohólicas, como vino, cerveza, sidra y cava y un sin fin de productos más. Aunque a primera vista parece una transformación sencilla en términos estequiométricos, el proceso de convertir glucosa en alcohol y bióxido de carbono es en realidad muy complejo. Esto se debe a que, simultáneamente, la levadura utiliza la glucosa y otros nutrientes para su propio crecimiento y reproducción. Para evaluar la eficiencia de este proceso, se utilizan indicadores como el rendimiento de biomasa respecto al producto y el rendimiento del producto respecto al sustrato.

• Rendimiento biomasa/substrato (Yx/s): es la cantidad de levadura producida por cantidad de substrato consumido.
• Rendimiento substrato/producto (Yp/s): es la cantidad de producto sintetizado por cantidad de substrato consumido [2][3]. Ciertas levaduras, como Saccharomyces cerevisiae, tienen la capacidad de convertir el ácido pirúvico en etanol y dióxido de carbono, lo que implica la oxidación del NADH. Todas las fermentaciones ocurren en el citosol. En el caso de la fermentación alcohólica, la glucosa se oxida después de pasar por la glucólisis, donde se produce piruvato, NADH y ATP. La producción de etanol depende de la enzima piruvato descarboxilasa, presente en células vegetales, hongos y bacterias. Esta enzima es fundamental en la fermentación alcohólica, especialmente en levaduras como Saccharomyces.

En la industria vinícola, la fermentación es esencial para crear vinos de alta calidad, utilizando frutas o vegetales ricos en azúcares. El proceso de fermentación alcohólica transforma estos azúcares en etanol, lo que no solo aporta sabor y aroma a las bebidas, sino que también contribuye a su conservación. Además, la fermentación alcohólica permite obtener etanol, un combustible renovable que puede usarse solo o mezclado con gasolina, reduciendo la dependencia del petróleo y mejorando la calidad de la gasolina estándar. Esto ayuda a mitigar el impacto ambiental del transporte y ofrece una alternativa más sostenible para satisfacer las necesidades energéticas globales. En años recientes, la fermentación alcohólica ha experimentado avances tecnológicos significativos, mejorando la eficiencia y el control de calidad en la producción de bebidas alcohólicas. Estos avances incluyen el uso de levaduras genéticamente modificadas para optimizar la producción de etanol, sistemas de monitoreo en tiempo real para controlar condiciones de fermentación, y técnicas de purificación avanzadas para mejorar la calidad del producto final. La fermentación también se utiliza en la producción de otros productos valiosos, como enzimas, aminoácidos y ácidos orgánicos, que tienen aplicaciones en diversas industrias, desde la alimentación hasta la cosmética. La capacidad de la fermentación para transformar biomasa en productos de alto valor económico y ambientalmente sostenibles la convierte en una herramienta clave para el desarrollo de una economía circular y más sostenible. Cambios realizados: Reorganización de frases : Se han reorganizado algunas frases para mejorar la fluidez y claridad del texto. Sustitución de palabras : Se han sustituido algunas palabras por sinónimos para evitar la repetición y mejorar la variedad léxica.[4]

Reformulación de ideas : Se han reformulado algunas ideas para presentarlas de manera más clara y concisa.

1.2. TECNOLOGÍAS INNOVADORAS

Los avances innovadores han transformado procesos de fermentación, lo que permite una mayor precisión y eficiencia en su control. Esto se logra a través de técnicas como fermentación criogénica, nanofiltración, electroforesis y sistemas automatizados que monitorean y regulan continuamente los niveles de temperatura y pH. Además, el monitoreo continuo de los niveles de azúcar y alcohol garantiza más productos uniformes, acorta los tiempos de producción y minimiza las posibilidades de contaminación. Uno de los avances más notables es la fermentación continua, que permite la producción de cantidades significativas de etanol de una manera más eficiente. Este logro ha sido posible mediante la utilización de biorreactores de vanguardia y la mejora de cepas de levadura como Mobilis Zymomonas. El control de calidad de la fermentación abarca no solo la supervisión del proceso de producción, sino que también implica la selección meticulosa de materias primas y el manejo de las cepas de levadura. La selección de levaduras es de suma importancia, ya que puede afectar en gran medida el sabor y el aroma del producto final. Las principales empresas de la industria están dedicando recursos a la investigación y el desarrollo, con el objetivo de descubrir y cultivar cepas de levadura que mejoren tanto el proceso de fermentación como los atributos sensoriales del producto final. Para garantizar la calidad y seguridad del producto final, se implementan sistemas de gestión como HACCP e ISO 22000.

Producción de ATP : Desde el punto de vista energético, la fermentación es menos eficiente porque produce 2 moléculas de ATP (Adenosín Trifosfato) a partir de una molécula de glucosa, mientras que en la respiración celular aerobia se producen 38 moléculas de ATP [6]. Importancia de la evolución: Producción de bioetanol: La biotecnología ofrece diversas opciones para la generación de energías renovables. Una de ellas es la producción de bioetanol, el cual se obtiene mediante fermentación. El bioetanol se usa en la preparación de carburantes para vehículos automotores [7].

1.4. PERSPECTIVAS FUTURAS DE LA FERMENTACIÓN

ALCOHÓLICA

Las perspectivas futuras de la fermentación alcohólica están influenciadas por avances tecnológicos innovaciones biotecnológicas y un enfoque creciente en la sostenibilidad y la personalización. La fermentación ha sido un proceso fundamental en la producción de alimentos y bebidas durante miles de años, y en la industria cervecera, es el alma misma de cada producto, desde los rudimentarios métodos utilizados por las antiguas civilizaciones hasta las sofisticadas técnicas contemporáneas, la fermentación ha evolucionado constantemente, adaptándose a las necesidades del mercado y aprovechando avances tecnológicos. Sin embargo, estamos presenciando un punto de inflexión: las nuevas tecnologías, la demanda de sostenibilidad y la búsqueda de productos personalizados están transformando este proceso ancestral en una herramienta de innovación sin precedentes.

Hoy en día, la industria cervecera enfrenta desafíos significativos: consumidores más exigentes, preocupaciones ambientales y una competencia global que obliga a las marcas a diferenciarse no solo en sabor y calidad, sino también en impacto ambiental y funcionalidad. En este contexto, la fermentación no es solo un medio para producir cerveza; se ha convertido en un campo de experimentación y mejora continua. Desde la integración de inteligencia artificial y sensores en tiempo real, hasta el desarrollo de microorganismos personalizados mediante biotecnología, los avances actuales están redefiniendo los límites de lo posible en la fermentación cervecera. [8]. En los avances de la fermentación podemos tener avances impresionantes en la siguiente tabla comparativa se pueden expresar la fermentación tradicional y la fermentación robótica. Características Fermentación Tradicional Fermentación Robótica Precisión Baja Alta Eficiencia Baja-media Alta Escalabilidad Limitada Alta Coste Bajo-medio Alta (inicialmente) Seguridad Media Alta Trazabilidad Baja Alta

Pretratamiento-eliminación de Lignina

La lignina es un compuesto básicamente hidrófobo, Por ello no puede ser disuelto en un medio acuoso, por lo que se introduce en su estructura grupos sustituyentes polares mediante reacciones químicas los cuales tiene la capacidad de estabilizar la disolución lignina en agua. Para la eliminación de lignina en esté proceso se sumerge la muestra en una solución de hidróxido de sodio (NaOH)y sulfato de calcio. Este procedimiento facilita el acceso a los azucare fermentables en material lignocelulósico [11][10].

Desintoxicación de hidrolizados

En esta etapa se requiere eliminar todas las sustancias que se formaron en el pretratamiento y la hidrolisis que son toxicas y hacen imposible el proceso de fermentación [11].

Hidrólisis ácida

Este procedimiento se basa en el rompimiento de un enlace en presencia de agua y tiene como producto varios compuestos. La despolimerización convierte los polímeros complejos (celulosa y hemicelulosa) en azúcares simples. La hidrolisis ácida se lleva a cabo adicionando 50 ml de ácido Clorhídrico o ácido sulfúrico al 5% por cada 100 gramos de cascara de naranja diluido a una temperatura de 125 °C y 15 psi. Los jarabes se obtienen por medio de la centrifugación y detecta el contenido de azucares contenidos [12].

Fermentación

Después de la hidrolisis, se ajusta el pH a 4.5-5.0 con (NaOH) 5N, como nutriente se utiliza 0.25% de fosfato, nitrógeno e inocula con 0.1 % P/V de levadura saccharomyces cerevisiae. En esta etapa se lleva a cabo cambios físicos y químicos con la ayuda de las enzimas donde esta disminuye el acetaldehído a alcohol deshidrogenasa para producir etanol. Se tiene un control de pH y temperatura de la fermentación alcohólica [12].

Destilación

En esta etapa para concluir el proceso de obtención de bioetanol se calienta la solución a 100 °C y se conecta a un condensador, los compuestos volátiles se transforman en vapor y posteriormente se enfrían. Al enfriarse el vapor se condensa de tal manera que se recuperan los componentes de forma líquida [12].

2.4 DESCRIPCIÓN PROCESO DE CONVERSIÓN DE LA

BIOMASA

BIOMASA

La transformación de la biomasa lignocelulósica en etanol se lleva a cabo por medio de varias etapas la primera de ellas es el pretratamiento cuyo propósito es descomponer la estructura vegetal, solubilizar la lignina y la hemicelulosa y así mismo reducir la cristalinidad de la celulosa [10].

CONVERSIÓN

Pretratamiento-eliminación de lignina este procedimiento se basa en hacer reaccionar los derivados de azufre con lignina que la hace soluble debido a sustituyentes sulfonados. La lignina cumple tres funciones primordiales:

• Cuida la celulosa del ataque microbiano
• Resistencia e Impermeabilidad
• Unión de las fibras celulósicas. Es muy importante eliminar esta lignina para que se conserven los polisacáridos como la celulosa y hemicelulosa porque es ahí donde se encuentran azucares reductores, los cuales son los indicadores de la conversión y la degradación. La biomasa lignocelulósica presenta un pretratamiento que debe cumplir con los siguientes aspectos.
• Aumento de la digestibilidad de la hemicelulosa y celulosa en la hidrolisis ácida.
• Evitar la perdida de carbohidratos o su degradación.
• Prevenir los inhibidores para la fase de hidrolisis ácida y fermentación.

Los subproductos obtenidos de la hidrolisis en la biomasa son:

• La lignina, celulosa y hemicelulosa, al romperse sus enlaces producen glucosa, manosa y galactosa entre otros compuestos. Los subproductos generados perjudican el desempeño de los microrganismos y por consiguiente dañan el rendimientos de los procesos de fermentación. Desintoxicación tiene como función eliminar todas las sustancias que se formaron que son toxicas y que hacen imposible el proceso de fermentación. Finalmente en la etapa de la fermentación ocurren los cambios físicos y químicos donde las enzimas reducen el acetaldehído a alcohol y deshidrogenasa para la producción del etanol.

PRODUCTO

El bioetanol es el resultado de la fermentación de la materia orgánica por medio de la acción de los microrganismo.

MERCADO

Este producto es empleado como biocombustible (como alternativas de consumo energético de combustible fósil), además es utilizado en diversas áreas de la industria como la farmacéutica, cosméticas, química, licores entre otras.

2.4. VARIABLES O FACTORES A CONTROLAR DURANTE

EL PROCESO DE CONVERSIÓN

Para la producción de bioetanol a partir de la fermentación de cáscaras de naranja, es fundamental controlar diversos factores y variables que impactan directamente el rendimiento y la eficiencia del proceso. Estos factores se pueden clasificar en etapas clave: pretratamiento, fermentación y condiciones operativas.

• Presencia de nutrientes: Nutrientes adicionales pueden mejorar la actividad metabólica de las levaduras. [13] 3. Condiciones operativas generales Estas variables afectan el proceso global y deben ser monitoreadas cuidadosamente:
• pH: El pH óptimo para la fermentación debe mantenerse alrededor de 4- 5 para evitar inhibición microbiana. [14]
• Temperatura: Las temperaturas entre 30 °C y 35 °C suelen ser ideales para la actividad óptima de las levaduras. [14]
• Tasa de dilución: En sistemas continuos, una tasa adecuada mejora la productividad sin afectar negativamente el equilibrio dinámico del sistema.
• Controladores industriales: Sistemas como PID o Fuzzy pueden optimizar el comportamiento dinámico del proceso, siendo Fuzzy más eficiente en algunos casos.

2.5 DIAGRAMA GENERAL DEL BIOPROCESO