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Capitulo II
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INFORMACION
2.1 Bebidas no Alcohólicas.
Fig. 1 Bebidas no Alcohólicas
Según A Madrid V., (1989) las bebidas no alcohólicas son aquellas que no tienen
alcohol etílico en cantidad superior a 0,5% en volumen, pueden contener gas carbónico o
no y normalmente se preparan a base de uno o más de los siguientes componentes:
Jugo, pulpa, jugos concentrados, leche, extractos, infusiones, maceraciones y agua.
Según su historia el origen de las bebidas no alcohólicas se inicia en la
aromatización de aguas minerales que se consumían en balnearios y playas. La historia
también nos indica que su origen nace con la producción de cervezas sin alcohol
(elaborada con hierbas) y/o la producción de refrigerios a base de vegetales. (Formoso,
1990)
Estos productos podrán contener: extractos aromatizantes naturales (extracto de
cola, esencia de cítricos, etc.), acidulantes (Ac. fosfórico, Ac. cítrico, etc.), colorantes
(color caramelo, carotenoides, curcuminas, clorofilas, antocianos, etc.), conservantes
(sorbatos, bezoatos, etc.), estimulantes (cafeína, quinina, etc.), edulcorantes (sacarosa,
sacarina, aspartame, etc.). (Calvo, 1991)
Existen distintos tipos de bebidas sin alcohol, por ejemplo, las aguas tónicas son
aquellas bebidas preparadas a base de extractos como esencias de limón, pomelo u otras
frutas cítricas, el Ginger Ale es aquella preparada a base de extracto de jengibre soluble
en agua, el Guaraná es la bebida preparada con semillas de Paullinia cupana Kunth o sus
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variedades. Por su parte las bebidas no alcohólicas llamadas artificiales son las que se
preparan con esencias artificiales y mezcla de éstas con extractos naturales, también
pueden ser preparadas por compuestos químicos aislados de las mismas. (A Madrid,
1989)
2.2 Bebidas Carbonatadas: Igual que las aguas de mesa, la elaboración de las bebidas
carbonatadas es fácil pero la producción del jarabe concentrado es la operación más
complicada y la más importante, normalmente el jarabe se produce en una planta central
desde donde se distribuye. Las materias básicas que se utilizan en la elaboración de las
bebidas carbonatadas son cuatro. (Moncada, 2006)
2.2.1 Agua tratada.- El agua, como componente mayoritario de las bebidas, es la
materia prima más importante de la calidad sensorial de la bebida. La calidad del
agua depende del origen. Varía por el tipo de fuente de suministro y de acuerdo al
lugar de dicha fuente. Generalmente es necesario tratarla para, garantizar su
salubridad y para hacerla adecuada al proceso de producción según las
especificaciones exigidas por las compañías de las marcas registradas. El tratamiento
consiste en eliminar la materia orgánica, reducir la materia coloidal, reducir la
turbidez, disminuir las sales solubles y eliminar la presencia de microorganismos.
(Varman, 1997)
El agua que se utiliza se obtiene de pozos, desde los cuales se bombea hasta un
tanque, que es llamado tanque cisterna, en este tanque se añade cloro e hidróxido de
calcio para precipitar todos los sólidos en suspensión, posteriormente se reduce los
sólidos disueltos y se eliminan los microorganismos.
Con la intervención de procesos químicos en los que se utilizan hipoclorito de sodio
como agente oxidante, floculantes como el sulfato ferroso y los procesos físicos de
filtración por arena, intercambio iónico, filtración por carbón activado y filtro pulidor se
consigue que el agua pueda convertirse en agua tratada y de esta manera liberarla
de impurezas, dándole mejores propiedades fisicoquímicas y sensoriales.
2.2.2 Jarabe concentrado.- El jarabe concentrado, es la materia básica en la cual se
encuentran disueltos los ingredientes de la formula base o “formula secreta” de las
bebidas carbonatadas de cada marca registrada, esta operación se lleva a cabo en
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plantas especiales en las cuales se realizan las mezclas de los ingredientes
comprendidos para cada producto o sabor. Los ingredientes más comunes y de
mayor uso para la elaboración del jarabe concentrado son los siguientes:
2.2.2.1 Edulcorantes: Existen los de origen natural y sintético.
a) Naturales.- Se obtienen de vegetales principalmente, son conocidos como
glúcidos, carbohidratos o sacáridos. Se caracterizan por ser una clase de
biomoléculas que se dividen en: monosacáridos, oligosacaridos y
polisacáridos. Los más usados son los azucares que pertenecen al grupo de
los oligosacaridos y monosacáridos, entre ellos tenemos a la sacarosa y al
jarabe de glucosa.
b) Sintéticos.- Los mas utilizados son los ciclamatos y sacarinas pero se cree
que pudieran ser cancerígenos por lo que ahora se utilizan el aspartame,
acesulfano K, Neohesperidina DC, etc. (Formoso, 1990)
2.2.2.2 Aromatizantes: El componente aromático del jarabe, es el que tendrá una
mayor influencia en el olor y el aroma final del producto. De todos los
aromatizantes que existen los más usados son los siguientes:
Aroma a frutas.- Los más comunes son los de cítricos, piñas, bayas,
frambuesas, etc.
Raíz de cola.- Es muy utilizada en refrescos de cola, ejemplo: Coca Cola,
Pepsi Cola, etc. (Badui, 1996).
2.2.2.3 Acidulantes: Los acidulantes tienen gran importancia sobre la calidad final
de los refrescos, además de darle un gusto característico ácido al medio
contribuye con la estabilidad cromática y microbiológica del producto obtenido. Se
recomienda tener en cuenta el balance entre la concentración del acidulante y la
de los azúcares. El más empleado de los acidulantes es el ácido cítrico y los de
menor aplicación son: el ácido ascórbico, el ácido fumárico, el ácido fosfórico, etc.
(Genebois, 1992)
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2.2.2.4 Colorantes: Se emplean para darle el color y la apariencia de las bebidas
y en algunos casos reforzar el sabor, es muy importante su comportamiento en las
condiciones de almacenamiento de los refrescos. Deben ser estables frente a la
luz, frente a los ácidos y frente a sustancias conservantes e incluso a sustancias
aromatizantes. Va a variar su color dependiendo de la acidez del medio.
Existen dos tipos: Naturales y sintéticos, los naturales de mayor uso son los
siguientes:
Carotenoides.- Son compuestos que tienen 40 átomos de carbono y su cadena
a veces presenta anillos, el más importante es el β-caroteno (amarillento), se
presentan también en colores naranja y rojo.
Antocianos.- Es un colorante natural que se utiliza habitualmente, confieren
colores azulados-violetas aunque dependiendo del pH también dan rojizos.
Caramelo.- Se utiliza en el refresco de cola, el más utilizado es el de tipo IV
sulfito de amonio que se obtiene calentando azúcar con sulfato amónico. Además
de edulcorantes y colorantes son emulsionantes.
Sintéticos: Los más conocidos son los siguientes.
Azoicos.- Son muy estables y de alta capacidad cromática aunque existen
dudas de que si son o no cancerígenos, confieren tonalidades muy fuertes.
Poliméricos.- Son colorantes que se unen a un polímero para darles mayor
estabilidad aunque pierden poder cromático y son más caros. (Calvo, 1991).
2.2.2.5 Conservantes: Son útiles para evitar contaminaciones aunque las propias
características de las gaseosas hacen difícil una contaminación, los principales son:
SO2 y en general los sulfitos (H2SO3, HSO3- y SO3
=).- Se añaden como sales y
no son habituales en refrescos carbonatados ya que les dan sabor amargo, son
muy antioxidantes por lo que evitan el pardeamiento tanto enzimático como no
enzimático. (Frazier y Col, 2005).
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Acido benzoico y benzoatos.- La sal sódica del ácido benzóico se utiliza
mucho como agente antimicrobiano en alimentos. Se adiciona en las bebidas
carbónicas, jaleas, zumos de frutas, etc.
El benzoato de sodio es relativamente ineficaz a valores de pH próximos a la
neutralidad, aumenta su actividad al elevarse la acidez, por lo que se cree que
el agente efectivo es el ácido no asociado. El pH al que el benzoato sódico es
más eficaz es de 2.5 a 4.0, es por si mismo suficiente para inhibir la
proliferación de la mayoría de las bacterias y levaduras y en menor grado a los
mohos. (Córdoba, 2000).
2.2.2.6 Emulsionantes: Estos compuestos facilitan la formación de las emulsiones
así como a su mantenimiento, es decir, forman una dispersión de dos líquidos
inmiscibles que son generalmente una fase acuosa (polar) y otra lipófila (apolar).
2.2.2.7 Estabilizantes: Los estabilizantes como tal no son emulsionantes aunque
hay algunos que además de estabilizar pueden emulsionar. Estabilizan las
emulsiones y evitan que se destruyan, además aumentan la viscosidad con lo que
mejoran el cuerpo de la bebida. La mayoría son polisacáridos como: Arginatos,
Carragenanos, Pectinas y Gomas. (Calvo, 1991)
2.2.3 Azúcar.- El azúcar es otra de las materias básicas que se utiliza en la preparación
de las bebidas gaseosas, se usa para el preparado del jarabe simple, proceso en el cual
se mezcla el agua tratada con el azúcar y se lo somete a un tratamiento térmico para la
inversión y completa disolución de la sacarosa a temperaturas de 72 a 75°C, por un
periodo de tiempo de 15 a 20 minutos, este tratamiento se completa en el mismo tanque
de preparado, sometiéndolo el jarabe a un contacto con carbón activo para decolorar y
desodorizar. La separación definitiva de las impurezas se realiza a través de unos filtros
por los que atraviesa el azúcar disuelto y pre tratado con carbón activado, de esta
manera se completa el proceso de purificación.
2.2.4 Dióxido de carbono (CO2).- Esta materia básica se aplica en las bebidas
carbonatadas para amplificar sus propiedades sensoriales, darle un aspecto burbujeante
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y espumoso al producto. El CO2 debe ser de alta pureza o de grado alimentario (sin CO,
ni ácido nitroso). La dosificación se realiza en un equipo conocido como carboenfriador,
en el cual se enfría la solución de jarabe terminado y el agua tratada y luego se aplica
una dosis de dióxido de carbono al medio. El enfriamiento de la solución es importante
para favorecer la solubilidad del gas en el líquido y establecer además la calidad del
producto final. (Henley, 1981).
El CO2 gaseoso no es tóxico, es inerte y no confiere olor o sabor al producto. Por el
contrario facilita la volatilización de los olores y los aromas de las bebidas. Técnicamente
los factores que determinan el grado de carbonatación del producto son: temperatura del
líquido (4 - 5ºC), presión del sistema (a mayor presión más CO2), tiempo de contacto
entre el CO2 y el líquido, acidez del líquido por el CO2 (a mayor cantidad de azúcar
menor afinidad) y la presencia de otros gases como el O2 que hace que, la solubilidad
del CO2 disminuya. (Córdoba, 2000).
2.3 Descripción del Proceso de Embotellado de las Bebidas Carbonatadas.
En el diagrama de flujo de la figura (2.1), se muestra los mecanismos que
intervienen en el proceso de elaboración de bebidas carbonatadas de la planta
embotelladora EMBOL S.A., posteriormente en forma resumida, y con el apoyo de
fotografías de algunas de las instalaciones que participan en el procesos de producción,
se describen las operaciones desde que los envases vacíos ingresan a la planta, hasta
que las bebidas embotelladas llegan al almacén, desde donde se suministra al sistema
de distribución.
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Fig. 2.1 Diagrama de flujo de elaboración de bebidas carbonatadas
2.3.1 Descarga de pallets con botellas vacías
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Los camiones llegan al lugar de descarga de la empresa, donde con la ayuda de los
montacargas se bajan los pallets con las jabas o cajas y se ordenan por sabores, en este
punto se realiza el primer control, para la eliminación de basuras grandes de las cajas y
botellas. Una vez que se ha decidido el sabor que se va a producir, las jabas son
conducidas a la despaletizadora. En la figura (2.2) se ilustra una imagen de esta
operación.
Fig. 2.2 Descarga de pallets con botellas vacías
2.3.2 Despalletizado
En esta operación, con la ayuda de una maquina robótica, se separa las cajas de
los pallets con una velocidad de 2000 cajas/hora, desde donde se pone en circulación las
cajas llenas hasta llegar a la desencajonadora de botella, dos operarios se encargan de
colocar las cajas con botellas vacías en un transportador de cadena. Esta operación se
encuentra en el área de las líneas de producción, donde también se realiza una selección
de objetos extraños que sobresalgan de los envases. En la figura (2.3) se presenta una
imagen fotográfica de esta operación.
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Fig. 2.3 Maquina despalletizadora
2.3.3 Desencajonado
Las botellas vacías se desencajonan con la ayuda de una maquina electrónica
Linapag, que se encarga de sacar las botellas de las cajas y enviar a sus respectivas
lavadoras. La maquina Linapag funciona mediante unos brazos articulados, rematados
con unos chupones de plástico que, extraen las botellas. En cada movimiento del brazo
articulado se extraen 48 botellas en un tiempo aproximado de 5 segundos. En la figura
(2.4) se presenta una imagen fotográfica de esta operación.
Fig. 2.4 Desencajonadora Linapag
2.3.4 Descapsulador de botellas vacías
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Las botellas se dirigen por medio de una cinta transportadora a un equipo
descapsulador giratorio, en el cual se desenroscan las tapas de las botellas y siguen su
curso en la línea, el mecanismo de funcionamiento del equipo consiste en separar los
envases puntualmente en el carrusel de la maquina y desenroscar las tapas de las
botellas, por medio de un cabezal que marcha conjuntamente con el carrusel, si no hay
tapa el cabezal permanece abierto, evitando el daño de la boca del envase. En la figura
(2.5) se presenta una imagen fotográfica de esta operación.
Fig. 2.5 Equipo descapsulador
2.3.5 Inspección prelavado
Las botellas que salen del equipo descapsulador se dirigen a través de una cinta
trasportadora, a dos pantallas blancas de inspección, cada una controlado por un obrero,
que se encargan de inspeccionar las botellas, de forma que se encuentren en buen
estado y vacías. Las botellas que contienen bebidas se separan y se vacía su contenido,
vertiendo el líquido residual en tachos de 200 litros de capacidad (primer punto donde se
generan residuos de bebidas con contenido de azucares), y luego son retornados a la
línea. Las botellas en mal estado se separan en cajas a un costado de la línea, para ser
considerados como mermas de envases. Los criterios que se toman en cuenta para
separar los envases en este punto son: formato del envase, contenido de las botellas por
residuos de bebidas, objetos o líquidos extraños dentro las botellas que puedan ser
nocivos en su contaminación, el estado del envase, etc. En la figura (2.6) se presenta una
imagen fotográfica de esta operación.
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Fig. 2.6 Inspección pantallas Pre-Lavado
2.3.6 Lavado de botellas
Una vez que las botellas hayan pasado por los distintos puntos de inspección, estas
son sometidas a una máquina lavadora de botellas, en el cual se eliminan todo tipo de
impurezas y se deja totalmente limpias y desinfectadas. En la mesa de entrada el operario
hace una última selección manual de envases de otros sabores. La máquina lavadora de
botellas es accionada por un operador en la mesa de carga y por dos operadores en la
descarga. En un primer paso, dentro de la lavadora, las botellas se remojan y precalientan
(se les inyecta agua en su interior y se rocían exteriormente), las botellas se ponen
"cabeza abajo" para facilitar la caída de las partículas u objetos que pueda haber en su
interior.
Esta máquina tiene dos tanques de agua con sosa cáustica, el primero, es de
tamaño pequeño en el cual se dosifica sosa cáustica en una concentración de 3.5% v/v, y
en el segundo en una concentración de 2.5% v/v. En estos tanques se sumergen las
botellas a una temperatura de aproximadamente 55 a 65ºC, para remover toda la
suciedad que contengan. Luego las botellas pasan por una serie de enjuagues, en donde
se recircula el agua por medio de bombas y al final se tiene un enjuague con agua tratada
y fresca, para lo cual se utilizan boquillas individuales para cada botella. En la figura (2.7)
se presenta una imagen fotográfica de esta operación.
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Fig. 2.7 Lavadora de Botellas
2.3.7 Inspección de las botellas lavadas
Las botellas lavadas se dirigen hacia un equipo electrónico Linatronic, el que se
encarga de inspeccionar y seleccionar de forma continua cada botella, que ha salido de la
lavadora y que va a ser llenada. Los ordenadores de este inspector analizan 8 imágenes
de cada botella según diferentes planos, lo que le permite detectar micropartículas,
objetos extraños en su interior, restos de etiquetas en sus paredes, fondo y roturas de la
boca y residuos de agua de la lavadora, entre otras. Pero lo más importante es que de
forma automática envía a destrucción las botellas que no son aceptables para ser
llenadas o bien las envía nuevamente a la lavadora cuando detecta restos de etiquetas o
suciedad en su superficie.
Las botellas una vez listas entran en la llenadora, donde se llena con la bebida, que
se ha elaborado según se explica a continuación. En la figura (2.8) se presenta una
imagen fotográfica de esta operación.
Fig. 2.8 Inspector Linatronic.
2.3.8 Preparación y embotellado de las bebidas carbonatadas
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Para la fabricación de la bebida carbonatada se hace uso de las materias básicas
mencionadas con anterioridad que son: agua tratada, jarabe concentrado, azúcar para la
preparación del jarabe simple y dióxido de carbono (CO2).
El jarabe simple, una vez filtrado, pasa a un intercambiador de calor, a fin de bajar la
temperatura, para proceder a la mezcla con el jarabe concentrado y las bases de bebida,
siguiendo unas precisas instrucciones de mezcla para cada sabor. Esta mezcla se realiza
en cualquiera de los 8 tanques de la sala de jarabes, con la ayuda de agitadores
mecánicos incorporados a los mismos. La mezcla se la deja en reposo por varios minutos,
dependiendo del tipo de gaseosa que se está elaborando. En aquellos productos exentos
de azúcar, las bases y concentrados se añaden sobre el agua tratada.
Posteriormente, el jarabe se bombea al área de la sala húmeda donde se
encuentran tanques de recepción de jarabe terminado, agua tratada y CO2, estos tanques
están instalados a un equipo carboenfriador el cual se encarga de dosificar para cada
sabor las cantidades exactas preestablecidas de jarabe terminado, agua tratada y dióxido
de carbónico (CO2).
El siguiente paso es enviar la bebida terminada y carbonatada a la llenadora. La
llenadora-capsuladora es una máquina monobloque que llena y capsula herméticamente
las botellas a gran velocidad, se puede operar en diferentes formatos de producto cada
una de ellas (vidrio rellenable, vidrio no rellenable, PET, etc.).
Este equipo está dotado de medidas de seguridad que se activan en circunstancias
tales como la explosión de una botella en algún grifo de la llenadora. Cuando sucede, un
detector electrónico acciona un chorro de agua a alta presión sobre el grifo afectado para
eliminar los posibles restos de vidrio. Simultáneamente se activa una señal que indica a la
llenadora que en vueltas sucesivas deje de llenar o llene a media capacidad, no sólo ese
grifo sino los contiguos. En la figura (2.9) se presenta una imagen fotográfica de esta
operación.
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Fig. 2.9 Maquina llenadora capsuladora
2.3.9 Codificado
Los productos carbonatados llevan impreso en el tapón o en la etiqueta o en el
propio envase según los casos, un código que indica la fecha de consumo preferente de
la bebida, la fecha, hora y minuto de llenado, el distintivo de la planta embotelladora y el
del grupo de producción. Es una información tan primordial para el cliente como para el
productor y vendedor; la misma sirve para asegurarse de los responsables del proceso y
para que cada establecimiento cuente siempre con el producto más fresco. En la figura
(2.10) se presenta una imagen fotográfica de esta operación.
Fig. 2.10 Equipo codificador
2.3.10 Inspección del producto terminado
El producto embotellado y codificado se dirige a unas pantallas blancas de
inspección del producto terminado, controlada por un obrero que se encarga de
inspeccionar las características de calidad del producto obtenido, los criterios de control
de calidad en esta zona son: apariencia física del producto embotellado, contenido de las
botellas de acuerdo a un volumen establecido, etc. Las botellas que son separadas y
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vaciadas en tachos de 200 litros, por alguna de las causas mencionadas en este punto,
“son los que originan una mayor cantidad de residuos de bebidas carbonatadas y con una
concentración elevada de azucares”, debido a la frecuencia de la actividad productiva de
la empresa. En la figura (2.11) se presenta una imagen fotográfica de esta operación.
Fig. 2.11 Pantallas de inspección Post-Lavado
2.3.11 Encajonado del producto terminado
El producto terminado se dirige hacia una máquina de encajonado, que coge las
botellas llenas y las introduce en cajas previamente lavadas. En cada movimiento, los
brazos articulados de la máquina introducen muchas botellas en cajas. En la figura (2.12)
se presenta una imagen fotográfica de esta operación.
Fig. 2.12 Encajonadora de botellas
2.3.12 Palletizado
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Las cajas con producto terminado se transportan hacia una máquina palletizadora,
en el cual se disponen las cajas sobre un pallet de madera. Los pallets son recogidos por
los montacarguistas, quienes los conducen hasta el almacén, en donde se apilan en
grandes bloques por referencia y fecha de fabricación.
2.3.13 Almacén
En el almacén se agrupan los productos terminados según el tipo de bebida, tamaño
y fecha de elaboración. Aquí los productos permanecen durante poco tiempo.
2.3.14 Distribución
De acuerdo a una planificación preestablecida en el departamento de
comercialización los operarios cargan los productos a los camiones, que siguiendo rutas
definidas de distribución entregan a los clientes mayoristas y minoristas de nuestro
mercado.
2.4 Residuos de bebidas carbonatadas que se generan en la empresa EMBOL S.A.
La planta embotelladora EMBOL S.A. tiene cuatro áreas definidas que son: el área
de producción de bebidas carbonatadas, el área de soplado de botellas, el área de
administración y comercialización y el área de estación de servicios. En las cuatro áreas
se generan residuos líquidos orgánicos, de diferentes características físicas, químicas y
microbiológicas, los cuales pueden ser clasificados como residuos líquidos de baja carga
orgánica y residuos líquidos de alta carga orgánica.
Los residuos líquidos de alta carga orgánica (DBO y DQO elevado) se generan
principalmente en el área de producción de bebidas carbonatadas, debido a las
actividades del proceso productivo y al uso de materias primas e insumos. El área de
producción esta constituido por siete sub-áreas que son: líneas de producción, sala de
jarabes, control de calidad, expedición, tratamiento de agua potable, mantenimiento y
efluentes, los primeros cuatro sub-áreas mencionados generan residuos de bebidas con
contenido elevado de azucares.
Según estudios realizados en planta de identificación y cuantificación de residuos de
bebidas, se ha encontrado que, el área de producción genera residuos líquidos
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azucarados, en sus distintos ambientes de operación en un valor promedio de 18000 a
21000 l/mes, con una concentración de azucares de 11 a 13 ºBrix respectivamente.
El vertido de estos residuos líquidos, de alta carga orgánica, al área de tratamiento
de efluentes complica las operaciones que se desarrollan en esta área, poniendo en
riesgo el cumplimiento de las normas ambientales exigidas por la compañía The Coca
Cola y por el estado boliviano, para el sector industrial manufacturero.
En nuestro país se promulgo la ley del medio ambiente N° 1333 del 27 de abril de
1992, esta ley se convierte en el marco de referencia de la legislación ambiental. En su
reglamento, cuenta con un capítulo especial dedicado a las descargas de residuos
industriales líquidos, en este reglamento se da un plazo a todas las empresas industriales
para que puedan realizar sus manifiestos ambientales. Por esta razón y otras
relacionadas al tema es importante para la empresa EMBOL S.A. llevar adelante nuevas
políticas corporativas de tratamiento de residuos líquidos que puedan viabilizar el correcto
manejo de estos efluentes azucarados.
2.5 Fundamentos de la Fermentación Alcohólica
Desde el punto de vista de la tecnología de la producción de bebidas fermentadas,
la fermentación alcohólica puede ser conducida por levaduras: silvestres de la flora
epifítica seleccionada por la acción antiséptica del anhídrido sulfuroso o por levaduras
seleccionadas de una fermentación espontánea de un mosto natural, sembrada como
una asociación ternaria de cepas de levadura y de forma masiva al sustrato a fermentar.
(Almeida y Col., 1975).
La fermentación alcohólica es un conjunto de reacciones enzimáticas, agrupadas en
cadenas complejas denominadas rutas bioquímicas, cada reacción está catalizada por
enzimas de origen microbiano, mediante las cuales los sustratos de la materia prima se
constituyen en precursores para la biosíntesis de metabolitos primarios y secundarios.
(Crueger y Col., 1993).
Entre los constituyentes del sustrato inicial (precursores) y los productos finales se
establece una cadena compleja de semireacciones, produciendo una diversidad de
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sustancias intermediarias, por ejemplo, cuando las enzimas actúan sobre los azúcares y
los compuestos intermediarios que después se forman, a través de rutas bioquímicas
como la glucólitica, la gliceropirúvica, etc. se forman productos principales como el etanol,
y el anhídrido carbónico, y otros metabólicos secundarios como glicerina, aldehído, ácido
acético, ácido succínico, butilenglicol, acetoína, alcoholes superiores, etc. Todos estos
productos citados, en mayor o menor proporción contribuyen a las propiedades
sensoriales del producto final. (Cabrera y Col., 1988).
Al ser la fermentación alcohólica un proceso vital de las levaduras, sin intervención
directa del oxígeno, se dice que son anaerobias facultativas, puesto que pueden vivir en
un medio privado de aire, utilizando únicamente el oxígeno disuelto en el medio. (Crueger
y Col., 1988)
La composición de la flora microbiana que puede desarrollarse en un mosto es
variable. Aunque no se distinguen perfectamente al microscopio, las diferencias
fundamentales entre las levaduras, se notan en los productos de fermentación; con el
mismo azúcar en el mismo medio, unas producen más alcohol que otras, sus
rendimientos alcohol/azúcar son distintos; también se distinguen por las diferencias en la
producción de acidez volátil y lo mismo sucede con los restantes productos de
fermentación. De la misma forma, tienen sensibilidades diferentes a la acción antiséptica
del alcohol, del sulfuroso o de otro antiséptico. La distribución de levaduras en diferentes
zonas geográficas obedece a un orden ecológico, como ocurre con otros seres. No es
igual la flora microbiana de los países cálidos que de los fríos, por lo menos es distinta la
proporción en que se encuentran desarrollándose en el mosto. (Gonzales, 1990).
Se ha establecido que los productos de fermentación de distintas levaduras no son
iguales, por lo que será necesario utilizar determinadas levaduras para uso industrial; esto
es, utilizar cepas de levaduras localmente seleccionadas. A la luz de estos antecedentes
parece conveniente seleccionar las cepas de levadura considerando los biotopos
naturales propios de cada zona geográfica, de la localidad donde se van a usar y las
condiciones medioambientales. En una instalación industrial de elaboración de bebidas
alcohólicas donde van a utilizar levaduras seleccionadas se requiere que estas dominen
en la fermentación. Para conseguirlo se utilizará siembra masiva de una asociación de
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cepas en su fase exponencial de crecimiento, sobre un mosto depurado y fresco o
conservado a baja temperatura (Bravo y Col., 1985).
2.5.1 Biotecnología de las Fermentaciones Alcohólicas
La biotecnología de las fermentaciones alcohólicas utilizando diversos sustratos
(frutos tropicales, cereales, etc.). En la actualidad es motivo de numerosas
investigaciones, por la demanda cada vez creciente de bebidas naturales o ecológicas y
las exigencias de calidad del mercado; así como, por la permanente preocupación de los
organismos internacionales como la OMS, FAO, OIV, por mejorar la calidad e higiene de
los alimentos y bebidas, por tanto, la disminución en el uso aditivos y auxiliares químicos.
(Crueger y Col 1993).
El progreso técnico va por las vías de investigación científica aplicada y de la
difusión de los conocimientos adquiridos; pero no basta con que los conocimientos de la
producción ecológica de bebidas avancen en los laboratorios, es necesario transferir a las
industrias, bodegas y empresas, que se incorporen a la práctica cotidiana de la
producción, porque cuanto mas rápido es el proceso científico, mayor es el riesgo de
desfasé entre lo que se sabe y lo que se realiza, por eso la Biotecnología profundiza el
uso integrado de la fisicoquímica, la bioquímica y la microbiología y las potencialidades
de las especies de levaduras para la producción de bebidas alcohólicas.
La calidad de las bebidas alcohólicas dependen en gran medida de sus
características sensoriales como: el color, el olor, el aroma, el gusto y el regusto, así
como de la estabilidad fisicoquímica y microbiológica de las mismas (resistencia a
posibles accidentes o desviación de su conservación), de modo que estas propiedades
sean estables con el paso del tiempo. Estas características en muchas circunstancias no
tienen nada que ver con sus propiedades nutricionales, sin embargo, desempeñan un
papel muy importante desde el punto de vista fisiológico, haciendo al producto apetitoso o
poco atractivo (Iñigo y Col., 1983).
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Los factores que se investigan en relación con la calidad de las bebidas son:
calidad de mosto, asociaciones de levaduras seleccionadas, tratamientos técnicos pre-
fermentativos y post-fermentativos y los ambientales que presumiblemente tienen una
influencia más decisiva sobre la estabilidad del producto final.
En los últimos años se han venido desarrollando numerosas investigaciones en los
campos de:
1) Procesos fermentativos, que permiten la exploración y la optimización de nuevas
biotecnologías.
2) Microbiológica industrial, que posibilita el estudio de la identificación y la
taxonomía de la microflora del sistema fermentativo y con mayor énfasis la
funcionalidad de las diferentes especies de levaduras para la biotransformación.
3) Técnicas modernas de análisis instrumental, que facilitan la cuantificación de
componentes mayoritarios y minoritarios no identificados, de esta manera
contribuir al conocimiento de la cinética de fermentación, la evaluación de la
tecnología utilizada y finalmente al control de calidad de materias primas y del
producto final. (Gonzales, L. Noviembre, 1996).
2.5.2 Factores con Mayor Influencia en la Fermentación Alcohólica
Los factores con mayor influencia en la fermentación, por tanto, en el rendimiento de
metabolitos principales y secundarios a partir de azúcares del mosto y en las propiedades
sensoriales del producto fermentado son: la composición del mosto (nutrientes de la
levadura), las condiciones del proceso (tales como: tiempo, temperatura, volumen,
presión, forma y tamaño del recipiente, agitación, etc.) y las cepas de levaduras o tipos
y/o razas de levadura que, por su comportamiento bioquímico y físico, determinan el
patrón de fermentación. (Gonzales L. y Col 1985)
Por su parte, según Ough (1980) la siembra y distribución de diferentes especies de
levaduras en el mosto tiene gran incidencia sobre la fermentación, Estos y otros factores
son caracterizados de forma resumida en:
24
I
- Composición del mosto.- La levadura necesita para su desarrollo un medio que
contenga una fuente asimilable de energía, una fuente de aminoácidos, sales
minerales, vitaminas, elementos menores, etc. Algunos monosacáridos y disacáridos
constituyen la fuente de energía asimilable para el desarrollo de las levaduras, por
tanto, los parámetros a considerar en el mosto son: Concentración de azúcares,
relación carbono-nitrógeno, pH, relación fósforo-oxígeno, potencial redox, etc.
- Especies de levadura.- Las cepas de levadura constituyen el factor más importante
en la biotransformación enzimática del sustrato en, metabolitos primarios y
secundarios, realizando estos procesos con especificidad y diferencias notables entre
especies, así por ejemplo, algunas cepas de levaduras muestran preferencia en la
asimilación de la glucosa respecto a la fructuosa con prioridad, este hecho tiene su
influencia en la composición de los azucares residuales y esta en las propiedades
sensoriales, la fructosa es mucho más dulce que la glucosa, por lo que el uso de
levaduras seleccionadas que asimilen primero a la glucosa y posteriormente a la
fructosa dará productos fermentados más dulces con el mismo contenido de azúcares
residuales totales.
- Concentración de azúcares.- Un alto contenido de azúcares (más del 25%) retarda
la fermentación e incluso niveles muy altos (más del 70%), puede detener la
fermentación, por un efecto de ósmosis.
- Grado alcohólico.- El etanol metabolito principal de la fermentación produce un
efecto de inhibición en la fermentación que aumenta con la temperatura. Así un vino
con 15 ºGL de alcohol y calentado a 30 ºC inhibe totalmente el crecimiento de la
levadura.
- Concentración de anhídrido carbónico.- El gas carbónico que se produce durante la
fermentación tiene un efecto negativo en la fermentación, concentraciones superiores
a 15 g/l detienen el crecimiento de la levadura.
- Concentración de algunos metales.- La presencia de concentraciones de Fe
mayores de 10 mg/l o de Cu mayores de 1 mg/l impide la fermentación en el mosto.
24
I
- Condiciones de fermentación.- El desarrollo de la fermentación y la concentración
de metabolitos primarios y secundarios en el producto final, dependen de las
condiciones que se tienen en el fermentador tales como: temperatura, pH, presión,
potencial redox, composición, etc. (Casal R.J. 1986).
2.5.3 Formación de Metabolitos Secundarios.
El ácido pirúvico proveniente de la fermentación gliceropirúvica servirá sobre todo
para formar diferentes productos secundarios, según mecanismos comunes a muchos
tipos de fermentación; al igual que la glucolisis proporciona a la levadura la energía
necesaria (ATP) para la producción de metabolitos secundarios, entre los que se
encuentran numerosos compuestos volátiles tales como: alcoholes superiores, esteres,
ácidos grasos, compuestos sulfurados y carbonílicos, los cuales constituyen las
principales sustancias del aroma fermentativo. (Gonzales, L. 1990).
2.5.3.1 Alcoholes superiores
Se demostró que los alcoholes superiores podían formarse mediante acción
enzimática, a partir de los aminoácidos correspondientes siguiendo la ruta de Erlich, así el
2–metil–1–butanol a partir de la isoleucina y el 2–metil–1–propanol a partir de la valina.
La producción de alcoholes superiores depende de la habilidad de las especies de
la levadura para la síntesis de los aminoácidos. Mientras especies del género
Saccharomyces producen grandes cantidades de alcoholes superiores, las levaduras no
esporógenas (Kloeckera, Torulopsis, etc.) producen pequeñas cantidades de estos (Pérez
y Col., 1980).
2.5.3.2 Esteres
Algunos esteres están presentes en pequeñas concentraciones en la mayoría de las
materias primas, pero la mayor parte de los contenidos en las bebidas se han conformado
por levaduras y bacterias durante la fermentación del mosto (esterificación biológica) y
principalmente son esteres neutros, dependiendo de las especies de levaduras, de la
composición del medio, de la aireación y muy especialmente de la temperatura.
24
I
La producción de esteres se debe a la presencia de las células microbianas
productoras de las enzimas esterasas. Otra fuente es la esterificación química entre los
ácidos carboxilicos y los alcoholes.
Los esteres son productos secundarios del metabolismo de levaduras, los cuales se
forman por la vía de la esterificación biológica en el interior de la célula y solamente a
partir de los ácidos formados por los microorganismos, la formación de esteres celulares
está controlada por factores genéticos. Se ha indicado que un porcentaje alto de la
concentración de esteres se libera al medio una vez destruidas las estructuras celulares.
(Nordstrom, K. 1963)
2.5.3.3 Aldehídos
Los aldehídos son productos intermedios de la fermentación alcohólica, influye
decisivamente en la estabilidad y en la evolución de las propiedades sensoriales de las
bebidas. Se forman por descarboxilación y mediante la relación química de Strecker con
compuestos di carboxílicos formados a partir de azúcares.
Los aldehídos superiores (propanal, n–butanal, isobutanal, isopentanal, hexanal)
pueden derivarse de los alcoholes y ácidos correspondientes por reducción enzimática
(Ec. 2.1), o por dismutación química (Ec. 2.2), además de encontrarse estabilizados por
combinación con el SO3 (Ec. 2.3).
R - CHO + NADH R-CH2 OH + NAD + (2.1)
2R - CHO + H2O R-CH2 OH + R-COOH (2.2)
R – CHO + H2 SO3 R – CHOH-SO3 (2.3)
El aldehído más abundante formado en las fermentaciones es la etanal; su
acumulación esta influenciada por la temperatura de fermentación, la aireación y los
agentes fermentativos, las levaduras ejercen una importante influencia sobre la
producción de etanal, encontrándose las especies de kloeckera apiculata entre las de más
alta producción (Gonzales y Col., 1985).
24
I
2.5.3.4 Ácidos
El gusto ácido y el equilibrio ácido-base son importantes en la calidad y en la
estabilidad de las bebidas fermentadas; estos se deben a los ácidos orgánicos presentes
en los mismos.
La estabilidad cromática, las precipitaciones tartáricas, proteícas y fenólicas
dependen de las concentraciones del equilibrio iónico y por consiguiente, de la
concentración de hidrogeniones de la bebida. El pH tiene además una incidencia directa
en el desarrollo microbiano durante la fermentación.
Los diversos ácidos orgánicos de las frutas se producen por la actividad bioquímica
propia de la fruta. Desde el envero a la madurez existe una evolución cualitativa y
cuantitativa de los mismos. En las bebidas tiene lugar el catabolismo de algunos de ellos y
la biosíntesis de otros durante la fermentación de los azúcares por levaduras y bacterias.
(Ingram y Col., 1961).
2.5.3.4.1 Ácido tartárico
Es el ácido con una concentración elevada en la mayoría de las frutas, este ácido
se forma en los frutos jóvenes a partir del ácido ascórbico, mientras que en etapas tardías
de madurez contribuyen mayoritariamente la sacarosa y el gluconato. Es el ácido fijo más
resistente a la descomposición bacteriana. Durante la fermentación por acción del frío y
elevación del grado alcohólico, el ácido tartárico se disminuye del 30% al 40% por
precipitación en forma de bitartrato potásico, y más lentamente en forma de tartrato neutro
de calcio. (Iñigo, 1958).
2.5.3.4.2 Ácido málico y láctico
El ácido málico sufre caídas drásticas por respiración del fruto durante el periodo de
maduración y es metabolizado por ciertas levaduras y bacterias lácticas durante la
fermentación.
La cantidad de L (+) láctico formado a partir de los azúcares depende de la dotación
enzimática de la bacteria; las levaduras producen pequeñas cantidades, principalmente el
D (-) láctico; el L (+) láctico está presente en concentraciones relativamente altas al
24
I
término de la fermentación maloláctica en las bebidas, mientras el diasteroisómero D (-)
láctico se encuentra en cantidades pequeñas (menor o igual a 200 ppm).
La transformación del malato en lactato disminuye la acidez de la bebida entre 0.1 y
0.3% y aumenta el pH entre 0.1 y 0.3 unidades, esto contribuye a mejorar la calidad de las
bebidas fermentadas con alto contenido málico. (Davis y Col., 1685).
2.5.3.4.3 Ácido acético
Es el principal ácido volátil de las bebidas, se forma en el ciclo de síntesis de los
ácidos grasos y las bacterias acéticas lo producen por vía oxidativa. Las levaduras en
condiciones normales de fermentación producen pequeñas cantidades. Si la temperatura
de fermentación es baja y la concentración de azúcares es alta, se obtiene mayor
concentración de ácido acético. (Kretzschmar, 1961).
2.5.3.5 Azúcares
Durante la fermentación y en relación con el metabolismo de los azúcares por
levaduras y bacterias se sintetizan gran cantidad de productos con gusto azucarado,
siendo los mayoritarios: etanol, glicerol, 2,3 butanodiol, alcoholes superiores, esteres,
aldehídos, polialcoholes y ácidos.
Investigaciones con Saccharomyces cerevisiae demuestran la existencia de un
sistema de transporte común para glucosa, fructosa y manosa, sin consumo de energía;
la velocidad de transporte en esta especie depende: del tipo de azúcar, de las condiciones
aeróbicas y anaeróbicas de la fermentación.
La velocidad de absorción de la glucosa es 5 veces superior a la de fructosa y
manosa, esta diferencia en el metabolismo de los azúcares da lugar a una proporción
mayor de fructosa residual; estas observaciones tienen contundencia en las
fermentaciones incompletas.
La concentración inicial de azúcares tiene una incidencia directa en los procesos
enzimáticos y metabólicos de las levaduras, así, en condiciones aeróbicas la actividad del
piruvato descarboxilasa aumenta cuando el medio contiene un exceso de azúcares,
actividad que puede regularse por la concentración de piruvato intracelular.
24
I
Al finalizar la fermentación existe una cantidad de azúcares residuales cuya
concentración varia en un rango muy amplio de acuerdo al tipo de vino, así los vinos
“secos” contienen menos del 0.1% de azúcares reductores y mucho de este porcentaje se
debe probablemente a azúcares no fermentables, como las pentosas. En vinos de calidad
se encuentran cantidades altas de alditoles, que son constituyentes principales de los
azúcares residuales. Estos compuestos, al igual que el glicerol, pueden contribuir en la
generosidad del vino. (Sanabria, 1998).
2.5.3.6 Polialcoholes
Los polialcoholes que están presentes en el mosto y en el producto fermentado son:
glicerol, 2,3– butanodiol, eritritol, arabitol, xilitol, inositol, manitol y sorbitol, descritos y
estudiados por muchos autores.
Los polialcoholes proceden del contenido natural de la fruta y del desarrollo de los
mohos y levaduras sobre la misma. También se forman: en el proceso fermentativo por
diferentes especies de levaduras, en la fermentación maloláctica y en fermentados de
frutas alterados por bacterias lácticas heterofermentativas. La vía metabólica para la
formación de polialcoholes es principalmente el ciclo de la glucosamonofosfato (GMP).
Estudios genéticos con mutantes de Aspergillus nidulans indican la existencia de un
enlace entre la vía hexosamonofosfato (HMP) y la formación de polialcoholes. Las
levaduras poseen numerosos polialcoholes deshidrogenasas, algunos de los cuales son
necesarios para las fases finales de la formación de diferentes polialcoholes, tales como
polialcohol deshidrogenasa de Cándida utilis, que puede estar unido al NAD+, NADP+ o los
pentitol deshidrogenasas del Zigosaccharomyces rouxii. Ambas deshidrogenasas
catalizan la hidrogenación de los azúcares libres.
Algunos polialcoholes se forman a partir de los azúcares libres por reducción y los
azúcares se forman en el ciclo pentosafosfato como azúcares fosforilados, por
consiguiente las fosfatasas son necesarias para obtener el azúcar libre, éstas enzimas de
amplio espectro se encuentran en algunas especies de levaduras. (Pérez, y Col., 1980).
24
I
2.6 Microbiología de las Fermentaciones
2.6.1 Las Levaduras.
Los sacaromicetos, blastomicetos o levaduras (de levare, que significa levantar) son
hongos unicelulares capaces, en términos generales, de metabolizar selectivamente los
azúcares mediante enzimas originando procesos de oxido reducción. Su propagación se
efectúa por gemación, división transversal o esporos. (Suarez y Col 1990)
La forma es relativamente constante para cada tipo de levaduras, referido a figuras
bien definidas.
Así, los subesféricos (Saccharomyces cerevisiae), elípticos (S. ellipsoideus),
alargados a los S. Pastorianos, mucronada o limoniforme (Kloeckera apiculata) en forma
de bacilo (Zchizosacchamices), redondeados (Torulopsis), cilíndricos (Cándida
mycoderma). (Stanier, 1996).
En términos generales, las levaduras están compuestas por un 75% de agua y un
25% de sustancias secas. De estas el 90 - 95% es sustancia orgánica y el 5 al 10%
sustancias inorgánicas. De las sustancias orgánicas, el 45% corresponden a sustancias
nitrogenadas, en máxima parte de proteínas, y el 50% a glúcidos. Las sustancias
minerales representan alrededor del 8%. (Palleron y Col., 1970).
La levadura es un ser vivo que debe sintetizar por si mismo sus alimentos, por lo
que son necesarios todas las enzimas que requieren el metabolismo completo y
considerando que para cada reacción existe una enzima específica. (Kretzschmar, 1961).
2.6.2 Exigencia Nutritiva de las Levaduras.
Las levaduras encuentran en el sustrato todos los elementos necesarios para su
subsistencia. Los alimentos deben encontrarse bajo forma de compuestos directa e
indirectamente asimilables, para que la levadura pueda realizar su doble proceso de
metabolismo plástico y energético (vivir y actuar).
Entre las sustancias nutritivas algunos son compuestos orgánicos como los glúcidos
y prótidos y como otros son compuestos inorgánicos. (Ayrapaa, 1968).
24
I
2.6.3 Intervención secuencial y múltiple de especies de levaduras en la
fermentación espontánea.
En una fermentación espontánea del mosto de uva se perfilan dos etapas biológicas
diferenciadas:
a) Etapa fermentativa: en esta etapa participan más de dos especies, de forma
escalonada, sucediéndose en tres fases:
En la 1º predominan levaduras apiculadas, productoras de bajo grado
alcohólico e importantes concentraciones de ácidos volátiles (fundamental
mente ácido acético).
En la 2° figuran de forma casi constante especies de gran pureza
fermentativa y productoras de grado alcohólico medio.
Y en la 3º esta dominada por las distintas especies del género
Saccharomyces, típicamente alcoholígenas, que terminan el proceso
fermentativo con el total agotamiento de los azúcares.
b) Etapa aeróbica una vez terminada la etapa fermentativa, en la etapa aerobia
aparece un velo blastomicético sobre la superficie del fermentado, este velo están
constituido por especies de levaduras del género Saccharomyces, Hansenula,
Zygosaccharomyces, Cándida, Rhodotorula y Pichia (Iñigo, 1983).
2.6.4 Criterios de Selección
A lo largo de los años, las levaduras han sido objeto de investigación y selección, en
función de criterios tecnológicos para conseguir productos tipificados con escasas o nulas
variaciones de unos años a otros. En principio, se seleccionaron aquellas que tenían un
mayor poder fermentativo y menor producción de acidez volátil, llevándose acabo con
posterioridad estudios fisiológicos más profundos.
La elección debe efectuarse de un gran número de cultivos puros, aislados,
clasificados y estudiados en cuanto a sus características enotécnicas y rendimiento
elevado en metabolitos secundarios, relacionados con las propiedades sensoriales. De
24
I
estas cepas de levaduras se seleccionan aquellas que reúnen las siguientes
características:
Tiempos de: adaptación, inducción al crecimiento y crecimiento exponencial
adecuados y secuencialmente dispuestos.
Máximo rendimiento en etanol por unidad de azúcar metabolizado.
Producción mínima de acidez volátil.
Regularidad en la actividad fermentativa, desarrollo óptimo de las fases de
crecimiento microbiano, tiempo mínimo de fermentación y producción adecuada de
metabolitos.
Rendimiento elevado en metabolitos secundarios que otorgan buenas
propiedades sensoriales. (Hashizume, 1986).
2.7 Proceso de producción de alcohol a partir de residuos de bebidas
carbonatadas.
El proceso productivo de alcohol etílico a partir de los residuos de bebidas
carbonatadas de la empresa EMBOL S.A. es similar a la fabricación de alcohol etílico a
partir de melaza de caña de azúcar, con diferencias en las operaciones pre-fermentativas
y algunas operaciones de la etapa fermentativa.
2.7.1 Operaciones pre-fermentativas
Para trasformar los residuos líquidos en un sustrato asimilable, libres de
microorganismos, completo en cuanto a requerimientos nutricionales de las levaduras, sin
sustancias químicas indeseables, se realizan operaciones previas a la fermentación, que
consisten en: recepción de la materia prima, homogenización, descarbonatación, ajuste
de pH y adición de nutrientes.
2.7.1.1 Recepción de la materia prima
24
I
Los residuos líquidos se reciben en turriles de plásticos, del área de producción,
(líneas de producción, sala de jarabes, laboratorio de análisis y expedición). Por otro lado,
se reciben los insumos necesarios para la dosificación del sustrato, constituidos por: malta
de trigo, urea e hidróxido de calcio, que se adquieren de importadoras del mercado local
o regional.
2.7.1.2 Homogenización
En esta operación los residuos de bebidas se agitan levemente y se separan los
materiales extraños (tapas, bombillas, envolturas, etc.) que se encuentran suspendidos
en la superficie del líquido.
2.7.1.3 Descarbonatación
En esta operación se elimina el gas carbónico del sustrato por agitación continua,
durante un período de tiempo moderado de 15 a 20 minutos, tiempo en el que
desaparecen las burbujas de gas.
2.7.1.4 Ajuste de pH
Los residuos de bebidas carbonatadas tienen pH en un rango de 2.8 a 3 unidades
de pH, que no es el pH óptimo para la fermentación alcohólica, en la fermentación
alcohólica las levaduras se desarrollan en un rango de pH de 4.5 a 5.5, teniendo un
óptimo a un pH de 4.8. Para neutralizar los residuos y ajustar el pH se disuelve, una
solución saturada de hidróxido de calcio, Ca (OH)2.
2.7.1.5 Dosaje de nutrientes
Se dosifica al sustrato los nutrientes necesarios de acuerdo a los requerimientos de
las especies de levaduras, utilizadas en la fermentación, puesto que las condiciones
nutricionales óptimas favorecen a la biosíntesis alcohólica, minimizando los tiempos de
fermentación y estabilizando el producto fermentado.
24
I
El mosto tiene 11% de azucares (principal fuente de carbono), que satisface sus
requerimientos energéticos de las levaduras. Sin embargo, es pobre en otros nutrientes
esenciales como fuente de nitrógeno, fosforo, etc. Esta necesidad de nutrientes serán
completadas por adición de un mosto de malta de trigo, (solución previamente preparada,
por maceración y cocción) y urea.
2.7.2 Operaciones de fermentación
El objetivo de estas operaciones es sembrar cepas puras de levaduras,
pertenecientes a distintas fases de fermentación, al sustrato y desarrollar la biosíntesis
de etanol con un rendimiento adecuado.
Las operaciones fermentativas son: preparación del inóculo, propagación, siembra
de especies, fermentación alcohólica y separación de lías y fangos.
2.7.2.1 Preparación del inóculo y propagación
La preparación del inóculo se realiza en laboratorio con la finalidad de multiplicar las
levaduras, hasta alcanzar la fase exponencial de crecimiento en el inóculo y una cantidad
que sembrada al propagado y posteriormente al sustrato, alcance una concentración
inicial en el sustrato de 1x107 a 1x108 cel/cc.
El inóculo se prepara sembrando por separado cepas puras de levaduras
seleccionadas, en matraces de 250 ml de capacidad, cargados con 150 ml de mosto de
uva o extracto de malta, previamente esterilizada en autoclave a 121 ºC durante 15
minutos, posteriormente se incuba en una estufa a 25 ºC, hasta que las especies en cada
matraz alcancen la fase exponencial de crecimiento, (el tiempo en el que se logra esta
fase es de 24 a 30 horas). Una vez logrado el máximo crecimiento para cada cepa de
levaduras, se propaga sembrando en un volumen mayor de sustrato.
El volumen del inóculo sembrado para la propagación es de 0,5 % a 1 % en
volumen, en el caso de fermentación múltiple conducida por una asociación binaria o
ternaria de levaduras, la siembra es por separado.
24
I
2.7.2.2 Fermentación
La fermentación se inicia con la siembra de las especies de levaduras al
fermentador y sobre esté pie de cuba se vierte el sustrato a fermentar. Previo al llenado
del fermentador con el sustrato este debe ser agitado, para disolver el oxígeno del aire,
necesario para la multiplicación de las levaduras. Iniciada la fermentación en condiciones
óptimas se observan tres fases: preliminar, tumultuosa y final sin que haya una distinción
absoluta entre ellas.
La fermentación alcohólica es un proceso exotérmico, que se desarrolla en forma
óptima bajo las siguientes condiciones: Temperatura de 20 ºC a 30 ºC, pH 4.8, presión
de 1 atm a 1,5 atm. En estas condiciones la fermentación se realiza en un tiempo de 7
días a 10 días, este tiempo de fermentación puede reducirse o prolongarse de acuerdo a
las condiciones y características a las que se somete el sistema sustrato- levadura.
2.7.2.2.1 Sistemas de fermentación
Hay varias maneras de conducir la fermentación alcohólica distinguiéndose aquellos
procesos convencionales y continuos. Entre los sistemas utilizados en el país son los
discontinuos, de aprovechamiento de inoculo o de recirculación de levadura. Escoger uno
de esos procesos depende de la capacidad de la destilería, del tipo de materia prima y de
la tecnología que se tiene.
a) Sistemas de fermentación discontinua
Es el más usado en pequeñas destilerías de alcohol y en algunas destilerías de
aguardiente, siendo recomendado su empleo principalmente en destilerías de
escala media, finalizada la fermentación tumultuosa en un tanque, la mitad del
mosto fermentado es destinado a otro tanque. Se completa el volumen de la
primera con el otro mosto corregido o tratado. Concluida la fermentación el tanque
es vaciado y limpiada para recibir otro mosto, realizándose así cortes sucesivos
toda vez que haya concluido la fermentación tumultuosa.
Recirculación del inóculo
En este sistema se aprovecha la biomasa celular del fermentador como inóculo de
otra fermentación, de está forma se tiene un menor consumo de substrato para el
24
I
crecimiento celular, por tanto, aproximadamente todo el sustrato se utiliza para la
bioconversión en etanol una vez que se dispone de una concentración elevada de
células al inicio de la fermentación.
Este sistema es común en las fábricas de agua ardiente. Las levaduras se
decantan al finalizar la fermentación alcohólica. Se transporta del 70 al 80% del
volumen del producto fermentado a la estabilización, dejando del 20 al 25 % para
su uso como pie de cuba en la siguiente fermentación.
2.7.2.3 Separación de lías y fangos
Culminada la fermentación después de los 7 a 10 días, en el tanque se presentan
dos fases líquidas de diferentes densidades, en la parte superior un líquido claro de
menor densidad y en la parte inferior un líquido más oscuro de mayor densidad, a este
líquido oscuro se lo conoce como lías o fangos, también conocido en nuestro medio como
las borras del producto fermentado, los cuales deben ser separados a fin de evitar
alteraciones indeseables en el fermentado. El fermento pasa por un filtro para la remoción
de las partículas sólidas, constituidas principalmente por fibras que pueden perjudicar en
la destilación. Por su parte, estas borras son aprovechadas como fuente de levaduras y
nutrientes para el inicio de una nueva fermentación, de esta manera, se logra desarrollar
fermentaciones múltiples en un ciclo continuo.
2.7.3 Operaciones de la etapa post-fermentativa
El objetivo de esta etapa es separar y purificar el etanol. En el caso de la
fermentación alcohólica la separación del alcohol del agua se realiza por destilación.
2.7.3.1 Destilación
El líquido fermentado es una solución hidroalcohólica que se separa por destilación,
en el que los componentes principales de la mezcla se dividen en cabezas y colas, en la
cabeza el componente principal es el alcohol y en la cola llamada también vinaza se
encuentra el agua.
24
I
La destilación es una operación física para separar mezclas de líquidos, se
fundamenta en la diferencia de volatilidad relativa de sus componentes o diferencia de sus
puntos de ebullición, técnicamente es una separación de equilibrio-limitada.
En una columna de destilación las fases de vapor y líquido fluyen en contracorriente,
dentro de una zona de transferencia de masa. La columna es equipada con platos o
empaques para maximizar el contacto entre las dos fases. Para garantizar el equilibrio
líquido vapor una parte de la corriente de la mezcla destilada es retornada como un
reflujo líquido. La razón de reflujo (R) es definida como la cantidad de líquido del producto
de tope que retorna a la columna.
Normalmente, las grandes destilerías que operan con grandes cantidades de
fermentado para la obtención de alcohol de grado alcohólico elevado, se acostumbran a
fraccionar el producto en alcohol de primera, alcohol de segunda, etc., separando a los
productos secundarios, por rectificación en: aceite fusel, acetaldehído y los productos de
cabeza en estado concentrado.
En el sistema de destilación actualmente empleado en la rectificación continua se
utilizan las columnas denominadas depuradoras, destiladoras, rectificadoras y de repase
final. Esta última puede ser eliminada en la práctica, recogiendo lateralmente de la
columna rectificadora, el alcohol rectificado antes del tope. En la primera columna
conocida como la depuradora se obtiene una concentración baja de alcohol en el
destilado. Este es encaminado a una segunda columna conocida como la destiladora, en
el cual se separa del tope los productos de la cabeza y el destilado es retirado
lateralmente de la columna. El flujo que sale de esa columna con 40 a 50% de etanol se
introduce en la parte inferior de la columna rectificadora y luego al de repaso final donde
se logra obtener alcohol hidratado en una concentración de 96%.
La deshidratación solo es necesaria cuando se desea obtener alcohol como
carburante para mezclar con gasolina o con aceite vegetal. Los métodos químicos
utilizados para la deshidratación emplean compuestos deshidratantes que absorben el
agua del alcohol, como acetato de sodio, óxido de calcio y otros.
En la Figura 2.13 se presenta la sección transversal de una columna de destilación
típica que se utiliza normalmente en las industrias de destilerías.
24
I
Fig. 2.13. Representación general de una columna de destilación
24
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Esta columna de destilación típica esta conformada básicamente de los siguientes
componentes:
Carcasa
Eliminador de gases tipo malla
Relleno o empaque
Plato de soporte para el relleno o empaque.
Distribuidores de líquido y de gas.
Soportes intermedios de estructuras de empaque y redistribuidores
Entradas del gas y del líquido y toberas de salida.
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