caracterizaciÓn de inÓculos en el proceso de producciÓn de m
TRANSCRIPT
1
12 Nov 2010
Caracterización cinética de inóculos en la Producción de MezcalAsesores: Dra. Ma. del Carmen Chávez PargaM. en C. Edgar León Esparza Ibarra
PIQ. Jorge Tovar Rodríguez
UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLÁS DE HIDALGO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
2
Índice
1. Producción de Mezcal
2. Parámetros que afectan la Fermentación
3. Inoculación
4. Justificación
5. Objetivos
6. Metodología
7. Resultados
8. Conclusiones
3
1. Producción de Mezcal
Cosecha y Jima
Cocimiento y Molienda
Fermentación de los mostos Destilación Etiquetado y
Envasado
4
2. Parámetros que afectan la Fermentación
5
Parámetros que afectan la Fermentación
Tanto la fuente de nitrógeno seleccionada como la cantidad de inóculo y la combinación de ambos
factores, tienen poca o ninguna influencia en la producción de
alcoholes isobutílicos o isoamílicos
Temperatura de fermentación
(30ºC a 35ºC)
Relación
C/N
Cantidad
de inóculo
(5 a 10%)
6
Temperatura y Concentración de azúcar
La temperatura tiene un papel crítico en la formación de compuestos volátiles.
En la industria del tequila, la fermentación se lleva a cabo a concentraciones de azúcar que van de los 50 a los 100 g*l-1 (Arrizón y
Gschaedler, 2002).
En varios estudios se reporta que las concentraciones de azúcar que van de
120 a 180 g*l-1 , muestran un decremento en la viabilidad y crecimiento de las
levaduras, sin importar el tipo de cepa utilizada (Bafrnacová y col., 1999); en parte debido al estrés osmótico de las
levaduras
7
Stuck Fermentation
Está relacionada con la inhibición del proceso fermentativo. Existen diversas
explicaciones para este fenómeno, incluyendo la intoxicación debida a los
productos de desecho del metabolismo, tales como los ácidos hexanóico, octanóico y decanóico (Muñoz e
Ingledew, 1990).
Se ha comprobado que la adición de nitrógeno reduce este atasco en el
proceso (Ingledew y Kunkee, 1985);
8
Limitaciones de los procesos fermentativos
Inhibición del transporte de
azúcares
Afinidad variable por la glucosa
Represión catabólica
Inhibición de la síntesis de proteínas.
Disponibilidad de Nitrógeno en el
medio
9
3. Inoculación
Se trata del crecimiento en condiciones controladas de una cepa de levaduras, para su posterior uso en el proceso fermentativo. Es un paso crítico en el proceso de elaboración del mezcal. Se enfatiza que el desarrollo de un inóculo mejora significativamente los rendimientos, la productividad y el
tiempo de fermentación.
10
Adición de nitrógeno en la inoculación
Esta adición es más eficiente al inicio
de la fermentación o en etapas
tempranas de ésta.
Se incrementa de manera importante
la eficiencia del proceso y en el
tiempo de fermentación.
Se promueve la activación del
transporte cuando el nitrógeno es aún
asimilable en el medio
11
Cinéticas de cultivo en lote
12
Las cinéticas nos permiten:
Predecir rendimientos Predecir tiempos de reacción
Ayudan a determinar el tamaño del biorreactor (escalamiento)
¿Cómo se obtienen?
Generalmente se obtienen de experimentos efectuados en biorreactores de pequeña escala.
13
Modelos de Superficie de Respuesta
Variables explicativas y variablesde respuesta.
Es conveniente si se sabe poco sobre el proceso.
El modelo de segundo grado pueden ser utilizado para maximizar, minimizar o alcanzar un objetivo específico, una respuesta.
Aproximaciones de la realidad. Funcionan bastante bien en regiones pequeñas.
14
4. Justificación
En la actualidad se reportan muy pocos resultados acerca del impacto de una fluente de Nitrógeno en la fase de crecimiento exponencial de las levaduras. A pesar de que se emplean varias fuentes de nitrógeno a manera de sales, como el cloruro y el sulfato de amonio, no se ha monitoreado su consumo durante el desarrollo de inóculos.
15
5. Objetivos
Descripción cinética durante el desarrollo de inóculos en la producción de mezcal
Analizar la superficie de respuesta para determinar los parámetros que garantizan la mayor producción de levaduras viables para el proceso
de Fermentación.
Desarrollo del inpoculo para mejorar el proceso
Describir mediante superficies de respuesta, el comportamiento cinético del proceso.
Estudiar el efecto de los parámetros de estudio
16
6. Metodología
17
Diseño experimental
Matraz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
pH 4 4 4 4.5 4.5 5 4.5 5 5 4.5 4.5 4.5 4.5 4 5
ºBrix 5 7 9 5 9 5 7 7 9 7 9 5 7 7 7
g (NH4)2SO4/l 1 1.5 1 0.5 1.5 1 1 0.5 1 1 0.5 1.5 1 0.5 1.5
18
Diseño experimental
Medio de Cultivo
Condiciones del Inóculo
Monitoreo de la Fermentación
19
7. Resultados
20
pH
tiempo, h
0 5 10 15 20 25 30
pH
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
M1 M2 M3 M4 M5
21
Azúcares Reductores
tiempo, h
0 5 10 15 20 25 30
g/l
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
M1 M2 M3 M4 M5
22
Biomasa
tiempo, h
0 5 10 15 20 25 30
g/l
2
3
4
5
6
7
8
9
10
M11M12M13M14M15
23
Superficie de Respuesta
Biomasa = 0.559375 + 2.36*pH - 1.02656*S + 2.44125*A -
0.3825*pH^2 + 0.248125*pH*S - 0.175*pH*A + 0.025625*S^2 +
0.420625*S*A - 1.7575*A^2
24
Modelos de Superficie de Respuesta
Superficie de Respuesta y contorno para la producción de Biomasa en función del Sustrato (azúcar) y el pH
25
Modelos de Superficie de Respuesta
Superficie de Respuesta y contorno para la producción de Biomasa en función del pH y el Sustrato N (nitrógeno amoniacal).
26
ANOVA
Factor SC Gl MC F Valor p
A:Ph 1.41135 1 1.41135 4.28 0.0526
B:Azucar,
°Brix
17.1294 1 17.1294 51.89 0.0000
C:Nitrógeno 6.03004 1 6.03004 18.27 0.0004
AA 0.067526 1 0.067526 0.20 0.6562
AB 0.492528 1 0.492528 1.49 0.2368
AC 0.0153125 1 0.0153125 0.05 0.8318
BB 0.0775846 1 0.0775846 0.24 0.6334
BC 1.4154 1 1.4154 4.29 0.0523
CC 1.4256 1 1.4256 4.32 0.0515
Blocks 0.512213 1 0.512213 1.55 0.2280
Total Error 6.27182 19 0.330096
Total Corr 64.293 19
27
Ajuste de Datos Experimentales
tiempo, h
0 5 10 15 20 25 30
Bio
ma
sa, g
/l
2
4
6
8
10
12
G2 G3 Logístico Monod Contois Experimental
Ajuste de Datos experimentales de Biomasa para la prueba confirmatoria, con los modelos de Monod, Logístico, Contois y de Gompertz de dos y
tres parámetros.
28
29
8. Conclusiones
Los parámetros que afectan más significativamente la variable de respuesta, son la cantidad de azúcar inicial y el nitrógeno amoniacal
adicionado.
Es posible apreciar que si bien un elevado pH inhibe la producción de alcohol, no evita que las levaduras se reproduzcan a una tasa
aceptable, garantizando que la producción máxima de levaduras.
El nitrógeno amoniacal promueve en efecto el crecimiento celular especialmente durante la fase exponencial y se agota en promedio
durante las primeras ocho horas de fermentación cuando la presencia del metabolito principal es casi nula o muy baja.
Lo que se interpreta como un agotamiento súbito de la fuente de Nitrógeno en la etapa previa al crecimiento exponencial.