estudio de una alternativa para el aprovechamiento de la
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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería de Alimentos Facultad de Ingeniería
1-1-2004
Estudio de una alternativa para el aprovechamiento de la papa en Estudio de una alternativa para el aprovechamiento de la papa en
el Valle de Ubaté el Valle de Ubaté
Diana Alejandra Castro Velásquez Universidad de La Salle, Bogotá
Nasly Johanna Suárez Orjuela Universidad de La Salle, Bogotá
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Citación recomendada Citación recomendada Castro Velásquez, D. A., & Suárez Orjuela, N. J. (2004). Estudio de una alternativa para el aprovechamiento de la papa en el Valle de Ubaté. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_alimentos/321
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ESTUDIO DE UNA ALTERNATIVA PARA EL APROVECHAMIENTO DE LA PAPA EN EL VALLE DE UBATÉ
DIANA ALEJANDRA CASTRO VELÁSQUEZ 43981013 NASLY JOHANNA SUÁREZ ORJUELA 43981079
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS
BOGOTA. D.C.
2004
ESTUDIO DE UNA ALTERNATIVA PARA EL APROVECHAMIENTO DE LA PAPA EN EL VALLE DE UBATÉ
DIANA ALEJANDRA CASTRO VELÁSQUEZ NASLY JOHANNA SUÁREZ ORJUELA
Trabajo de grado para optar por el título de Ingeniero de Alimentos
Director: Rafael Guzmán Cortés
Químico
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS
BOGOTA. D.C.
2004
Nota de Aceptación __________________________
__________________________ __________________________
__________________________ __________________________
__________________________
_____________________________________ Firma del presidente del jurado
_____________________________________ Firma del jurado
_____________________________________ Firma del jurado
Bogotá, Junio de 2004
Los criterios expuestos, las opiniones expresadas y
las conclusiones anotadas son responsabilidades
nuestras y no comprometen a la Universidad de La
Salle
A mis Padres Rodrigo e Isabel
por su apoyo y compresión, a mis hermanas Carolina y Eliana
por su cariño y a Rodrigo Andrés por su presencia.
Diana Alejandra
Agradezco a mi padre Guillermo, por su apoyo durante mi carrera,
a mi madre Nasly por su amorosa comprensión, a mis hermanos Andrés y Camilo
y Manuel por su compañía.
Johanna
AGRADECIMIENTOS
Las autoras expresan sus agradecimientos a: ALCALDÍA DE GUACHETÁ.
RICARDO PÁEZ, director de la casa de la cultura de Guachetá.
DR. RAFAEL GUZMÁN, Director de la investigación.
DR. JOSÉ DE SILVESTRI, por su valiosa colaboración.
ING. JAVIER FABREGAS, Ing. de producción de BAVARIA s.a. por su valiosa ayuda.
Y a todas aquellas personas y entidades que de una u otra forma prestaron su colaboración
en la realización del presente trabajo.
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN RESUMEN GLOSARIO 1. MARCO TEÓRICO 1 1.1. LA PAPA 1 1.1.1. Entorno mundial 2 1.1.2. Composición química y valor nutricional 2 1.1.3. Consumo 3
1.1.4. Zonas de producción 4 1.1.5. Variedades 5 1.1.6. Importancia de la producción de papa en Colombia 7
1.1.7. La papa parda pastusa 8
1.2. HIDRÓLISIS 8
1.2.1. Malta 11 1.2.1.1. Malteo de cebada 12 1.2.1.1.1. Almacenaje 12 1.2.1.1.2. Remojo de la cebada 13 1.2.1.1.3. Germinación de la cebada 13 1.2.1.2. Normativa 14
1.3. FERMENTACIÓN 14 1.3.1. Biología de las fermentaciones con levaduras 15 1.3.2. Levadura 15 1.3.2.1. Clasificación 16
1.3.2.2. Requerimientos de la levadura 16 1.3.2.3. Factores de crecimiento 17
1.3.2.4. Saccharomyces cerevisiae 17
1.3.3. Condiciones de la fermentación 18
1.3.4. Compuestos organolépticos 19
1.3.4.1. Fermentación maloláctica 21
1.3.5. Desarrollo del inóculo 22
1.3.6. Fases del crecimiento celular 22
1.3.7. Curva de crecimiento de los microorganismos 23
1.3.7.1. Fase de latencia 23
1.3.7.2. Fase logarítmica 24
1.3.7.3. Fase estacionaria 26
1.3.7.4. Fase de muerte 26
1.4. DESTILACIÓN 26
1.4.1. Bebidas destiladas 27
1.4.2. Principio de destilación 27
1.4.2.1. Tipos de columnas 28
1.4.2.1.1. Columnas de platos 29
1.4.2.1.2. Columnas de relleno 30
1.4.2.2. Funcionamiento 31
1.4.3. Rectificación 32
1.5. GENERALIDADES DEL ALCOHOL 32
1.5.1. Tipos de alcoholes 33
1.5.1.1. Alcohol etílico 33
1.5.1.2. Alcohol de materias amiláceas 34
1.5.1.3. Especificaciones del alcohol de papa 34
2. MATERIALES Y MÉTODOS 35
2.1. PREEXPERIMENTACIÓN 35
2.1.1. Selección de materia prima (papa) 35
2.1.2. Cocción 35
2.1.3. Trituración 35
2.1.4. Hidrólisis 35
2.1.4.1. Cantidad de malta para el proceso 36
2.1.4.2. Proporción agua/malta 37
2.1.4.3. Temperatura 37
2.1.4.4. pH 37
2.1.4.5. Determinación de azúcar 37
2.1.5. Fermentación 37
2.1.5.1. Cultivo iniciador 37
2.1.5.1.1. Técnica de recuento por siembra en superficie 38
2.1.5.2. Inoculación 39
2.1.5.3. Control de azúcares 39
2.1.6. Diseño experimental 39
2.2. EXPERIMENTACIÓN 40
2.2.1. Materiales 42
2.2.1.1. Materia Prima 42
2.2.1.2. Equipos 42
2.2.1.3. Reactivos 42
2.2.2. Hidrólisis 42
2.2.2.1. Limpieza 42
2.2.2.2. Tratamientos 43
2.2.2.3. Preparación del mosto de sustancias amiláceas 43
2.2.2.4. Maceración 44
2.2.2.4.1. Aumento de la viscosidad 44
2.2.2.4.2. Licuación 44
2.2.2.4.3. Sacarificación 45
2.2.2.5. Control de la hidrólisis 45
2.2.2.6. Eficiencia de la sacarificación 45
2.2.3. Fermentación 46
2.2.3.1. Cultivo iniciador 46
2.2.3.2. Inoculación 46
2.2.3.3. Proceso de fermentación 46
2.2.3.4. Eficiencia de la fermentación 47
2.2.4. Filtración 47
2.2.5. Destilación y Rectificación 47
2.2.5.1. Caracterización del alcohol 49
2.2.5.2. Eficiencia del proceso 50
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 52
3.1. PREEXPERIMENTACIÓN 52
3.1.1. Selección de materia prima (papa) 52
3.1.2. Cocción 53
3.1.3. Trituración 53
3.1.4. Hidrólisis 54
3.1.4.1. Prueba del yodo 54
3.1.4.2. Cantidad de malta para el proceso y proporción Agua/malta 54
3.1.4.3. Resultados de la preexperimentación 55
3.1.4.4. Cuantificación de azúcares 58
3.1.5. Fermentación 58
3.1.5.1. Cultivo iniciador 58
3.2. EXPERIMENTACIÓN 59
3.2.1. Hidrólisis 59
3.2.1.1. pH 60
3.2.1.2. Brix 60
3.2.1.3. Eficiencia del proceso 60
3.2.2. Fermentación 61
3.2.2.1. Cuantificación de azúcares antes y después de la fermentación 62
3.2.2.2. Eficiencia del proceso 63
3.2.3. Destilación y rectificación 63
3.2.3.1. Datos de la destilación 63
3.2.3.2. Eficiencia del proceso 64
3.2.3.3. Datos de Rectificación 65
3.2.3.4. Rendimiento del proceso 66
3.2.4. Caracterización del alcohol 66
3.3. EQUIPOS REQUERIDOS 67
3.3.1. Descripción de las líneas de producción de etanol a partir de papa 67
3.3.1.1. Pesaje 68
3.3.1.2. Molino 68
3.3.1.3. Lavador 68
3.3.1.4. Cocción 69
3.3.1.5. Trituración 70
3.3.1.6. Hidrólisis 70
3.3.1.7. Fermentación 71
3.3.1.8. Filtración 71
3.3.1.9. Destilación 71
3.4. INSTRUMENTOS DE CONTROL 72
3.4.1. Alcoholímetro 72
3.4.2. Termómetro 73
3.4.3. Refractómetro 73
3.5. BALANCE DE MATERIA 74
3.6. BALANCE DE ENERGÍA 78
4. CONCLUSIONES 80
5. RECOMENDACIONES 83
BIBLIOGRAFÍA 84
ANEXOS 89
LISTAS DE TABLAS
pag.
Tabla 1. Características generales de la papa 2
Tabla 2. Composición nutricional de la papa sin cáscara 2
Tabla 3. Composición nutricional de la papa con cáscara 3
Tabla 4. Contenido de aminoácidos de la papa 3
Tabla 5. Variedades de papa comercial 6
Tabla 6. Requisitos de la malta Cervecera 14
Tabla 7. Especificaciones del alcohol de papa 34
Tabla 8. Diseño experimental 39
Tabla 9. Datos teóricos de equilibrio etanol-agua y metanol-agua 48
Tabla 10. Concentración de malta contra proporción de agua 2.5: 1 para activación 54
Tabla 11. Concentración de malta contra proporción de agua 3: 1 para activación 54
Tabla 12. Prueba del yodo para 2.5: 1 a 70ºC 55
Tabla 13. Prueba del yodo para 2.5: 1 a 72 ºC y 63ºC 55
Tabla 14. Prueba del yodo para 3:1 a 70ºC 56
Tabla 15. Prueba del yodo para 3:1 a 72ºC y 63ºC 56
Tabla 16. Resultados de la preexperimentación 57
Tabla 17. Cuantificación de azúcares 58
Tabla 18. Datos de recuento por siembra en superficie 58
Tabla 19.Datos para la hidrólisis 59
Tabla 20. Influencia del pH en el tiempo de maceración 60
Tabla 21. Datos para Fermentación 61
Tabla 22. Datos de temperatura de destilación en función del tiempo y volumen recolectado
durante el proceso 63
Tabla 23. Datos de temperatura de rectificación en función del tiempo y volumen
recolectado durante el proceso 65
Tabla 24. Ficha técnica de báscula 68
Tabla 25.Ficha técnica de molino 68
Tabla 26. Ficha técnica de lavadora 69
Tabla 27. Ficha técnica de marmita 69
Tabla 28. Ficha técnica de licuadora 70
Tabla 29. Ficha técnica de marmita con agitación 70
Tabla 30. Ficha técnica de destilador 71
Tabla 31. Ficha técnica del alcoholímetro 73
Tabla 32. Ficha técnica del termómetro 73
Tabla 33. Ficha técnica del refractómetro 73
Tabla 34. Balance de materia 75
Tabla 35. Capacidades caloríficas 78
Tabla 36. Balance de energía 79
Tabla 37. Densidades para el balance de materia 98
Tabla 38. Datos de preexperimentación para análisis de varianza (anova) 102
Tabla 39. Análisis de varianza 103
Tabla 40. Prueba de comparación de promedios 104
LISTA DE FIGURAS
pag.
Figura 1. Zonas de cultivo de papa en Colombia 5
Figura 2. Estructura del amilosa 10
Figura 3. Estructura de la amilopectina ramificada 11
Figura 4. Ruta Embdem- Meyerhot 23
Figura 5. Esquema general de un destilador 28
Figura 6. Distintos tipos de platos 30
Figura 7. Diagrama de flujo del proceso de obtención de etanol a partir de papa 41
Figura 8. Experimentación de hidrólisis en el laboratorio 45
Figura 9. Refractómetro de ABBE 50
Figura 10. Prueba del yodo negativa y positiva 54
Figura 11. Descripción de líneas de producción de etanol a partir de papa 67
Figura 12. Diagrama del destilador. 72
Figura 13. Diagrama del balance de materia 77
LISTA DE GRAFICAS
pag.
Grafica 1. Producción de papa en Colombia en Tm 8
Grafica 2. Fases de crecimiento celular 22
Grafica 3. Contenido de almidón por variedades de papa 53
Grafica 4. Curva de pH durante la fermentación. 61
Grafica 5. Curva de ºBrix durante la fermentación. 62
Grafica 6. Curva de densidad durante la fermentación. 62
Grafica 7. Curva de tiempo vs. Temperatura de destilación 64
Grafica 8. Curva de tiempo vs. Temperatura de rectificación. 66
LISTA DE ECUACIONES
pag.
Ecuación 1. Determinación del número de colonias 38
Ecuación 2. Eficiencia de la sacarificación 45
Ecuación 3. Eficiencia de la fermentación 47
Ecuación 4. Eficiencia de la destilación y rectificación 51
Ecuación 5. Ecuación general del balance de energía 78
Ecuación 6. Cálculo de la capacidad calorífica 78
ANEXOS
Pag Anexo 1. Relación entre la lectura refractométrica y gramos de azúcar por litro de mosto 90 Anexo 2. Cálculo del número de células viables 94 Anexo 3. Cuantificación de azúcar 95 Anexo 4. Eficiencia de procesos 96 Anexo 5. Ejemplo de cálculo del balance de materia 98 Anexo 6. Cálculo del balance de energía 99 Anexo 7. Análisis de varianza para la preexperimentación 102 Anexo 8. Ley 09 de 1979 para productores de alcohol 105 Anexo 9. Cromatografía de gases 130 Anexo 10. Curvas de Equilibrio etanol – agua y metanol – agua 132 Anexo 11. Factor de corrección de temperatura 136
INTRODUCCIÓN
La alcaldía y la casa de la cultura del municipio de Guachetá (Cundinamarca), movidas
por el interés de darle solución al problema del desperdicio de la papa (Solanum
tuberosum), debido a la sobreproducción durante todo el año en especial en las
temporadas de julio a enero, decidieron desarrollar un estudio para valorar una
alternativa para el aprovechamiento de la misma; de muchas propuestas la mas llamativa
fue la de determinar la viabilidad para obtener alcohol etílico a partir del almidón de la
papa, con el fin de capacitar e incentivar la formación de microempresas asociativas
dedicadas a esta actividad, para el beneficio de los asociados y la comunidad en general.
El objetivo principal de este proyecto es estudiar una forma de adaptar el proceso de
obtención de etanol a partir de papa a las condiciones colombianas para aprovechar el
exceso de papa que se presenta en la zona de Guachetá (Cundinamarca).
Se pretende diseñar un proceso de obtención de alcohol, que se acomode a las
condiciones, limitaciones y exigencias del municipio, y describir los equipos necesarios
que intervienen dentro del proceso.
En Colombia, la elaboración de alcohol está regulada por el Ministerio de Salud, y solo es
permitido para empresas gubernamentales; por ello, si el proyecto tiene resultados
satisfactorios, y se logra formar una empresa asociativa de cultivadores de papa, las
autoridades del municipio de Guachetá se encargarán de obtener los permisos necesarios
ante el Ministerio de Salud para poder producir tanto alcohol etílico para consumo
(vodka, cócteles) como para ser utilizado como alcohol carburante.
La empresa de licores de Cundinamarca (ELC)(44) ya había realizado un estudio de la
obtención de etanol a partir de papa, usando enzimas termoestables y la infraestructura
encontrada en la empresa; y en la Universidad de Santander(31) se evaluó la posibilidad de
obtener alcohol de papa en un bioreactor usando Aspegillus niger y Saccharomyces
cerevisiae simultáneamente, ambos estudios mostraron un resultado favorable.
Nuestra investigación, quiere determinar la viabilidad del uso de la malta como fuente de
enzimas y valorar el rendimiento en cuanto a cantidad de azúcares que se logran
hidrolizando la papa con este medio; además de evaluar los procesos complementarios
para la obtención de alcohol etílico, como son la fermentación, destilación y rectificación.
Para esto, se realizarán ensayos sobre el contenido de malta, temperaturas de proceso,
tiempo de hidrólisis, cantidad de agua, pH, cantidad de inóculo y tiempos de
fermentación; y los datos obtenidos nos darán bases para establecer un proceso piloto
que se estandarizará.
40
RESUMEN
El estudio se encaminó a evaluar la viabilidad de obtener etanol a partir de papa. La papa
utilizada en los ensayos pertenecía a la variedad parda pastusa al ser esta la que contenía
mayor cantidad de carbohidratos disponibles (23.34%), se utilizó la malta como fuente de
enzimas (α y β amilasa) para la hidrólisis del almidón; y se determinó el porcentaje de malta
a usar para el proceso. Se realizaron ensayos del 2, 6, 10, 15 y 20% de la cantidad de malta
con respecto al puré, también se evalúo la proporción agua/malta para la activación de las
enzimas, haciendo ensayos comparativos entre 2.5:1 y 3:1; se valoraron los métodos de
trituración de la papa (licuado y macerado) y la cantidad de agua apropiada para esto 50, 60
y 70%; Los ensayos anteriores se evaluaron utilizando diferentes temperaturas de operación
para determinar en cual se comportaban mejor las enzimas, primero se realizaron
experimentos dejando el puré de papa a 70ºC durante la hidrólisis y también se hicieron
ensayos a 72ºC al inicio y 63ºC el resto del tiempo.
En la fermentación se evaluó la cantidad de levadura que se le debe añadir al cultivo
iniciador realizando ensayos con Saccharomyces cerevisiae marca LEVAPAN al 8, 10 y 12%
en peso de levadura, para determinar cual de estas proporciones lograba un conteo de 1 *
107 células por mililitro necesarias para la inoculación del mosto. Después de inocular el
mosto, se determinó el tiempo de fermentación realizando un seguimiento del pH, la
densidad y los ºBrix.
Se obtuvo que el proceso ideal para la hidrólisis se realiza usando el 10% de la malta,
activándola con una proporción agua/malta de 2.5:1, licuando la papa con 70% del agua y
teniendo una temperatura de proceso de 72ºC la primera hora y media y 63ºC durante la
hora restante.
40
La fermentación se realizó con el cultivo iniciador inoculado con 10% de levadura, duró 6
días se observó el descenso de los ºBrix y la densidad, debido a la presencia de alcohol en el
mosto, al final se obtuvo una fermentación con el 7% de alcohol. Al destilarse se obtuvo un
alcohol con 29ºGL y al rectificarse uno de 61ºGL.
40
GLOSARIO AGUA VEGETATIVA: Agua resultante de la cocción de las papas, que contiene algunas
sustancias solubles que colaboran para activar la malta.
ALCOHOL ETÍLICO (ETANOL): De fórmula química C2H5OH, es el producto de la
fermentación alcohólica de mostos o sustratos fermentables de sustancias que contienen
azúcar (frutas, caña de azúcar) o que contienen almidones (cereales, papa),
transformándolos posteriormente en azúcares. Es la esencia del vino, la cerveza y otras
bebidas obtenidas por fermentación. Se obtiene concentrado mediante procesos de
destilación de los productos fermentados. A partir del producto destilado se elaboran
licores. Tiene un punto de fusión de -114,1°C, un punto de ebullición de 78,5 °C y una
densidad relativa de 0,789 a 20 °C.
ALCOHOL METILICO (METANOL): su formula es CH3OH. Se puede preparar por
destilación de la madera. El metanol es un líquido incoloro, muy tóxico, que provoca la
ceguera e incluso la muerte si se ingiere. Es inflamable y miscible con el agua, en todas
las proporciones, y con la mayoría de los disolventes orgánicos. Se utiliza como disolvente
de pinturas, barnices, lacas, en la fabricación de perfumes, colorantes, para la obtención
del etanol desnaturalizado y en mezclas anticongelantes para radiadores de automóviles
etc.
ALCOHOLES SUPERIORES, ÉSTERES Y ACETATOS: Los alcoholes superiores no son
obtenidos mediante la cinética de la fermentación alcohólica pero sí durante su
transcurso. Se obtienen mediante desaminación de aminoácidos por parte de las
levaduras con el fin de que obtengan nitrógeno amoniacal para su consumo o para formar
otros aminoácidos consumibles. Se trata de productos beneficiosos organolépticamente
en bajas concentraciones, que a partir de una concentración global de unos 300 ppm.
comienzan a ser totalmente desfavorables organolépticamente. Estos alcoholes superiores
40
( destacan el alcohol isoamílico y el isobutílico ) forman también ésteres y acetatos como
acetato de isoamilo, butanato de etil, hexanato de etilo y hexanato de isoamilo entre otros,
muchos de ellos con aromas vegetales. Se obtendrán mayor cantidad de estos productos
con temperaturas elevadas de fermentación y mostos poco desfangados, especialmente
ALDEHÍDOS: Resultantes de la oxidación de alcoholes primarios, Con la excepción del
metanal, que es un gas, los aldehídos que tienen hasta diez átomos de carbono son
líquidos de olor agradable, son muy solubles en disolventes orgánicos. Uno de los
aldehídos mas comunes es el furfural, pues se forma con el calentamiento y a nivel
organoléptico produce olor a quemado.
ALEURONA : sustancia proteica que se halla en las semillas maduras de algunas plantas.
Puede observarse fácilmente en el gluten de los cereales.
ALMIDÓN: Polímeros de gran tamaño que contienen muchas unidades de monosacáridos
y se produce cuando cada anillo forma dos enlaces glicosidicos. Este es polímero de la
glucosa y se diferencia de la celulosa y el glicógeno por la forma en que los anillos de
glucosa se encuentran enlazados.
AMILASAS: Enzimas que degradan almidón.
ASCOSPORAS: espora haploide de un ascomiceto formada por meiosis inmediatamente
después de la fusión nuclear. Están contenidas dentro de las ascas de las que son
expulsadas violentamente cuando maduran.
ASCOMICETOS: grupo grande de hongos que se reconocen por la producción de ascas y
ascosporas.
AZEÓTROPO: mezcla de dos a más componentes líquidos que tienen punto de ebullición
constante y composición constante.
BEBIDA ALCOHÓLICA: Producto obtenido por los procesos de fermentación alcohólica,
destilación de los productos de la fermentación, o por mezcla de sustancias obtenidas por
tales procesos, adicionando o no, de diversos ingredientes y no se le reconocen
40
propiedades terapéuticas. Debe ser apta para el consumo humano. La graduación
alcohólica mínima será la establecida por la legislación.
BIOCATALIZADOR: Una enzima que activa o acelera una reacción química.
BIOMASA: Se denomina indistintamente proteína microbiana o proteína unicelular, al
producto que se obtiene del crecimiento de microorganismos (y que son ellos mismos).
Pueden ser bacterias, levaduras u hongos que se utilizan para crecer diversos sustratos
en un cultivo aeróbico, con fines de alimentación.
BIOPROCESAMIENTO: Una técnica en la cual los microorganismos, células vivas o sus
componentes se utilizan para producir un producto final deseado.
BIORREACTOR : Un contenedor usado para bioprocesamiento.
CAPACIDAD: Kilogramos por hora de producto obtenido.
DESTILACIÓN: Es la separación de los componentes de una solución en función de su
volatilidad en el punto de ebullición (punto de destilación).
DESTILACIÓN DIFERENCIAL: destilación en cochada con reflujo cero.
DIASTASAS: Sustancias (enzimas) que convierten el almidón en azúcar.
ECONOMÍA: cantidad de calor que absorbió el destilado con relación a la cantidad de
calor suministrada al hervidor.
EFICIENCIA DE SEPARACIÓN: pureza que logra obtenerse de la destilación de un
producto.
ENDOSPERMO: capa de tejido situada en el interior de la semilla que envuelve la planta
en desarrollo aportándole el alimento.
ENTRAINER: sustancia líquida adicionada a un sistema de destilación para lograr separa
un componente por formación de azeótropo.
ENZIMA: Una proteína que acelera la velocidad de las reacciones químicas. Las enzimas
son catalizadores que promueven reacciones repetidamente, sin ser modificadas por las
mismas reacciones.
40
FERMENTACIÓN: proceso de reproducción de microorganismos para producir variados
compuestos químicos, farmacéuticos o de aplicación en alimentos en nuestro caso
alcohol. Los microorganismos se incuban generalmente bajo condiciones específicas en
grandes tanques llamados fermentadores. La fermentación es un tipo específico de
bioprocesamiento.
FRACCIONAMIENTO: destilación sencilla en continuo o en batch empleando reflujo.
GIBERELINAS: Hormonas que promueven y regulan el crecimiento de la planta.
GRADO ALCOHOLIMÉTRICO: Porcentaje en volumen de alcohol a 20 ºC.
GRAMÍNEAS: monocotiledóneas, generalmente son pequeñas plantas herbáceas y las
partes florales se agrupan en grupos de tres o múltiplos de tres. Pertenecen a esta familia
todos los cereales cultivados como trigo y arroz.
HEMICELULASAS: Cualquier polisacárido compuesto de diversos tipos de monosacáridos,
que forma parte de los compuestos de la membrana de las celulosas vegetales. Son más
solubles que las celulosas y se hidrolizan con mayor facilidad que estas.
HETEROAZEOTROPO: Azeótropo que al condensarse que será dos fases líquidas
inmiscibles.
HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA: proceso mediante el cual se transforma almidón en glucosa,
mediante la enzima diastasa.
MALTA: Es la cebada que se ha dejado germinar sumergida en agua y luego se ha secado
por la aplicación de calor. Este proceso hace que el almidón contenido en la cebada se
transforme en azúcares solubles que se podrán fermentar luego para obtener el alcohol.
OSMOFILOS: microorganismos que crecen en soluciones de gran presión osmótica.
OXIDASAS: Cualquiera de las enzimas que catalizan la oxidación de su sustrato por
eliminación de hidrógeno que se combina con el oxigeno molecular.
PLANTA PILOTO: unidades de proceso completas, de escala intermedia, conteniendo
todos los elementos para la fabricación del producto e incluyendo los instrumentos de
40
regulación. Sirve para desarrollar la selección de materias primas, mejoramiento de
productos y subproductos, disminución de costos, seguridad, simulación, etc.
PLATO TEÓRICO: es un equipo o parte del equipo donde el tiempo en contacto entre las
fases es tal que los efluentes al salir de el están en equilibrio.
PODER DIASTÁSICO: Es la habilidad de convertir el almidón del grano en maltosa. La
acción conjunta de la α y β amilasa sobre las soluciones de almidón provoca una rápida
disminución en viscosidad y la formación de azúcares simples lo cual es evidencia por un
aumento de la reducción de la solución. Esta reducción ha sido considerada desde el
punto de vista cervecero como una medida de la actividad enzimática de la malta o poder
diastásico.
PRESIÓN DE VAPOR: presión que ejercen los vapores de una sustancia estando en
equilibrio con la fase líquida a una cierta temperatura.
REFLUJO: fracción del condensado líquido que sale de la columna y se reinyecta a ella.
SOLVENTE: sustancia líquida empleada, que atrapa selectivamente a un componente.
TEMPERATURA DE BURBUJA: temperatura a la cual la mezcla líquida entra en
ebullición.
TEMPERATURA DE COPA: temperatura de cima de la columna.
TEMPERATURA DE EBULLICIÓN NORMAL: temperatura a la cual la presión de vapor es
igual a la presión atmosférica (1 atm = 760 mmHg).
TEMPERATURA DE FONDO: temperatura en el hervidor.
TEMPERATURA DE ROCÍO: temperatura a la cual una mezcla de vapores al ser enfriada,
emite su primera gota de condensado.
VOLATILIDAD RELATIVA: es la relación de la concentración de A y B en las fases de
vapor, a la concentración de A y B en la fase líquida. Esto da una medida de la facilidad
de separación por destilación de dos componentes. ( a = (yA/yB)/(xA/xB))
40
1. MARCO TEÓRICO
1.1. LA PAPA
Nativa de los Andes Peruanos, se distribuye a nivel mundial, desde el nivel del mar hasta
4000 m.s.n.m. Es una planta herbácea que produce tubérculos (tallos subterráneos de
forma circular) que se desarrollan al final de los estolones que nacen del tallo principal.
Los tallos aéreos son de sección angular, y entre las axilas de las hojas y los tallos se
forman ramificaciones secundarias.
Su utilización es tan diversa, que se puede usar para consumo humano, pues es un
tubérculo comestible de consumo difundido a nivel mundial, en variadas formas:
sancochada, deshidratada, harinas, hojuelas, y otros; y para consumo animal se emplea
para la alimentación de bovinos, ovinos y porcinos. Su usa industrialmente por su
contenido de almidón, es usado en industria alimentaría y para la fabricación de
adhesivos y alcohol.
1.1.1. Entorno mundial: La papa como producto alimenticio presentó una fuerte
expansión en el contexto mundial situándose como el cuarto producto básico en la
década de los noventa, después del trigo, el arroz y el maíz. Colombia ocupa el puesto
número 21 en producción en el mundo. Los 5 principales productores (China, Rusia,
Polonia, India y Estados Unidos) concentran el 53% de las 311 millones de Tm que se
producen en el mundo. Los principales exportadores son los Países Bajos, Francia,
Alemania, Bélgica-Luxemburgo y Canadá, que concentran el 63% de las 7,8 millones de
Tm que se exportan. Sin embargo estos mismos países, además de Italia, España y los
Estados Unidos, se constituyen como los mayores importadores de papa para consumo,
concentrando el 62% de las importaciones. En el área Andina, Colombia ocupa el segundo
40
lugar con el 34% de la producción, el primero es Perú que produce el 40% del total de la
región (35).
1.1.2. Composición química y valor nutricional: En la Tabla 1 se observan las
principales características generales de la papa; en la Tabla 2 se observa las composición
nutricional de la papa sin cáscara, mientras que en la Tabla 3 la composición de la papa
con cáscara. En la Tabla 4 se encuentra especificado el contenido de aminoácidos de la
papa.
Tabla 1 Características Generales de la papa
País de origen Colombia
Genérico Papa
Tipo común
Parte tubérculo
Género Solanum
Especie tuberosum L.
Fuente: Tabla de composición de alimentos (FAO)
Tabla 2 Composición nutricional
Sin Cáscara (por 100g de porción comestible) Agua (g) 76,7 Proteínas (g) 1,9 Grasas (g) 0,1 Cenizas (g) 1,0 Carbohidratos totales (g) 21,6 Energía (kcal) 95 Calcio (mg) 2,0 Fósforo (mg) 28 Hierro (mg) 0,6 Vitamina A Equiv. totales (µg) 0 Tiamina (mg) 0,08 Riboflavina (mg) 0,08 Niacina (mg) 0,9 Vitamina C (mg) 16,0
Fuente: Tabla de composición de alimentos (FAO)
40
Tabla 3 Composición nutricional
Con cáscara (por 100g de porción comestible) Agua (g) 75,4 Proteínas (g) 1,9 Grasas (g) 0,1 Cenizas (g) 1,0 Carbohidratos totales (g) 20,3 Energía (kcal) 90 Calcio (mg) 4,0 Fósforo (mg) 26 Hierro (mg) 0,7 Vitamina A Equiv. totales (µg) 0 Tiamina (mg) 0,08 Riboflavina (mg) 0,09 Niacina (mg) 1,0 Vitamina C (mg) 20,0
Fuente: Tabla de composición de alimentos (FAO)
Tabla 4 Contenido de aminoácidos
Tabla de contenido de aminoácidos en g por 100 g de proteínas Proteína g % Fenilalanina Triptofano Metionina Leucina Isoleucina Valina Lisina Treonina Arginina Histidina
2,0 4,0 1,7 1,3 6,0 3,8 4,7 4,8 3,8 - -
Fuente: Ministerio de Agricultura
1.1.3. Consumo: La papa es el producto de origen agrícola de mayor consumo per capita
en el país. Según el Departamento Nacional de Planeación el consumo per capita
promedio nacional es de 70 kg/año, nivel considerado alto teniendo en cuenta tanto
estándares de consumo internacional como necesidades nutricionales de un medio como
el colombiano.
El consumo de papa por habitante en Colombia presenta grandes diferencias por
regiones. Es relativamente bajo en zonas de clima cálido como la Costa Atlántica y los
40
Llanos Orientales. Sin embargo, en los últimos años ha venido mostrando tendencia al
crecimiento, al punto de constituir un factor que contribuye a mantener estable la
demanda por este tubérculo.
1.1.4. Zonas de producción: Geográficamente, la producción de papa se encuentra
principalmente en las regiones frías de la zona andina, bajo una variada gama de
condiciones biofísicas, sociales y económicas de quienes practican esta actividad.
Generalmente, la papa se cultiva en pendientes de más del 25% y alturas entre 2.700 y
3.500 msnm. En la Figura 1, se observa la distribución de la producción de papa en el
país, se distribuye en 14 departamentos, pero los cuatro mayores productores son:
Cundinamarca (42%), Boyacá (27,6%), Nariño (9,84%) y Antioquia (8,51%) (35); el 12.05%
restante, se produce en forma dispersa en los Santanderes, Tolima, Caldas y algunas
zonas del Valle del Cauca, Magdalena y Huila.
En la zona Guachetá hay aproximadamente 550 ha de papa cultivadas y se estima una
producción de 6600 Ton al año.(44). Aproximadamente el 20-30% de esta cantidad es
desperdiciada durante el año(49). Entre las que se encuentran la parda pastusa,
Guantiva e ICA purace.
40
Figura 1 Zonas de cultivo de papa en Colombia
1.1.5. Variedades: En el país existen más de 30 variedades de papa cultivadas, pero tan
solo 12 de ellas cuentan con importancia comercial que se encuentran descritas en la
Tabla 5. La variedad denominada Parda Pastusa es la más cultivada y la que en mayor
cantidad se consume en estado fresco. Le siguen en importancia, la Diacol Capiro (R12
negra) utilizada como materia prima por la industria, para la exportación y para el
consumo en fresco; la ICA-Puracé, utilizada preferentemente para consumo en fresco en
Fuente: Ministerio de Agricultura
40
climas templados y calidos; la Tuquerreña o Sabanera, consumida principalmente en
Bogotá, y la Criolla (Solanum phureja) consumida en mayor proporción en los
departamentos de Cundinamarca, Boyacá y Nariño.
Tabla 5 Variedades de papa comercial
Variedad Altura (m.s.n.
m)
Periodo Vegetativo
(Meses)
Características de la semilla Uso
Parda Pastusa
2.000- 3.500
5
Tamaño: Mediano Forma:Redonda aplanada Piel: Color rosado Pulpa: Color crema Ojos: Medianos
Consumo en fresco
Diacol Monserrate
2.000- 3.500
4.5
Tamaño: Grande, Forma: Redonda sin protuberancias, Piel: Color crema con tintes rosados, Pulpa: Color crema Ojos: Superficiales
Procesamiento
Diacol Capiro
1.800- 3.200
5
Tamaño: Grande, Forma: Redondeada ligeramente aplanada Piel: Color rojo - morado Pulpa: Color crema Ojos: Superficiales
Consumo en fresco y procesamiento
ICA Puracé
2.000- 3.000
5
Tamaño: Grande, Forma: Redonda ligeramente aplanada Piel: Piel color rojo Pulpa: Color crema claro Ojos: Superficiales
Procesamiento
ICA Nariño
2.000- 3.500
4.5
Tamaño: Grande, Forma: oblonga Piel: Color rojo Pulpa: Color crema Ojos: Medianos
Consumo en fresco y procesamiento
ICA San Jorge
2.500- 3.000
5
Tamaño: Mediano, Forma: Ovalada, casi redonda. Piel: Color púrpura con halos color crema Pulpa: Color crema Ojos: Intermedios
Consumo en fresco
40
ICA Morita
2.600- 3.000
5.5
Tamaño: Grande, Forma: Redonda aplanada Piel: Color morado oscuro Pulpa: Color crema Ojos: Superficiales
Consumo en fresco
ICA Unica
2.500- 3.000
5
Tamaño: Grande y uniforme Forma: Redonda alargada, Piel: Color crema con la yema de los ojos morada, Pulpa: Color amarillo claro Ojos: Superficiales
Consumo en fresco y procesamiento
ICA Zipa
2.500- 3.200
5
Tamaño: Mediano y uniforme Forma: Redonda y ligeramente aplanada Piel: Color blanco crema Pulpa: Color crema
Ideal para procesamiento
Betina
n.d.
n.d. Maduración semitemprana
Forma: Redonda aplanada Piel: Color ocre Pulpa: Color amarilla. Ojos: Semiprofundos.
Excelente calidad culinaria y buena fritura en hojuela
Pastusa Suprema
n.d.
n.d. Maduración semitemprana
Forma: Redonda aplanada Piel: Color pardo Pulpa: Color crema Ojos: Semiprofundos.
Excelente calidad culinaria y buena fritura en hojuela
Roja Nariño
n.d n.d. Maduración semitardía
Forma: Redonda aplanada Piel: Color rojo Pulpa: Color crema Ojos: Semiprofundos.
Excelente calidad culinaria
Nota: n.d. = Dato no disponible
1.1.6. Importancia de la Producción de Papa en Colombia: En el lapso 1961-2002, la
producción de papa en Colombia presentó una tasa de crecimiento anual promedio de
4,3%, de esta forma la producción paso de 551.000 Tm en 1961 a 2.697.980 Tm en el
2002. Alrededor de 90.000 familias se encuentran vinculadas con la explotación directa
de este cultivo. Es el producto de origen agrícola que demanda mayor cantidad de
fungicidas e insecticidas y el segundo de fertilizantes químicos; además constituye la
actividad que más utiliza los servicios de transporte terrestre (35).
Fuente: Cevipapa
40
Gráfica 1: Producción de papa en Colombia (Tm)
Según datos de FEDEPAPA, durante la década de los noventa, se observó un deterioro
en la rentabilidad del cultivo, debido a que a partir de 1990 los costos reales de
producción por hectárea crecieron en mayor medida que los precios reales de la papa.
Este incremento en los costos totales se explica principalmente por el aumento en los
insumos agrícolas, la mano de obra, los problemas fitosanitarios, la degradación del
suelo por el uso de prácticas de cultivos poco adecuadas y la poca variabilidad en el
área dedicada al cultivo.
1.1.7. La papa parda pastusa: Su cultivo se inició en el año 1955, es la variedad más
cultivada en el país, la altura óptima donde debe ser cultivada esta entre 2000 y 3000msnm.
Tiene buena resistencia al transporte y a la luz por su pigmentación. Su tamaño es mediano,
su forma redonda aplanada, tiene ojos medianamente profundos, piel rosada y carne: crema.
1.2. HIDRÓLISIS Para lograr la obtención de alcohol a partir de papa es necesario, romper el almidón para
formar azúcares disponibles para el proceso de fermentación, que sirvan como sustrato
de las levaduras, para esto se hace necesaria una hidrólisis.
Fuente: Ministerio de Agricultura
40
Este es el proceso en donde participa el agua como disolvente en el cual se separa una
molécula en sus componentes. Los polisacáridos se metabolizan mediante hidrólisis a
monosacáridos.
La mayoría de los pasos de la degradación de almidón a glucosa pueden ser catalizados
por tres enzimas distintas, si bien hay otras más que se necesitan para completar el
proceso. Las tres primeras enzimas son una α-amilasa, β-amilasa y almidón fosforilasa. Al
parecer solo la α-amilasa puede atacar gránulos de almidón intactos, por lo que cuando
participan la β-amilasa y la almidón fosforilasa, es probable que actúen sobre los
primeros productos liberados por la α-amilasa. La α-amilasa ataca de manera aleatoria
enlaces 1,4 en las moléculas de amilosa y amilopectina, al principio creando huecos al
azar en los granos de almidón y liberando productos que aun son grandes. En cadenas de
amilosa no ramificadas, el ataque repetido por la β-amilasa produce maltosa, un
disacárido que contiene dos unidades de glucosa. Sin embargo, la α-amilasa no puede
atacar los enlaces 1,6 localizados en los puntos de ramificación de la amilopectina, por lo
que la digestión de amilopectina cesa cuando aun quedan dextrinas ramificadas con
cadenas de longitud corta.
La α-amilasa hidroliza al almidón en maltosa; la enzima actúa primero solo sobre los
extremos no reductores. La hidrólisis de amilosa por la α-amilasa es casi completa, pero
la degradación de amilopectina es incompleta porque no son atacados los enlaces de los
puntos de ramificación. La actividad de ambas amilasas implica la incorporación de una
molécula de H2O por cada enlace roto, por lo que son enzimas hidrolasas. Las reacciones
hidrolíticas no son reversibles, de modo que no se pueden detectar síntesis de almidón
por amilasas. Las amilasas están diseminadas en diversos tejidos pero son mas activas en
las semillas que están germinando, ricas en almidón. Es probable que la α-amilasa tenga
más importancia que la β-amilasa para la hidrólisis de almidón. Gran parte de la α-
40
amilasa se localiza dentro de los cloroplastos, muchas veces unida a los granos de
almidón que atacara. Actúa tanto en el día como por la noche aunque, por supuesto,
durante la luz de día hay producción neta de almidón por la fotosíntesis.
Figura 2 Estructura de la amilosa
Fuente: Microsoft Encarta 2000 La amilopectina solo es degradada parcialmente por la acción del almidón fosforilasa. La
reacción procede de manera consecutiva a partir del extremo no reductor de cada cadena
principal o cadena ramificada hasta a unos residuos de glucosa de las uniones α-1,6 de
las ramificaciones, por lo que de nuevo quedan dextrinas. La amilosa, que tiene pocas
ramificaciones, se degrada casi por completo, por eliminación repetida de unidades de
glucosa a partir del extremo no reductor de la cadena. La almidón fosforilasa esta
ampliamente distribuida en la planta y a veces resulta difícil determinar que enzima
digiere la mayor parte del almidón en las células de interés.
40
Figura 3 Estructura de la amilopectina ramificada
Fuente: Microsoft Encarta 2000 1.2.1. Malta: Es el resultado de la germinación y secado, durante tiempos y
temperaturas determinadas de las semillas de la cebada para que se formen enzimas y se
realicen los cambios necesarios en la estructura molecular de los diferentes componentes
de la semilla para obtener de ella la mayor cantidad de moléculas de azúcares
fermentables y nutrientes básicos para la levadura. La malta puede provenir de
diferentes cereales, pero generalmente se maltea la cebada.
Botánicamente la cebada se encuentra dentro de las gramíneas; existiendo dos grandes
especies: cebada de dos hileras o Hordeum disticum y de seis hileras o Hordeum
hexasticum.
40
El grano de cebada tiene un poder enzimático prácticamente nulo, por lo que se requiere
maltear el grano con la finalidad de formar enzimas que permitan la solubilización de las
materias de reserva del grano.
1.2.1.1. Malteo de cebada: El malteo es la germinación controlada de la cebada durante
la cual se forman las enzimas y se modifican suficientemente las reservas alimenticias de
manera que puedan ser hidrolizadas durante la maceración.
Durante el malteo se forman una serie de enzimas, como:
Amilasas: Desdoblan el almidón, son dos: la alfa amilasa y la beta amilasa.
Hemicelulasas: Desdoblan las hemicelulosas
Proteolíticas: Se encuentran agrupadas en dos: las proteínasas que desdoblan las
proteínas complejas hasta el estado de polipéptidos y péptidos; y las péptidasas que
desdoblan los péptidos hasta el estado de aminoácidos.
Fitásas: Desdobla la fitina en fosfatos e inositol.
Oxidasas: Son enzimas del grupo respiratorio, se distinguen tres, las verdaderas
oxidasas que activan el oxígeno molecular, las peroxidasas que activan sólo el oxígeno
de los peróxidos y la catalasa que desdobla el peróxido de hidrógeno.
El proceso de formación de malta es el siguiente:
1.2.1.1.1. Almacenaje: La cebada es más estable si se mantenida a bajas temperaturas
y con una humedad de 15%. Si contiene un porcentaje de humedad mayor, suele secarse
controlando la temperatura y el tiempo de secado para que permanezca viable la planta
embrionaria contenida en cada grano.
40
1.2.1.1.2. Remojo de la cebada: La cebada limpia se dejan remojando en tanques
parcialmente llenos de agua a unos 15 ºC, hasta que la humedad aumente de 15 a 40%.
El contenido del tanque se airea inyectando aire a través del agua de remojo, para evitar
la muerte del embrión.
El contenido de agua de los granos aumenta rápidamente a partir de la inmersión, pero la
velocidad del incremento del contenido del agua desciende luego de un modo progresivo.
La velocidad de la humidificación es función de las condiciones en que haya crecido la
cebada, de la variedad de ésta, del tamaño de los granos y de la temperatura del agua.
También está influida por el daño mecánico que hayan podido sufrir los granos durante el
remojo. El remojo dura de 12 a 24 horas.
1.2.1.1.3. Germinación de la cebada: El crecimiento embrionario se inicia durante el
remojo y como las reservas de nutrientes inmediatamente disponibles son limitadas,
resulta necesario movilizar las reservas del endospermo mediante la activación de la capa
de aleurona que produce enzimas a partir bien de precursores complejos o bien de
aminoácidos. La movilización se realiza por acción de hormonas vegetales (giberelinas).
La germinación está marcada por cuatro fases
a. Absorción del agua por el embrión.
b. Activación de enzimas.
c. Desarrollo de tejidos embrionarios.
d. Ruptura de la pared del embrión por el germen.
Para detener la germinación se recurre al tostado.
40
1.2.1.2. Normativa: De acuerdo a la Norma Técnica Colombiana (NTC 543) sobre
bebidas alcohólicas: malta cervecera se define a la malta como el producto resultante de
la cebada cervecera que ha sido sometida a procesos controlados de remojo, germinación
y tostación.
Tabla 6 Requisitos de la malta cervecera
Requisito Min. Max. Características físicas: Clasificación: Pasa tamiz 1.98 mm en % - 5 Harinosidad % granos: Harinosos 70 - Vidriosos - 10 Crecimiento en porcentaje: Longitud del acrospiro (1/2 – 1) 70 - Masa de 1000 granos en gramos Base seca 28 - Peso Bushel en Kg./Hl. 46 Material extraño en porcentaje: - 1.0 Granos infestados 0.0 Granos infectados 0.0 Granos partidos en porcentaje 1.0 Análisis Químico: Humedad en porcentaje 3.5 5 Extracto molido fino en porcentaje en base seca 74.5 - Diferencias entre fino – grueso en porcentaje en base seca 3.5 Color del mosto ºSRM 2.0 3.0 Tiempo de conversión en minutos 15 Velocidad de filtración en minutos 60 Fuerza diastásica ºASBC 88 Unidades dextrinizantes en base seca, α – amilasa a 20ºC 30 Proteínas totales en porcentaje base seca 10.5 13.5 Proteínas solubles en base seca/ totales en porcentaje base seca 38 45
Fuente: ICONTEC NTC 543 (1995)
1.3. FERMENTACIÓN La fermentación alcohólica es en donde la acción de la zimasa segregada por la levadura
convierte los azúcares simples, como la glucosa y la fructosa, en alcohol etílico y dióxido
de carbono. En detalle, por acción de la diastasa, la zimasa y la invertasa, el almidón se
descompone en azúcares complejos, luego en azúcares simples y finalmente en alcohol.
40
Durante el proceso de fermentación, la glucosa es el azúcar que la levadura fermenta en
primer lugar, a continuación es la maltosa, y una vez fermentada esta en su totalidad es
fermentada la maltotriosa; las dextrinas producto de la hidrólisis no son fermentables. Al
fermentar se hace necesario evitar las contaminaciones inducidas por acetobacterias y
levaduras, mediante la ausencia de aire en toneles y/o depósitos, cuidando la inocuidad
en los procesos, La pasteurización de los productos y las microfiltraciones, porque estos
microorganismos pueden atacar el mosto transformándolo en vinagre y producir
intoxicación a los consumidores.
1.3.1. Biología de las fermentaciones con levaduras: Según Frazier(11),
aproximadamente el 96 % de la fermentación del etanol se lleva a cabo mediante cepas de
Saccharomyces cerevisiae o especies relacionadas, particularmente S. uvarum. El etanol
se produce en la ruta de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), en la que el piruvato producido
durante la glicosilación se convierte en acetaldehído y etanol. La reacción global es la
siguiente:
Glucosa + 2ADP 2 Etanol + 2CO2 + 2ATP
El rendimiento teórico de 1 g de glucosa es de 0,51 g de etanol y 0,49 g de CO2. Sin
embargo, en la práctica, aproximadamente el 10 % de la glucosa se transforma en
biomasa y el rendimiento en etanol y CO2 alcanzan el 90 % del valor teórico. El ATP
formado se utiliza para las necesidades energéticas de la célula.
1.3.2. Levadura: Según Carpenter (6) se han definido las levaduras como hongos cuya
forma corriente y dominante de crecimiento es unicelular. Las células de levadura son
esféricas, elípticas y cilíndricas. Su tamaño varía notablemente.
Se puede decir que las levaduras se dividen de acuerdo a su capacidad de agrupamiento: Si
al formarse el CO2 las células se agrupan y son arrastradas hacia la superficie se les
denomina levaduras superficiales o de alta, si por el contrario se precipitan hacia el fondo ya
40
que no hay una aglomeración celular, se les llama levaduras profundas o de baja, estas
crecen más lentamente y efectúan mejor la fermentación a bajas temperaturas.
1.3.2.1. Clasificación: Para Carpenter (6) las levaduras se dividen en dos grupos de
acuerdo a su capacidad de producir ascosporas. Las levaduras que forman ascosporas se
incluyen en la clase ascomicetos y se les llama “levaduras verdaderas”; en este grupo, las
más conocidas y de importancia industrial son las Saccharomyces, en especial la S.
cerevisiae que se emplea en la elaboración de alcohol y pan.
Las levaduras que no producen esporas pero se reproducen por gemación se clasifican en los
hongos imperfectos y de les denomina “levaduras falsas”, las cuales producen colonias grises
o blancas en los alimentos ácidos.
1.3.2.2. Requerimientos de las levaduras: Las levaduras necesitan los mismos elementos
químicos que otras formas de vida:
Carbono: Se suele obtener de azucares, ácidos orgánicos o aldehídos. El carbono se
utiliza para la síntesis de constituyentes protoplasmáticos y para producir energía para
síntesis y otros fenómenos vitales.
Oxigeno: Aunque las fermentaciones alcohólicas son en gran medida anaerobias, las
levaduras necesitan algo de oxígeno para sintetizar algunos esteroles y ácidos grasos
insaturados componentes de la membrana. El mosto contiene normalmente niveles
poco óptimos de esteroles y ácidos grasos insaturados, pero cuando el medio se
suplementa con ácido oleico u oleanóico, la necesidad de oxígeno desaparece.
Nitrógeno: Se obtiene nitrógeno de productos de la hidrólisis proteica.
Fósforo: Es esencial para el crecimiento y participa en el metabolismo de los
carbohidratos
Potasio, azufre, magnesio, hierro, zinc, manganeso, cobre y molibdeno: Se necesitan
en pequeñas cantidades como componente o activadores de enzimas.
40
1.3.2.3. Factores de crecimiento: Las levaduras necesitan ciertos factores de crecimiento
como:
Agua: Las levaduras necesitan medios que contengan hasta 40% de agua, además
llegan a ser osmófilas.
pH: Las levaduras crecen en límites amplios de pH, pero el rango óptimo suele
localizarse ente pH 4.5 y 5.0, los valores de pH comprendidos entre 3 y 6 son la
mayoría de las veces favorables al crecimiento y actividad fermentaria; esta última es
mayor cuanto mayor sea el pH y se produce una caída notable a valores de pH de 3-4.
El pH influye en la formación de subproductos; por ejemplo, a valores de pH elevados
se incrementa la formación de glicerol.
Temperatura: No hay crecimiento a temperaturas inferiores a la de congelación, ni
tampoco a temperaturas superiores a 47ºC. La temperatura más adecuada suele
situarse entre 20 y 30 ºC. Se pueden obtener grandes cantidades de alcohol etílico a
temperaturas algo menores, dado que el efecto inhibitorio de los productos tóxicos de
desecho que se acumulan en el medio aumentan con la temperatura.
Oxígeno: La multiplicación de las levaduras es más rápida y la cosecha de células es
mayor en condiciones aerobias que en anaerobias, se necesita oxigeno en abundancia en
la elaboración de la levadura comercial, pero debe excluirse cuando se desea producir
alcohol.
1.3.2.4. Saccharomyces cerevisiae: Pueden ser redondas, ovaladas o alargadas o llegar a
formar seudomicelio. Se reproducen por gemación multipolar o por formación de ascosporas
que pueden seguir a la conjugación, aunque también se desarrollan a partir de células
diploides cuando estas representan la fase vegetativa (11). Estas levaduras se utilizan en la
industria de la fermentación del pan, cerveza, vino, alcohol, glicerol e invertasas, se
desarrollan rápidamente a temperaturas de 20ºC.
40
De acuerdo a Doyle, las Saccharomyces no es un aerobio facultativo, aunque la levadura
cambia de un metabolismo oxidativo a otro fermentativo, según que las condiciones sea
aeróbicas o anaeróbicas respectivamente.
Una característica importante de las levaduras cerveceras es su capacidad para flocular, es
decir agregarse espontáneamente en grumos al final de la fermentación. Una floculación
temprana detiene la fermentación porque las levaduras se depositan separándose del alcohol
parcialmente fermentado, debiendo separarse las levaduras que no floculan por filtración o
centrifugación.
1.3.3. Condiciones de la fermentación: En la fermentación las levaduras utilizadas
para la elaboración de cerveza (S. cerevisiae) utilizan los azúcares sacarosa, fructosa,
maltosa y maltotriosa en este orden. La sacarosa es hidrolizada primeramente por la
invertasa localizada en el espacio periplásmico extracelular. Los azúcares son
transportados a través de la membrana celular por transporte activo o pasivo, mediado
por permeasas producidas constitutivamente o inducibles. La maltosa y la maltotriosa
son hidrolizadas intracelularmente por la α-glucosidasa excepto los Saccharomyces
diastaticus, que no son adecuadas para la elaboración de cerveza, todas las levaduras
Saccharomyces son incapaces de hidrolizar el almidón y las dextrinas, y por consiguiente,
el empleo de materiales basados en almidón para la fermentación alcohólica requieren la
acción de enzimas exógenos como las α y β amilasas de la malta o enzimas microbianos
como α-amilasa, amiloglucosidasa (glucoamilasa) y pululanasa. Los azúcares mayoritarios
del mosto son la glucosa y la fructosa y puesto que el S. cerevisiae metaboliza
preferencialmente la glucosa; el azúcar no fermentado que permanece en el vino
resultante es la fructosa.
Muchas cepas de S. cerevisiae pueden producir concentraciones de etanol de hasta el 12-
14 %. Existen cepas seleccionadas capaces de producir hasta un 18-20 % de alcohol,
40
aunque la velocidad de fermentación se ve fuertemente reducida cuando la concentración
de etanol aumenta. Los mostos con un contenido muy elevado de azúcares fermentan
únicamente con levaduras osmofílicas como Saccharomyces rouxii y S. bailli, que poseen
una gran capacidad para fermentar la fructosa.
Las temperaturas óptimas de la fermentación, la respiración de las levaduras y el
crecimiento celular son claramente diferentes. La velocidad de fermentación aumenta
generalmente con la temperatura entre los 15 y los 35 ºC y los niveles de glicerol,
acetona, buteno-2,3-diol, acetaldehído, piruvato y 2-cetoglutarato se elevan en los caldos
de fermentación. La formación de niveles elevados de alcohol también depende de la
temperatura.
1.3.4. Compuestos organolépticos: En la producción de bebidas alcohólicas deben
controlarse las fermentaciones de forma que, por un lado se asimilen los carbohidratos y
otros nutrientes y se conviertan en alcohol y en compuestos con aromas característicos y
deseables; y por otro lado, se minimice la formación de aromas y sabores indeseables.
Entre los componentes del aroma y sabor se encuentran otros alcoholes diferentes del
etanol, ésteres, compuestos carbonilicos, ácidos orgánicos, compuestos azufrados,
aminas y fenoles.
Cuantitativamente, y en función de su papel en el aroma y sabor, los componentes más
importantes presentes en las bebidas alcohólicas son los alcoholes superiores,
denominados también alcoholes de fusel o aceites de fusel, entre los cuales los más
significativos en la cerveza y el vino son el alcohol amilico, el isoamílico y el 2-fenoetanol.
El vino tinto tiene una concentración mayor de estos compuestos que el vino blanco. Las
bebidas destiladas tienen un espectro bastante diferente de alcoholes superiores, que
incluyen butanoles y pentanoles. El glicerol, alcohol polihídrico, está presente en casi
todas las bebidas alcohólicas. En el vino, el glicerol se encuentra a concentraciones de
40
hasta el l % (peso/volumen) y confiere cuerpo a esta bebida.
En muchas bebidas y licores, los ésteres constituyen un grupo importante de compuestos
volátiles debido a su penetrante aroma afrutado. Entre ellos, el acetato de etilo está
presente en muchas bebidas a concentraciones organolépticamente importantes. Otros
ésteres importantes incluyen el formiato de etilo y el acetato de isoamilo.
El acetaldehído, con propiedades organolépticas indeseables, se produce como un
compuesto intermedio durante las fermentaciones alcohólicas, obteniéndose niveles altos
por tasas de levaduras elevadas o excesiva aireación. El diacetilo y la pentano-2,3-diona,
formados fuera de las células de la levadura por decarboxilación oxidativa del α-acetolato
y el β-cetohidroxibutirato, tienen aromas y sabores indeseables característicos. Las
levaduras pueden reducir el diacetilo y la pentano-2,3-diona. La presencia de exceso de
diacetilo en la cerveza se produce cuando el α-acetolactato aparece en una etapa en la
que las levaduras ya han sedimentado o han perdido su capacidad para reducir el
diacetilo a acetoínao El exceso de diacetilo en la cerveza también puede deberse a la
presencia de organismos que la deterioran, como Pediococcus y Lactobacillus.
Durante la fermentación primaria del mosto se producen cantidades considerables de SH2
provenientes de la reducción de los compuestos azufrados. Aunque en la cerveza pueden
ser aceptables cantidades pequeñas de compuestos azufrados, y en la cerveza normal el
SO2 está usualmente presente a concentraciones por debajo de su umbral de sabor, el
exceso produce aromas y sabores desagradables. El dióxido de azufre influye
positivamente en la fermentación alcohólica, puesto que se une al acetaldehído y además
inhibe algunas de las reacciones de oxidación indeseables. En el mosto del vino, el SO2
inhibe algunos microorganismos indeseables, entre ellos las bacterias del ácido láctico y
ácido acético, así como algunas levaduras naturales que producen un exceso de ácidos
volátiles, piruvato y α-cetoglutarato. Además la producción del desagradable sabor del
40
ácido acético también inhibe las fermentaciones de levaduras, particularmente combinado
con el etanol. Saccharomyces cerevisiae es más susceptible a esta inhibición que
Saccharomycoides ludwigii y Schizosaccharomyces pombe. En los mostos cuya acidez total
es baja, es muy útil emplear SO2 para inhibir la fermentación malo-Láctica por las
bacterias del ácido láctico, impidiendo la disminución posterior del nivel de ácido. Una
concentración elevada de SO2 puede retrasar el comienzo de la fermentación.
1.3.4.1. Fermentación malo-Láctica: El bajo pH del mosto y del vino suministran un
medio selectivo para el crecimiento de las bacterias del ácido acético y del ácido láctico,
aunque la supervivencia de las primeras sea usualmente corta debido a las propiedades
reductoras del medio. Las bacterias lácticas del vino son anaerobias facultativas u orga-
nismos microfílicos que son homofermentivos (todas las Pediococcus y algunos
Lactobacilus producen ácido láctico a partir de glucosa) y heterofermentivos (todos los
Leuconostoc y algunos Lactobacilus producen ácido láctico, etanol y CO2 a partir de la
glucosa). Las bacterias lácticas pueden metabolizar los ácidos málico y tartárico presentes
en el vino a concentraciones elevadas, así como al ácido cítrico, presente en cantidades
más bajas. En las regiones del norte productoras de vino puede ser deseable la reducción
bacteriana de los ácidos, mientras que en otras regiones. en las que la concentración de
ácidos es pequeña, es importante impedir la posterior pérdida de acidez. También existen
métodos químicos para reducir la acidez. La reducción de los ácidos puede impedir el
deterioro de los vinos de pH elevado. A pH 3,3 - 3,4, los Leuconostoc oenus fermentan el
ácido málico aunque los Pediococcus no lo hacen. Los Leuconostoc se adaptan bien a los
pH bajos y generalmente se prefieren siempre que se desee una fermentación malo-
láctica. Una fermentación malo-Láctica por Pediococcus va con frecuencia acompañada de
la formación de diacetilo e histamina, indeseables.
40
1.3.5. Desarrollo del inóculo: El desarrollo del inóculo en condiciones óptimas, permite
obtener poblaciones genotípicas idénticas, minimizar las pérdidas del microorganismo
durante la activación, estabilizar la fisiología con el objeto de mejorar la producción. Algunos
aspectos a tener en cuenta para obtener un buen inóculo tienen que ver con las condiciones
en las cuales se trasladan las células del medio de conservación al medio de activación; ello
implica condiciones asépticas y un buen método para determinar biomasa; así se logra
obtener una curva de crecimiento, la cual indica los cambio fisiológicos a través del tiempo.
1.3.6. Fases de crecimiento celular: Las fermentaciones transcurren siguiendo fases de
latencia, logarítmica y estacionaria temprana de la curva de crecimiento de las levaduras.
Gráfica 2. Fases de crecimiento celular
Fuente: Microbiología de los alimentos, fundamentos y fronteras (8).
Durante la fase de latencia (6 – 12 Horas), la S. cerevisiae utiliza el oxigeno disuelto en el
mosto, para restaurar el aporte de ácidos grasos insaturados y esteroles y para ajustar las
condiciones anaerobias, ácidas, alcohólicas al final de la fermentación previa al ambiente
muy diferente del mosto fresco.
40
Los subproductos de la ruta EMBDEM- MEYERHOT descrita en la Figura 4, la principal
ruta metabólica en condiciones anaeróbicas de fermentación, contribuyen al aroma, pero
los subproductos del metabolismo nitrogenado de las levaduras tiene un efecto más
importante. S. cerevisiae tiene un número limitado de permeasas para aminoácidos, la
mayoría de los aminoácidos debe sintetizarse, puesto que, o no se absorten del mosto o no
son transportados en la cantidad adecuada. Los cetoacidos que son intermediarios en la
ruta biosintetica, pueden convertirse en alcoholes superiores (aceites de fusel).
Figura 4 Ruta Embdem- Meyerhot,
Fuente: Microbiología de los alimentos, fundamentos y fronteras (8).
El pH del mosto suele de ser de 5.1 a 5.2 y disminuye durante la fermentación hasta 3.8
a 4.0, sobre todo durante el periodo de crecimiento de las levaduras.
1.3.7. Curva de crecimiento de los microorganismos: se divide en cuatro fases que
serán descritas a continuación:
1.3.7.1 Fase de latencia: Cuando las células se transfieren de un medio a otro no existe
inicialmente un aumento en el número de células, aunque la masa molecular puede
cambiar. Durante la fase de latencia los microorganismos se adaptan a su nuevo
40
ambiente. Debido a esta transferencia al nuevo medio probablemente serán alterados por
las células del inóculo varios parámetros: cambios en el valor del pH, aumento del
suministro de nutrientes, descenso en los inhibidores del crecimiento. En las células
deben ser inducidos nuevos sistemas de transporte. Fuera de la célula pueden difundirse
cofactores esenciales y las enzimas del metabolismo primario deben ajustarse a las
nuevas condiciones.
Además, la condición fisiológica del inóculo es crucial respecto de la longitud de la fase de
latencia. Si el cultivo que se va utilizar como inóculo se encuentra todavía en la fase
logarítmica, puede no existir periodo de latencia y el crecimiento puede comenzar
inmediatamente. Sin embargo, el inóculo que se toma de un cultivo en el que se ha
detenido el crecimiento debido a una limitación de un sustrato necesita más tiempo para
adaptarse a la nueva solución de nutrientes. La concentración del inóculo tiene también
influencia en la fase de latencia.
1.3.7.2. Fase logarítmica: Al final de la fase de latencia las células se han adaptado a las
nuevas condiciones de crecimiento. El crecimiento de la masa celular puede ahora ser
descrito cuantitativamente en función de la duplicación del número de células por unidad
de tiempo (levaduras y bacterias) o por la duplicación de la biomasa por unidad de tiempo
(organismos filamentosos como estreptomicetos y hongos). Representando el número de
células o la biomasa frente al tiempo en una gráfica semilogaritmica que obtiene una
línea recta de ahí el nombre de fase logarítmica.
Aunque las células alteran el medio debido a la toma de sustratos y la secreción de
productos metabólicos, la velocidad de crecimiento permanece constante durante la fase
logarítmica. La velocidad de crecimiento es independiente de la concentración de sustrato
en tanto que exista exceso de sustrato. La velocidad de aumento de biomasa está
relacionada con la velocidad específica de crecimiento µ, y con la concentración de la
40
biomasa X (g / L) mientras que la velocidad de descenso es el número de células está
correlacionada con µ y con la densidad celular N.
dX = µ X dt dN = µ N dt La velocidad específica de crecimiento µ generalmente es función de tres parámetros: la
concentración del sustrato limitante S, la velocidad máxima de crecimiento µ max y una
constante específica de cada sustrato Ks
µ = µ max S____ Ks + S
Esta ecuación es generalmente conocida como la ecuación Monod, la constante Ks es la
concentración del sustrato a la que se obtiene la mitad de la velocidad específica de
crecimiento máximo (µ = 0.5 µ max) Ks, equivale a la constante de Michaelis en cinética
enzimática.
Si existe un exceso de todos los substratos, entonces µ = µ max y el cultivo está en la fase
logarítmica a su velocidad máxima de crecimiento. Si se ha agotado un sustrato y está
presente todavía otro sustrato, puede existir una segunda fase logarítmica durante el
metabolismo de este segundo sustrato con una velocidad especifica de crecimiento, µ 1.
Las velocidades máximas de crecimiento son de considerable importancia industrial. El
valor µm depende del microorganismo y de las condiciones de fermentación. Las
velocidades específicas de crecimiento varían entre 0.09 - 0.61 h-1. Puesto que un
organismo necesita energía adicional para degradar sustratos con cadenas largas. La
velocidad específica de crecimiento para sustratos sencillos es mayor que para moléculas
de cadenas largas.
40
1.3.7.3. Fase estacionaria: Tan pronto como el sustrato es metabolizado o se han
transformado en sustancias tóxicas, el crecimiento desciende o se detiene completamente.
La biomasa aumenta sólo gradualmente o permanece constante durante esta fase
estacionaria, aunque la composición de las células puede cambiar. Debido a la lisis se
liberan nuevos sustratos (carbohidratos y proteínas) que pueden servir como fuentes de
energía para el crecimiento lento de los supervivientes. Los tintos metabolitos formados
en la fase estacionaria son frecuentemente de gran interés biotecnológico.
1.3.7.4. Fase de muerte: En esta fase las reservas de energía de las células se agotan.
Cuando se representan en forma semilogaritmica los supervivientes frente al tiempo,
puede ser obtenida una línea recta, lo que indica que las células mueren a una velocidad
exponencial.
La longitud de tiempo entre la fase estacionaria y la fase de muerte dependen del
organismo y del proceso utilizado. En los procesos comerciales de fermentación
frecuentemente se interrumpen al final de la fase logarítmica o antes de que comience la
fase de muerte.
1.4. DESTILACIÓN
La separación del alcohol del mosto puede conseguirse por destilación, pues el punto de
ebullición de aquel es muy distinto que el del agua y de las demás partes constituyentes
del mosto. Se encuentra a los 78,3ºC snm, en el caso de Bogotá por el factor de
corrección el punto de ebullición es 70.3ºC (9). El punto de ebullición de estas mezclas
encuentra entre los del alcohol y del agua, y en realidad tanto mas bajo cuanto más alta
es la proporción de alcohol. Como en la destilación el residuo líquido que queda va siendo
cada vez mas pobre, aumenta su punto de ebullición y la cantidad de alcohol de los
vapores es cada vez menor hasta que el mosto queda libre de alcohol.
40
1.4.1. Bebidas destiladas: Son las descritas generalmente como aguardientes y licores;
sin embargo la destilación, agrupa a la mayoría de las bebidas alcohólicas que superen
los 20º de carga alcohólica. Entre ellas se encuentran bebidas de muy variadas
características, y que van desde los diferentes tipos de brandy y licor, hasta los de
whisky, anís, tequila, ron, vodka, cachaça y gin entre otras.
1.4.2. Principio de destilación: La destilación es una de las operaciones unitarias más
empleadas para la separación de los componentes de una mezcla. Esta separación se
produce gracias a la diferencia de volatilidad entre las sustancias que forman la mezcla.
El componente de mayor volatilidad sale por cabeza mientras que el menos volátil se
obtiene por fondo.
Una columna de destilación está formada habitualmente por una carcasa cilíndrica, un
condensador y un evaporador. En el interior de la carcasa se suele disponer un relleno o
una serie de platos para que la separación se lleve a cabo de la mejor manera posible y de
esta manera se aumenta la eficacia.
El evaporador proporciona la energía necesaria para llevar a cabo la separación.
El condensador enfría el vapor para condensarlo y mejorar la eficacia de la
destilación, mientras que el acumulador de reflujo almacena el vapor condensado
para introducir una parte de éste de nuevo a la columna como reflujo.
La alimentación se suele introducir en una de las etapas intermedias y a partir de ahí
se divide la columna en una sección de rectificación o enriquecimiento y en una
sección de agotamiento.
Normalmente es necesario realizar más de una etapa de destilación para alcanzar la
pureza requerida en los componentes destilados.
40
Figura 5 Esquema general de un destilador
Fuente: Industrias FIQ S.A.
1.4.2.1 Tipos de columnas: El proceso de destilación se puede realizar en diferentes
tipos de columnas que pueden clasificarse, en relación a sus dispositivos internos en:
Columnas de platos
Columnas de relleno
Atendiendo al modo de operación se encuentran los siguientes tipos de destilación:
Destilación por cargas (o discontinua): se introduce la mezcla a destilar
directamente en el hervidor y el vapor pasa a una columna de fraccionamiento. Se
emplea para recuperar componentes volátiles de una mezcla y cuando la cantidad a
tratar es pequeña.
Destilación continua: la alimentación se introduce continuamente a la columna. Es
la manera más común de operar.
40
Según el número de componentes que contenga la mezcla entrante a la columna se
distinguen:
Destilación binaria: la mezcla entrante a la columna está formada únicamente por
dos compuestos.
Destilación multicomponente: se realiza la separación de una mezcla compuesta
por más de dos sustancias químicas.
Otros tipos de destilación especiales son:
Destilación azeotrópica: si la mezcla presenta un azeótropo no se puede separar por
destilación simple, es necesario añadir otro componente para romper la mezcla
azeotrópica.
Destilación extractiva: se introduce un disolvente a la columna que altera las
volatilidades relativas de los componentes de la mezcla.
1.4.2.1.1. Columnas de platos: En las columnas de platos la operación se lleva a cabo
en etapas. El plato va a proporcionar una mezcla íntima entre las corrientes de líquido y
vapor. El líquido pasa de un plato a otro por gravedad en sentido descendente, mientras
que el vapor fluye en sentido ascendente a través de las ranuras de cada plato,
burbujeando a través del líquido.
Al plato se le exige que sea capaz de tratar las cantidades adecuadas de líquido y vapor
sin una inundación o un arrastre excesivos, que sea estable en su funcionamiento y
resulte relativamente simple en cuanto a instalación y mantenimiento. También es
importante conseguir que la caída de presión en el plato sea mínima. El número de
platos necesarios para efectuar una separación dada vendrá determinado por distintos
factores, que se analizarán a continuación. Por lo general cuanto mayor sea el número de
platos de la torre, mayor será la separación conseguida
40
Se pueden encontrar diferentes tipos de platos:
Platos de campanas de barboteo: ha sido el plato más ampliamente utilizado, las
campanas están colocadas sobre unos conductos de subida
Platos perforados: su construcción es mucho más sencilla, requiriendo la perforación
de pequeños agujeros en la bandeja.
Platos de válvulas: es un intermedio entre los de campanas de barboteo y los platos
perforados. La construcción es similar a los de campanas, cada agujero tiene por
encima una válvula que se eleva ante el paso del vapor.
Figura 6 Distintos tipos de platos: 1.plato de barboteo, 2. plato de válvulas, 3. plato perforado
Fuente: Industrias FIQ S.A.
Normalmente el tipo de plato más empleado es el plato perforado, debido principalmente a
su economía. Si se requiere una mayor flexibilidad entonces se hará uso de los platos de
válvulas; actualmente los platos de barboteo aparecen únicamente en los casos en que es
necesario controlar el tiempo de residencia para que se dé una determinada reacción
química o si el flujo de vapor es insuficiente y se produce un goteo del líquido.
1.4.2.1.2. Columnas de relleno: En las columnas de relleno la operación de
transferencia de masa se lleva a cabo de manera continua. La función principal del
relleno consiste en aumentar la superficie de contacto entre el líquido y el vapor,
aumentar la turbulencia y por tanto mejorar la eficacia. A medida que aumenta el tamaño
del relleno disminuye la eficiencia de la transferencia de materia y aumenta la pérdida de
1 2 3
40
carga, por tanto para determinar el tamaño óptimo de relleno habrá que llegar a un
compromiso entre estos dos factores.
La selección del material de relleno se basa en criterios como resistencia a la corrosión,
resistencia mecánica, resistencia térmica y características de mojado. Además, es
necesario disponer un distribuidor de líquido en la parte superior de la columna para
asegurar que el líquido moje de manera uniforme todo el relleno y no se desplace hacia
las paredes.
Se tienen varios tipos de relleno:
Al azar: este tipo de relleno es bastante económico y suelen ser de materiales
resistentes a la corrosión (metálicos, cerámicos o de plástico). Los rellenos más
empleados eran los anillos Rashig y las sillas o monturas Berl, pero ahora han sido
reemplazados por otros más eficientes como los anillos Pall, las monturas Intalox y los
anillos Bialecki.
Estructurado: es bastante más caro por unidad de volumen que el relleno al azar,
pero ofrece mucha menos pérdida de carga por etapa y tiene mayor eficiencia y
capacidad.
El empleo de columnas de relleno frente a las de platos se ve favorecido en los siguientes
casos:
cuando las columnas son de pequeñas dimensiones ( menos de 0,6m de diámetro y
una altura de relleno inferior a 6m)
si se tienen sustancias corrosivas o se forma mucha espuma
si se requiere que la pérdida de carga en la columna sea pequeña
si la velocidad del líquido es elevada
1.4.2.2. Funcionamiento: El funcionamiento de toda columna de destilación se basa en
que existe un vapor que asciende por la columna el cual se encuentra con un líquido que
40
desciende, entonces se produce una transferencia de materia y energía en cada etapa
(bien sea un plato o una porción de relleno). Aunque la alimentación sea un líquido
subenfriado, el vapor aparece como consecuencia del evaporador situado en la parte
inferior de la columna, hay que tener en cuenta que los únicos aportes de calor a lo largo
de la columna se realizan en el evaporador y en el condensador.
El vapor, a medida que se aproxima a la parte superior de la columna, se enriquece en los
componentes volátiles de la mezcla, mientras que el líquido que circula en contracorriente
arrastra los componentes más pesados.
Las corrientes que salen de cada etapa se encuentran en equilibrio pero las que entran no
lo están. Las corrientes de líquido están en sus puntos de burbuja y las corrientes de
vapor en sus puntos de rocío, por tanto se produce un intercambio calorífico entre ambas
corrientes.
1.4.3. Rectificación: En la rectificación los líquidos que hay que expulsar del alcohol,
son puestos en ebullición por la corriente ascendente de los vapores, así se tiene de piso
en piso un creciente aumento de riqueza alcohólica de los vapores, mientras que el peso
específico del líquido de la caldera va creciendo uniformemente.
1.5. GENERALIDADES DEL ALCOHOL La familia de los alcoholes es extensa y sus propiedades diversas, podríamos tomar por
ejemplo el monoalcohol etanol, que puede presentarse como alcohol para tomar (a
diversas concentraciones) o como alcohol desnaturalizado (mezclado con otros alcoholes y
sustancias de sabor y olor desagradable). El alcohol de 95% contiene 95 partes de alcohol
por 5 de agua y el alcohol absoluto es etanol sin agua. Por la diversidad que los alcoholes
presentan conviene establecer su clasificación.
40
1.5.1. Tipos de alcoholes: Los alcoholes son compuestos orgánicos en cuya estructura
se encuentra una cadena de carbonos que tiene inserto uno o varios grupos -OH, este
grupo se llama oxhidrilo. Por ejemplo el CH3CH2-OH.
1.5.1.1. Alcohol etílico (CH3CH2-OH): Llamado también alcohol de caña o de grano,
alcohol aethylicus, spiritus vini, se produce en grandes cantidades por fermentación de
azúcares; no es raro encontrarlo en pequeñas cantidades en algunos frutos.
Tradicionalmente se prepara por fermentación de carbohidratos por levadura. En el
proceso, la levadura emplea el azúcar como alimento. Muchos organismos llevan a cabo
un tipo de respiración anaerobia llamada fermentación alcohólica.
La ecuación general que resume este fenómeno biológico es:
C6H12O6--------> 2CO2 + CH3CH2-OH + Energía
El proceso de fermentación dura de 1 a 3 días alcanzando concentraciones alcohólicas de
hasta 14%. Cuando el alcohol se destila se obtienen los alcoholes destilados que alcanzan
concentraciones altas (95%) o intermedias (40-45 %). Cuando el alcohol se destila se
obtienen los alcoholes destilados, obteniéndose ron, brandy, aguardiente, whisky. El
alcohol etílico se usa para fabricar ácido acético, en productos farmacéuticos, perfumes y
bebidas. El alcohol etílico es antipútrido. En pequeñas cantidades excita y embriaga, en
mayores cantidades intoxica. Los grados alcohólicos corresponden al % en volumen de
alcohol etílico que contiene el producto.
El etanol tiene un punto de fusión de -114,1 °C, un punto de ebullición de 78,5 °C y una
densidad relativa de 0,789 a 20 °C.
40
El almidón de la papa, del maíz y de otros cereales constituye una excelente materia
prima. La enzima de la levadura, la zimasa, transforma el azúcar simple en alcohol y
dióxido de carbono.
1.5.1.2. Alcohol de materias amiláceas: El proceso para obtener alcohol sustancias
amiláceas, requiere un tratamiento previo para disolver el almidón, que es la fuente de
alcohol en este caso, seguido de un proceso con enzimas que formará el azúcar
fermentable.
1.5.1.3. Especificaciones Del Alcohol De Papa:
Tabla 7 Especificaciones Del Alcohol De Papa
Aspecto Coloración menor, líquido Claro y transparente, libre de suspensión y sedimento.
Olor y Sabor Libre de olor y sabor extraño. Característico alcohol etílico
Grado de alcohol > 96.2% Vol Aldehídos (Acetaldehídos) <= 2 mg/L Acidez (Ac. Acético) <= 5mg/ L Esteres (Acetato de etilo) <= 5mg/L Alcoholes superiores <= 2 mg/L Furfural No detectable Metanol <=10mg/L
Fuente: Rojas, Alvaro. Estudio de Factibilidad para el montaje de una planta productora de
alcohol de papa. 1993(44)
40
2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. PREEXPERIMENTACIÓN
Para lograr obtener los parámetros de experimentación del proyecto es necesario realizar
una serie de ensayos al azar para determinar las variables mas importantes a controlar
dentro de nuestro proceso, para esto nos basamos en datos teóricos ya probados en otro
tipo de condiciones, que podían funcionar. Con base en la preexperimentación se
determinaran las condiciones de trabajo de la experimentación.
2.1.1. Selección de la materia prima (papa): La selección se realiza con base en el
estudio realizado por la ELC(44), donde se evaluó la cantidad de almidón de diferentes
variedades de papa en el país.
2.1.2. Cocción: Se realiza cubriendo la papa con agua, dejándola a ebullición entre 45 –
60 minutos (32).
2.1.3. Trituración: Es necesario disminuir el tamaño del almidón gelatinizado para
lograr que las enzimas puedan penetrar uniformemente y se realice una hidrólisis
completa. Para la trituración se hacen ensayos macerando manualmente y en una
licuadora industrial; se emplea para ello el agua que sale de la cocción (agua vegetativa),
se utilizan diferentes concentraciones de agua para observar la que no impida el trabajo
mecánico en el momento de la hidrólisis. Se realizan pruebas con el 50, 60 y 70% de
agua con respecto a la cantidad total de papa.
2.1.4. Hidrólisis: En la revisión bibliográfica se encontró que la hidrólisis se podía hacer
por dos métodos: Hidrólisis ácida e Hidrólisis enzimática; los procesos para obtención de
alcohol se realizan por medio de hidrólisis enzimática, pues este proceso es el apto para
40
productos de consumo humano. En estudios realizados por la Universidad Tecnológica de
Compiegne (Francia) y la Empresa de Licores de Cundinamarca, el proceso de hidrólisis
se realiza satisfactoriamente con enzimas termoestables LIQUOSYME (alfa amilasa)
SANSUPER (amiloglucosidasa) y NOVOZYME (carbohidrasa)(44) , las cuales se encuentran
disponibles en nuestro país; para el proyecto no fue posible utilizar estas enzimas debido
a su alto costo.
Además, se consultó un estudio realizado en la Universidad de Santander, en donde
realizaron la hidrólisis por medio de Aspergillus niger(31), en el estudio se concluyó que la
hidrólisis requería de un tiempo aproximado de 60 horas y que no se ha probado a nivel
industrial, razón por la cual no se hizo con dicho microorganismo.
Analizando otros procesos de obtención de alcohol a partir de materias amiláceas,
encontramos que la malta es utilizada como fuente de enzimas (alfa amilasa, beta
amilasa) para el desarrollo de la hidrólisis; en las destilerías alemanas este proceso es
realizado con una proporción del 2%. En la elaboración de cervezas de diferentes cereales
se suele usar una proporción de malta de 8 – 12% y la maceración puede durar un tiempo
entre 2 y 3 horas (32).
A partir de estos antecedentes, se realizan varios experimentos al azar en donde se
evalúan otras variables que influyen en el proceso como: cantidad de malta, proporción
de agua/malta, temperatura, tiempo, y pH.
2.1.4.1. Cantidad de malta para el proceso: las proporciones a evaluar de malta con
respecto al mosto son de 2%, 6%, 10%, 15%, 20% valoradas en muestras maceradas y
trituradas. Para determinar la mejor concentración el parámetro a controlar será el
tiempo de sacarificación, con el que se establece la concentración más eficaz.
40
2.1.4.2. Proporción (agua/malta): Es necesario activar las enzimas antes del
procedimiento, para esto se utiliza el agua vegetativa, según Vogel (53) la proporción ideal
se en cuenta entre 2.5: 1 y 3:1 (agua/malta). Se valora la proporción adecuada de
acuerdo al tiempo de sacarificación.
2.1.4.3. Temperatura: La temperatura ideal para que las alfa-amilasas actúen con
máximo efecto esta entre 70 y 75 ºC, en este momento estas enzimas atacan el almidón
intacto, dejándolo en cadenas más simples. También están las beta amilasa, que parten
estas cadenas por los dos extremos en grupos de dos en dos como la maltosa. El efecto de
las beta amilasa se sitúa entre los 60 y 68ºC, pero también se desarrollan a temperaturas
de 70ºC, aunque de forma más lenta (11).
2.1.4.4. pH: el pH ideal es 5.1 a 5.5. si el pH esta por encima de este rango se
disminuye con una ácido orgánico, para que las enzimas estén en las condiciones
óptimas de desarrollo.
2.1.4.5. Determinación de azúcares: Se realiza por medio del método volumétrico
general de Lane – Eynon, método oficial AOAC 923.09 de 1995(41). Se realizará primero
para la papa hidrolizada con ácido Clorhídrico y después para la papa hidrolizada con
malta.
2.1.5. Fermentación.
2.1.5.1. El cultivo iniciador: se realiza tomando una muestra de papa hidrolizada,
inoculándola con el 8%, 10% y 12% en peso de levadura, en condiciones asépticas,
procurándole oxigeno, al comienzo de la fermentación, se incuba a 20ºC durante 24
horas. Al las 24 horas, se inocula mosto fresco con el 5% del mosto ya fermentado; esto se
realiza también a las 48, 72 y 96 horas.
40
A las 96 horas se realizan una serie de diluciones de 10-1,10-3, 10-5 para posteriormente
sembrar por superficie en Agar Sabouraud y determinar la cantidad de microorganismos
viables de la levadura.
2.1.5.1.1. Técnica de recuento por siembra en superficie: las cajas de petri se
inoculan por triplicado con 0.1 ml de cada una de las diluciones, el inóculo se disemina
por toda la superficie con un asa de vidrio estéril. Posteriormente se invierten las cajas y
se introducen a la incubadora a 35ºC por 72 h. Trascurrido este tiempo se cuentan las
colonias en aquellas cajas que muestren entre 30 – 300 colonias aisladas.
Para determinar el número total de colonias se multiplica las colonias contadas por el
factor de dilución y por el factor de alícuota, los resultados se reportan en UFC/g o ml.
Igualmente se puede utilizar la siguiente Ecuación:
Ecuación 1 Determinación del número de colonias
dnnC
)21.01( +∑
Fuente: Microbiología de los alimentos, fundamentos y fronteras(8)
Donde:
∑C: Es la suma de colonias contadas en todas las cajas
n1: es el número de colonias contadas de la primera dilución en donde el número total
de colonias se encuentra entre 30 -300
n2: es el número de colonias contadas de la segunda dilución en donde el número total
de colonias se encuentra entre 30 -300
d : es el factor de la dilución con se obtuvo el primer recuento
40
2.1.5.2. Inoculación: Las levaduras se siembran a razón de una libra de cultivo
iniciador por barril de mosto (143.2 L)(5). En porcentaje esto sería un 0.32% de inóculo.
2.1.5.3. Control de Azúcares: Al mosto antes y después de la fermentación se le
controlan los azúcares tomando los ºBrix y expresándolos como azúcares reductores por
medio de la tabla del Anexo 1.
2.1.6. Diseño Experimental: Se desarrollan cuatro experimentos, dos de ellos con la
temperatura constante a 70ºC, utilizando malta activada en proporción 2.5:1 y 3:1; los
otros dos experimentos dejando la mitad del tiempo a temperaturas en el rango favorable
para la actividad de la alfa amilasas (72 ºC) y el resto del tiempo (63 ºC), para activar las
beta amilasas, usando las mismas proporciones de malta.
Los experimentos se codificaron para facilitar la lectura así:
A = 2% de malta
B = 6% de malta
C = 10% de malta
D = 15% de malta
E = 20% de malta
F = 2:5: 1 malta/agua
G = 3:1 malta/agua
H = temperatura constante 70ºC
I = temperatura 72 ºC al principio y 63ºC
hasta el final del proceso
J = Puré licuado
K = puré macerado
52
Las diferentes combinaciones de estas variables se encuentran en la Tabla 8 presentada a
continuación.
Tabla 8 Diseño Experimental 1. A F H J 11. A F I J 21. A G H J 31. A G I J 2 A F H K 12. A F I K 22. A G H K 32. A G I K 3. B F H J 13. B F I J 23. B G H J 33. B G I J 4. B F H K 14. B F I K 24. B G H K 34. B G I K 5. C F H J 15. C F I J 25. C G H J 35. C G I J 6. C F H K 16. C F I K 26. C G H K 36. C G I K 7. D F H J 17. D F I J 27. D G H J 37. D G I J 8. D F H K 18. D F I K 28. D G H K 38. D G I K 9. E F H J 19. E F I J 29. E G H J 39. E G I J 10. E F H K 20. E F I K 30. E G H K 40. E G I K
Fuente: Las autoras
Los ensayos se realizaron por duplicado.
2.2. EXPERIMENTACIÓN
El proceso para la obtención de alcohol a partir de almidón (papa), se divide en varias
etapas, en las cuales se debe tener en cuenta variables como son: temperatura, tiempo,
concentración del mosto y pH, para el correcto desarrollo del proceso; en la fase de
preexperimentación se determinaron los parámetros para cada una de estas variables por
medio de un diseño factorial completamente al azar. A continuación se describirá el
proceso mediante un diagrama de flujo que se puede observar en la Figura 7, luego
explicaremos detalladamente los métodos más relevantes en la elaboración del alcohol.
53
Figura 7 Diagrama de flujo del proceso de obtención de etanol a partir de papa
Rectificación
Lodos Agua
Mosto filtrado
Alcohol
Otros productos
Otros productos
CO2
Mezcla
Malta activada
Agua Vegetativa
Recepción
Limpieza
Pesaje
Cocción
Trituración
Hidrólisis
Fermentación
Filtración
Destilación
Impurezas
Agua
Papa
Malta
Vapor de Agua
Levadura
Etanol
Papa limpia
Papa cocida
Puré
Puré sacarificado
Mosto
54
2.2.1. Material
2.2.1.1. Materia prima:
Papa parda pastusa
Agua potable
Ácido cítrico
Malta
Cepa Saccharomyces cerevisiae
2.2.1.2. Equipos
Marmita
Licuadora Fermentador
Destilador Cromatógrafo de gases
Refractómetro Potenciómetro Picnómetro
Implementos de laboratorio
2.2.1.3. Reactivos
Tintura de yodo 0.2 N
Solución de Felhing A y B
Azul de metileno
NaOH
2.2.2. Hidrólisis: Antes de realizar el proceso de hidrólisis se hace necesario someter las
materias primas a una serie de tratamientos previos, que se describen a continuación:
2.2.2.1. Limpieza: En este caso, las papas se deben someter a una limpieza a fondo,
antes de su empleo; pues la porción de tierra y lodo que llevan adheridas y en especial si
55
ya se ha iniciado la putrefacción, afectaría la fermentación y causaría un desgaste rápido
de los aparatos.
2.2.2.2. Tratamiento: El almidón debe estar continuamente remojado, por lo que en
caso de que este muy seco, se humedece el día anterior controlando el agua que
absorben. La papa se puede mojar antes o dentro del aparato cocedor; (se introduce el
agua necesaria, y se lleva a ebullición).
Con la cocción ocurre en primer lugar una absorción de agua en los granos de almidón,
los cuales se hinchan, hasta llenar completamente el interior de las células, con lo que el
agua no necesaria para la gelatinización es expulsada a través de las paredes celulares;
esta agua debe ser eliminada para obtener un mosto lo más concentrado posible. Por la
acción de las elevadas temperaturas en la cocción, las paredes celulares quedan de tal
modo alteradas, que pueden ser atravesadas por las enzimas.
Después de la cocción, se deben triturar las papas hasta que queden reducidas a puré,
pues todo granulo de almidón grande resiste la sacarificación enzimática, debido
probablemente a la presencia de recubrimientos de los materiales poliméricos(53). La masa
obtenida se debe enfriar para que al entrar en contacto con la malta no se destruyan las
diastasas.
2.2.2.3. Preparación del mosto de las sustancias amiláceas: La preparación del mosto
tiene por objeto convertir en azúcar (maltosa) susceptible a fermentación, la sustancia
amilácea gelatinizada. El almidón puede transformarse en azúcar de tres maneras:
La cantidad de maltosa producida depende de la concentración del mosto, de la duración
de la acción de las diastasas.
Con malta
Con ácidos
56
Mediante el proceso amilo, en el que se transforma el almidón en glucosa, además que
promueven su transformación en alcohol.
El proceso de hidrólisis se lleva a cabo con malta, pues no solo contiene α y β amilasa,
sino también enzimas que degradan los enlaces α- 1- 6 de las dextrinas límite (productos
de la hidrólisis del almidón) (53). La malta a utilizar es procedente de Australia, de variedad
Gairdner y tiene un poder diastásico de 86ºASBC (American Society of Brewing
Chemistsy), un contenido de humedad de 4.9% y se encuentra molida.
2.2.2.4. Maceración: Consiste en mezclar el almidón cocido y la malta con agua
vegetativa en una proporción de 2.5: 1 (agua/malta) a una temperatura determinada
35ºC, para que se disuelvan en ella los almidones y demás componentes. Se utiliza una
concentración de malta del 10% con respecto al peso total del mosto. Una vez disueltos,
se eleva la temperatura a 72ºC y luego se baja 63ºC, para que actúen las enzimas de la
malta sobre los almidones produciendo diferentes tipos de azúcares fermentables y no
fermentables, así como otros componentes secundarios de mayor o menor importancia
para el proceso. Los ensayos se realizan por triplicado. La maceración provoca en los
gránulos de almidón los siguientes tres efectos:
2.2.2.4.1. Aumento de la viscosidad: El almidón que contienen los granos están
almacenados en pequeñas celdillas, que al ser humedecidas por el agua la absorben y se
hinchan hasta llegar a reventar su contenido de almidón, el cual se disuelve en el agua
produciendo el aumento de la viscosidad.
2.2.2.4.2. Licuación: Los almidones que han producido el aumento de la viscosidad de
la maceración, tras ser liberados de sus celdillas, contienen cadenas de moléculas de
restos de glucosa como amilasa y amilopectina. Estas cadenas son inmediatamente
atacadas por las enzimas alfa amilasa transformándolas en cadenas más pequeñas y
57
reduciendo con ellas la viscosidad de la maceración.
2.2.2.4.3. Sacarificación: Tras la ruptura de las cadenas largas de moléculas (amilosa y
amilopectina) por las alfa amilasas, se consiguen cadenas mas cortas de moléculas de
dextrinas (entre otros azúcares) de 7 hasta 12 restos de glucosa, que son atacadas por las
beta amilasas hasta obtener azúcares simples. El efecto final de las dos amilasas es la
consecución de cadenas de dos elementos como la maltosa y cadenas de más elementos
como glucosas y maltotriosas. La siguiente figura ilustra el proceso de hidrólisis durante
la preexperimentación.
Figura 8 Experimentación de hidrólisis en el laboratorio
Fuente: Las autoras 2.2.2.5. Control de hidrólisis: Se realiza el método de la prueba del yodo, el cual se
usa al 0.2 N mezclándolo con una muestra de la maceración en proporciones iguales, si
la mezcla resultante oscurece el color indica que la sacarificación no es completa. Esta
habrá llegado a completarse en el momento que la mezcla de una muestra de maceración
y de yodo no altere el color de la tintura. Se realiza una toma de muestra cada 5 min.
2.2.2.6. Eficiencia de la sacarificación: Esta se hará con el fin de determinar los
almidones que no se convirtieron en azúcar, se utilizará la siguiente fórmula.
Ecuación 2 Eficiencia de la sacarificación
η = Azúcar Formado X 100 Azúcar esperado Fuente: Apuntes planta piloto (1)
58
2.2.3. Fermentación: Se efectúa con levadura Saccharomyces cerevisiae, marca
LEVAPAN, la cual se acondiciona por medio de una serie de siembras para lograr un
cultivo iniciador y estos inóculos de levadura en condiciones satisfactorias deben añadirse
en la cantidad correcta al mosto en el tanque de fermentación: usualmente 1 x 107 a 2 x
107 células por mililitro, aunque a escala industrial es mas conveniente realizar las
medidas en peso. En el curso de una fermentación típica, la población de S. cerevisiae se
incrementa por un factor de 8, es decir, solo tres divisiones celulares, la multiplicación
celular posterior resulta inhibida por la falta de oxigeno, ácidos grasos esénciales y
esteroles (8). El control de la temperatura es importante para el proceso pues por debajo de
los 12- 13 ºC es muy difícil que se inicie la fermentación, por encima de los 35ºC no se
produce porque la levadura cesa su actividad e incluso muere.
2.2.3.1. Cultivo iniciador: Antes de iniciar la inoculación, se hace necesario que la
levadura esté adaptada al medio, con células en estado vegetativo o células susceptibles a
reproducirse, el procedimiento se realiza con el 10% en peso de levadura de acuerdo a lo
descrito en la preexperimentación.
2.2.3.2. Inoculación: Al obtener el cultivo iniciador con un recuento microbiano de más
de 107 células por mililitro, se procede a inocular el mosto a fermentar. Las levaduras se
inoculan a razón de una libra de cultivo iniciador por barril de mosto (143.2 L)(5). Las
Saccharomyces cerevisiae son levaduras de fermentación alta o superficial, que fermentan
a temperaturas entre 15 y 22ºC durante 3 a 5 días.
2.2.3.3. Proceso de fermentación: Se realiza en canecas de plástico de capacidad 15L
con tapa, se debe asegurar que el mosto llegue aproximadamente a la mitad del recipiente
pues las levaduras al ser de fermentación alta, producen espuma que puede rebosarse y
causar pérdidas.
59
Se inoculan 2 mostos con cultivo iniciador que tenga un recuento de 1* 107 células por
mililitro. Las condiciones que se deben tener en cuenta en la fermentación son la
temperatura constante (20ºC), agitación las primeras horas y la ausencia de oxigeno en
el resto del proceso. Durante la fermentación se toman los datos de la concentración de
sólidos (ºBrix) del mosto para determinar el tiempo, además de realizar un seguimiento al
pH y a la densidad.
2.2.3.4. Eficiencia del proceso: se calcula con el fin de determinar los azúcares que no
se convirtieron en alcohol, se utiliza la siguiente fórmula.
Ecuación 3 Eficiencia de la fermentación
η = Etanol Formado X 100 Etanol esperado Fuente: Apuntes planta piloto (1)
2.2.4. Filtración: Se debe filtrar el mosto fermentado para asegurarse que no queden
sólidos suspendidos, que interfieran con el funcionamiento de la bomba de alimentación
del destilador. Además, es importante lavar el lodo resultante de una primera filtración
para obtener el alcohol que pueda estar adherido a este. Esta se realiza con lienzos muy
tupidos para que retenga el máximo de sólidos.
2.2.5. Destilación y rectificación: Se realizan tres experimentos en una columna de
destilación la cual consta de un hervidor de 20L de capacidad con una termocupla, una
columna de destilación con tres termocuplas y condensador en la parte superior. Necesita
un suministro de agua de 20L/h, una potencia eléctrica de 4kW y un voltaje de 110 –
220V, monofásico de 60Hz.
El mosto en la destilación sufre un aumento de concentración del etanol, se obtiene un
alcohol sin rectificar con una concentración de 60-80%, por lo que es necesario rectificar
para separar los aceites de fusel y otros compuestos acompañantes del alcohol. En la
60
rectificación se obtienen un 70% de destilado medio, un 15% de cabezas (contiene
aldehídos y metanol) y 15% de colas de destilación (10).
Se destilan las muestras provenientes de la fermentación a una temperatura de 80ºC y
luego se rectifican cada una de ellas a una temperatura de 58ºC, de acuerdo con los datos
de equilibrio etanol agua y metanol agua, mostrados en la tabla 9 que han sido graficados
y se encuentran en el Anexo 10, los datos de temperatura están corregidos para la
presión de Bogotá en el Anexo 11.
Tabla 9. Datos teóricos de Equilibrio Etanol – agua y metanol-agua.
Componente Temperatura º C
Fracción mol de A en Presión total kPa
A B Líquido Vapor 95.5 0.0190 0.1700 89.0 0.0721 0.3891 86.7 0.0966 0.4375 85.3 0.1238 0.4704 84.1 0.1661 0.5089 82.7 0.2337 0.5445 82.3 0.2608 0.5580 81.5 0.3273 0.5826 80.7 0.3965 0.6122 79.8 0.5079 0.6564 79.7 0.5195 0.6599 79.3 0.5732 0.6841 78.74 0.6763 0.7385 78.41 0.7472 0.7815
Etanol
Agua
78.15 0.8943 0.8943
101.3
100.0 0.0 0.0 96.4 0.020 0.134 93.5 0.040 0.230 91.2 0.060 0.304 89.3 0.080 0.365 87.7 0.100 0.418 84.4 0.150 0.517 81.7 0.200 0.579 78.0 0.300 0.665 75.3 0.400 0.729 73.1 0.500 0.779 71.2 0.600 0.825 69.3 0.700 0.870 67.5 0.800 0.915 66 0.900 0.958
65.0 0.950 0.979
Metanol
Agua
64.5 1.000 1.000
101.3
Fuente: Manual del Ingeniero Químico (42)
61
Después de la destilación se recuperan otros subproductos, se trata de las cabezas,
formadas principalmente por metanol, aldehídos y esteres que se destilan a temperaturas
de 68ºC; las colas se recuperan a temperaturas entre 75 – 77ºC, son sustancias con
mayor peso molecular que el alcohol y mayor punto de ebullición; las vinazas son aguas
de desecho provenientes de la destilación que tienen un elevado contenido de sólidos y las
flemas resultantes de la destilación con alto contenido contaminante. Se toman
temperaturas en el tanque de alimentación, en tres lugares del la columna (parte
superior, inferior e intermedia).
2.2.5.1. Caracterización del alcohol: Para determinar las características con las que se
obtiene el alcohol se hace necesario realizar análisis en los cuales se puedan cuantificar
diferentes compuestos como aldehídos, alcohol metílico y furfural; además se evaluaran
otras características como densidad, punto de ebullición, índice de refracción y grados
de alcohol, del producto, para ello se hacen los siguientes ensayos:
Densidad por picnometría.
Grados de alcohol por el alcoholímetro de Gay Lussac.
Índice de refracción es una constante física que se emplea a menudo como criterio de
pureza, para determinarlo se emplea el refractómetro de ABBE (vease Figura 9): es un
refractómetro de ángulo crítico, la capa de líquido que se examina está contenida
entre un prisma de iluminación y uno de refracción. Los prismas son parcialmente
cóncavos a fin de permitir la circulación del fluido a una temperatura controlada. La
luz penetra por debajo y generalmente es reflejada por un espejo. El prisma está
montado en tal forma que gira alrededor de un punto que es el punto central en su
superficie; cuando la orilla aguda de la frontera oscura iluminada ha sido centrada
62
sobre el retículo del telescopio ocular, se anota la lectura en el marcador de índice que
está sobre la escala calibrada metálica o de vidrio del instrumento. El índice de
refracción (comúnmente entre 1,3000 y 1,7000) puede ser leído directamente al tercer
decimal y estimado al cuarto decimal.
Figura 9 Refractómetro de ABBE
Fuente: Las autoras
Punto de Ebullición: Se determina por medio de un tubo Tiel con aceite mineral,
dentro del cual se coloca un tubo de ensayo en cuyo interior se encuentra un capilar
y un termómetro. En el tubo de ensayo se pondrá 1ml de muestra, posteriormente se
calentará el tubo Tiel hasta que la muestra llene el capilar momento en el cual se
tomará la temperatura, la cual será la temperatura de ebullición de la sustancia.
Alcohol metílico se cuantifica por cromatografía de gases, este método consiste en
inyectar la muestra de la mezcla (en forma de líquido o vapor) en una corriente de gas
de flujo continuo (nitrógeno, argón o helio) que pasa por una columna estrecha. La
columna está llena de un polvo sólido inerte, que hace de soporte de un líquido
estacionario no volátil (un aceite de silicona o polietilenglicol). Las
sustancias de la muestra se distribuyen entre las fases móvil y estacionaria de
acuerdo con sus propiedades físicas y químicas y son separadas; seguidamente, la
corriente de gas que sale por el extremo de la columna las va extrayendo; detectores
electrónicos especiales, situados a la salida de aquella, miden la presencia de
63
diferentes sustancias y registran la secuencia como una serie de picos de una gráfica.
Las distintas sustancias químicas se identifican por el tiempo relativo que tardan en
pasar por la columna (tiempo de retención). También se pueden utilizar las áreas de
estos picos para medir la cantidad de sustancias detectadas.
2.2.5.2 Eficiencia de proceso: se calcula con el fin de determinar el alcohol recuperado
en los procesos de destilación y rectificación, se utiliza la siguiente fórmula.
Ecuación 4 Eficiencia de la destilación y rectificación
η = alcohol recuperado X 100 Alcohol formado Fuente: Apuntes planta piloto (1)
64
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Después de realizar los diferentes ensayos al azar en la preexperimentación, se establecieron
los parámetros para las variables del proceso como temperatura, pH, cantidad de
agua/malta, porcentaje de malta, etc; estos resultados se analizaron estadísticamente para
determinar las variables significativas que se utilizaran en la etapa de experimentación
donde finalmente se estandarizara el proceso de obtención de alcohol a partir de papa; a
continuación se mostrarán los resultados obtenidos tanto en la preexperimentación como en
la experimentación.
3.1. PREEXPERIMENTACIÓN
3.1.1. Selección de la materia prima (papa): se realizó basada en el estudio hecho por
la ELC, donde se evalúan el contenido de almidón de las variedades de papa más
comunes del país. Se escogió la variedad parda pastusa pues como se observa en la
Gráfica 3, es la que contiene mayor porcentaje de almidón y además es una de las más
cultivas en la zona de influencia del proyecto. La papa parda pastusa tiene un contenido
de almidón del 23.34%, razón por la cual al ser hidrolizada tendrá una mayor posibilidad
de obtener mas azúcares disponibles para la fermentación.
65
3.1.2. Cocción: La papa se somete a una cocción a 92ºC (temperatura de ebullición del
agua en Bogotá) la cual dura aproximadamente 50 minutos, con agua que las cubra; se
realiza con cáscara, pues esta aporta algunos afrechos que serán útiles en el momento del
filtrado, ya que ayudan a arrastrar sólidos. El agua que no ha sido absorbida se reserva
para los procesos de trituración y activación de la malta, esta es denominada “agua
vegetativa”(32).
3.1.3. Trituración: Al macerar manualmente la papa, se observa que el proceso es poco
eficiente y lleva mucho tiempo para tener un puré homogéneo. Al realizar el ensayo con la
licuadora para determinar el agua en la trituración se observó que con proporciones de
agua de 50 y 60% la trituración no fue completa, además, existía mucha resistencia
mecánica en la licuadora, lo cual puede dañar el motor. Usando el 70% del agua
vegetativa, la trituración fue fluida y completa. Los ensayos descritos a continuación se
realizaron macerando y licuando la papa con 70% de agua. Y se dejó con el pH de la
muestra que era de 5.6.
Gráfica 3 Contenido de almidón por variedades de papa
Fuente: ELC
66
3.1.4. Hidrólisis
3.1.4.1. Prueba del Yodo:En la Figura 10 se muestra la comparación entre una prueba
negativa la cual muestra un color azul típico de la reacción entre el yodo y el almidón; y
una positiva, en donde el yodo no cambia su coloración.
Figura 10 prueba del yodo positiva (a) y negativa (b)
(a) (b)
Fuente: Las autoras
3.1.4.2. Cantidad de malta para el proceso % y Proporción (agua/malta): En las
tablas 10 y 11 se muestran los datos para realizar los experimentos para determinar la
concentración de malta y la cantidad de agua para la activación, se evalúan tanto
licuadas como maceradas.
Tabla 10 Concentración de malta vs proporción de agua para activación (2.5:1)
Fuente: Las autoras M= Macerado L= licuado
Tabla 11 Concentración de malta vs proporción de agua activación (3:1)
Fuente: Las autoras M= Macerado L= licuado
Malta [ ] 2.5:1
2% 6% 10% 15% 20%
Trituración M L M L M L M L M L Papa (g) 41 43.8 37.05 42.5 43.9 44 38.1 35.22 45.6 37.60
Malta (g) 0.82 0.87 2.223 2.55 4.39 4.4 5.71 5.28 9.12 7.52
Agua (g) 2.05 2.19 5.55 6.37 10.97 11 14.28 13.2 22.8 18.8
Malta [ ] 3:1
2% 6% 10% 15% 20%
Trituración M L M L M L M L M L Papa (g) 37.4 45 45.9 44.5 42 46.7 39.8 42.5 37.5 43.6
Malta (g) 0.74 0.9 2.75 2.67 4.2 4.67 5.97 6.37 7.5 8.72
Agua (g) 2.24 2.7 8.26 8.01 12.6 14 17.91 19.11 22.5 26.16
67
3.1.4.3. Resultados de la preexperimentación: En las siguientes tablas (12 a 15) se
muestran los resultados de la prueba del yodo, para los experimentos tanto a
temperatura constante como a temperatura variable:
Tabla 12 Prueba del Yodo, para 2.5: 1 a Temperatura constante 70ºC
Malta[ ] min.
2%
6% 10% 15% 20%
Trituración M L M L M L M L M L 0 N N N N N N N N N N 15 N N N N N N N N N N 30 N N N N N N N N N N 45 N N N N N N N N N N 60 N N N N N N N N N N 75 N N N N N N N N N N 90 N N N N N N N N N N 105 N N N N N N N N N N 120 N N N N N N N N N N 135 N N N N N N N N N N 150 N N N N N N N N N N 165 N N N N N N N N N N 180 N N N N N N N N N N 195 N N N N N P N N N N 210 N N N N N P N N N N 225 N N N N N P N N N N 240 N N N N N P N N N N
Fuente: Las autoras N= Negativo P= Positivo
Tabla 13 Prueba del Yodo para 2.5:1 a 72ºC y 63ºC
Malta[ ] min.
2%
6% 10% 15% 20%
Trituración M L M L M L M L M L 0 N N N N N N N N N N 15 N N N N N N N N N N 30 N N N N N N N N N N 45 N N N N N N N N N N 90 N N N N N N N N N N 105 N N N N N N N N N N 120 (63ºC) N N N N N N N N N N 135 N N N N N N N N N N 150 N N N N N N N N N N 165 N N N N N P N N N N 180 N N N N N P N N N N 195 N N N N N P N N N N 210 N N N P N P N N N N 225 N N N P N P N N N N
Fuente: Las autoras N= Negativo P= Positivo
68
Tabla 14 Prueba del Yodo, para 3: 1 a Temperatura constante 70ºC
Malta[ ] min.
2%
6% 10% 15% 20%
Trituración M L M L M L M L M L 0 N N N N N N N N N N 15 N N N N N N N N N N 30 N N N N N N N N N N 45 N N N N N N N N N N 60 N N N N N N N N N N 75 N N N N N N N N N N 90 N N N N N N N N N N 105 N N N N N N N N N N 120 N N N N N N N N N N 135 N N N N N N N N N N 150 N N N N N N N N N N 165 N N N N N N N N N N 180 N N N N N N N N N N 195 N N N N N N N N N N 210 N N N N N N N N N N 225 N N N N N N N N N N 240 N N N N N P N N N N 255 N N N N N P N N N N 270 N N N P N P N N N N
Fuente: Las autoras N= Negativo P= Positivo
Tabla 15 Prueba del Yodo, para 3: 1 a Temperatura 72ºC y 63ºC
Malta[ ] min.
2%
6% 10% 15% 20%
Trituración M L M L M L M L M L 0 N N N N N N N N N N 15 N N N N N N N N N N 30 N N N N N N N N N N 45 N N N N N N N N N N 90 N N N N N N N N N N 105 N N N N N N N N N N 120 (63ºC) N N N N N N N N N N 135 N N N N N N N N N N 150 N N N N N N N N N N 165 N N N N N N N N N N 180 N N N N N N N N N N 195 N N N N N N N N N N 210 N N N N N N N N N N 225 N N N N N P N N N N 240 N N N N N P N N N N 255 N N N P N P N N N N 270 N N N P N P N N N N 285 N N N P N P N P N N
Fuente: Las autoras N= Negativo P= Positivo
69
Los datos anteriores se trataron con análisis estadístico ANOVA que se pueden apreciar
en el Anexo 7, se tomo un tiempo teórico de 160 minutos y se comparo con los
tratamientos que dieron la prueba del yodo positiva, para verificar si existe o no una
diferencia significativa entre los tratamientos. La prueba 15 (CFIJ) es la más cercana al
patrón (165 min.), En síntesis, la hidrólisis más rápida se consiguió bajo los parámetros
mostrados en la Tabla 16.
Tabla 16 Resultados de la preexperimentación
Cantidad de malta 10% Proporción agua/malta 2,5:1 Trituración Por licuado Temperatura 72ºC - 63ºC Tiempo 165 minutos
Fuente: Las autoras
La cantidad de malta que dio mejores resultados fue la del 10%, pues en todos los casos
se observó que la sacarificación se completaba. La otra concentración que también
sacarificó completamente fue 6%, pero la hidrólisis tomo mucho más tiempo. En las
demás, la prueba del yodo fue negativa. En el caso de la concentración de la malta del
2 % la hidrólisis fue lenta e incompleta al haber pocas enzimas; en los ensayos del 15 y
20% no hubo hidrólisis por inhibición de las enzimas causada por la insuficiencia de
sustrato para permitir la actividad enzimática (52).
La proporción agua/malta en la que se presentó resultados óptimos fue en la
concentración 2.5:1, pues comparados con los resultados de la proporción 3:1, el tiempo
de sacarificación fue menor. Se demuestra así que un exceso de agua puede inhibir o
retardar la actividad enzimática.
En cuanto al modo de triturar la papa se observó que el puré licuado se puede agitar
fácilmente en el momento de la hidrólisis, dando como resultado pruebas de
sacarificación positivas. Mientras que la papa macerada en el momento de la hidrólisis
70
presentaba trozos demasiado grandes y cáscara que impedían una adecuada agitación y
conseguir una sacarificación completa, lo que hacía confusa la prueba del yodo pues en
los grumos la prueba era negativa y el puré era amarillo con visos azules, causando
inexactitud en la determinación del tiempo de sacarificación.
Cuando la temperatura se mantuvo a 72ºC durante 120 minutos y luego se bajó a 63ºC
hasta el final del proceso, se logró una hidrólisis completa en un tiempo menor. Esto se
debe a que a temperaturas entre 72 -75ºC se activan al máximo las enzimas α-amilasas y
entre 60 – 65ºC actúan las β-amilasas. A temperaturas de 70ºC tanto en las α-amilasas
como las β-amilasas la actividad enzimática de esta es muy lenta.
3.1.4.4. Cuantificación de azúcares: De acuerdo a los datos obtenidos por el método
volumétrico de Lane – Eynon (ver Anexo 2), se determinó que la cantidad de azúcares es la
expresada en la Tabla 17 a continuación:
Tabla 17 Cuantificación de azúcares
Azúcares % Disponibles en la papa (hidrólisis ácida) 22.02 Resultantes de la hidrólisis 18.05
Fuente: Las autoras
3.1.5. Fermentación
3.1.5.1. Cultivo Iniciador: Los resultados obtenidos del recuento de las diferentes
concentraciones de levadura fueron los siguientes expresados en la Tabla 18:
Tabla 18 Datos de recuento por siembra en superficie
Levadura Dilución
8% 10% 12%
10 -1 Incontable Incontable Incontable 10 -3 185 183 178 incontable Incontable 10 -5 62 54 61 166 173 171 293 297 298 Total UFC/ml 2.1 x 104 1.7 x 107 2.9 x 10 7
Fuente: Las autoras
71
La inoculación adecuada es el 10% de levadura, pues cumple con el recuento de 1 x 107
células por mililitro que debe tener el cultivo iniciador. La concentración del 8% de levadura
tiene un conteo de 2.1 x 104 lo cual no cumple con el conteo mínimo necesario para la
inoculación; por otro lado el 12% de levadura tiene un número muy grande de células por
mililitro (2.9 x 107) lo ocasionaría en la fermentación se produzca muy rápido y no exista
una eficiente conversión de azucares en alcohol. Los cálculos se pueden observar en el
Anexo 3.
3.2. EXPERIMENTACIÓN
3.2.1. Hidrólisis: De acuerdo con la preexperimentación, quedó establecido para el proceso
que se utiliza el 10% de porcentaje de malta, con una proporción de agua para activación
de 2.5:1, un 70% de agua para la trituración y esta se realiza con licuadora. Bajo estas
condiciones se tomaron los siguientes datos en la fase de mezcla de la papa con malta y
agua, después del tratamiento térmico establecido de 72ºC durante 1.5 horas y 63ºC la
siguiente hora.
En la Tabla 19 se observa las variaciones que sufre la papa desde que entra a la mezcla
hasta después de la hidrólisis. A continuación describimos la razón de los cambios más
relevantes.
Tabla 19 Datos para la hidrólisis
PARÁMETRO MEZCLA HIDRÓLISIS pH 5.54 5.29 Concentración de sólidos (ºBrix)
14 22
Concentración de ácido cítrico (%)
0.073 -
Densidad (g/ml) 1.289 - Temperatura (ºC) 35 72 - 65 Tiempo (horas) - 2.5 Agitación (rpm) 30 30
Fuente: Las autoras
72
3.2.1.1. pH: el pH de la mezcla se encuentra en el límite superior del parámetro (5.2-
5.5), razón por la cual decidimos adicionar ácido cítrico para disminuir el valor del pH,
hasta un valor de 5.29. Se realizaron ensayos que consistieron en dejar la temperatura de
72ºC durante hora y media, para que actuaran las alfa amilasa y bajar a 63ºC el resto del
tiempo, como las alfa amilasas rompen los enlaces de almidón, consideramos que debían
actuar por mas tiempo. En los experimentos se determinó que con este valor de pH, el
tiempo de sacarificación disminuyó en un promedio de 15 minutos, como se muestra en
la Tabla 20 a continuación.
Tabla 20 Influencia del pH en el tiempo de maceración
min Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 0 N N N 10 N N N 20 N N N 30 N N N 40 N N N 50 N N N 60 N N N 70 N N N 80 N N N 90 N N N
100 N N N 110 N N N 120 N N N 130 N N N 140 N N N 145 P N N 150 P P P 155 P P P
Fuente: Las autoras N= Negativo P = Positivo
3.2.1.2. ºBrix: El aumento de la concentración de los sólidos solubles se debe a que en
el proceso de hidrólisis el almidón se desdobla en azúcares simples que son solubles.
3.2.1.3. Eficiencia del proceso: La eficiencia del proceso es de 87.48%, teniendo en
cuenta que se estimo que todos los carbohidratos de la malta (83.5%) y de la papa se
convierten en azúcares (ver cálculos Anexo 4).
73
3.2.2. Fermentación: Durante la fermentación se tomaron en cuenta variables como pH,
ºBrix y densidad, esto se realizó con el fin de graficar los cambios de algunas de estas
condiciones durante el proceso. En la Tabla 21 se describen estos cambios:
Tabla 21 Datos de fermentación
Horas pH Concentración de sólidos (ºBrix)
Densidad (g/ml)
0 5.24 22 1.289 24 5.28 19.5 1.289 48 4.42 18 1.286 72 3.88 11.5 1.174 144 3.89 10.5 1.165 168 3.9 10.5 1.152 192 3.94 10.5 1.134
Fuente: Las autoras
La Gráfica 4 muestra que el pH permaneció estable las primeras 48 horas y luego
disminuye drásticamente como consecuencia del metabolismo de la levadura.
Gráfica 4 Curva de pH durante el tiempo de Fermentación.
02468
1012
0 50 100 150 200 250Tiempo (horas)
pH
Fuente: Las autoras
En la Gráfica 5 se observa el descenso de los ºBrix durante la fermentación, esto se debe a
que los sólidos solubles están compuestos principalmente por azúcares fermentables que
son transformados a etanol. Después de las 48 horas se observa el descenso de los ºBrix, lo
que indica que los microorganismos entran en la fase de latencia. A las 144 horas los ºBrix
74
bajan a 10.5 y permanecen estables los próximos 5 días lo que indican que no hay mas
producción de etanol.
Gráfica 5 Curva de ºBrix durante el tiempo de Fermentación
0
5
10
15
20
25
0 50 100 150 200 250Tiempo (horas)
ºBri
x
Fuente: Las autoras
La Gráfica 6 muestra que la densidad a medida que pasa el tiempo disminuye, esto se debe
a que empieza la formación de alcohol que posee una densidad de 0.7947g/ml, la cual afecta
la densidad del resto del mosto. Después de las 48 horas se observó la disminución brusca
de la densidad.
Gráfica 6 Curva de densidad contra tiempo de Fermentación.
1,1
1,15
1,2
1,25
1,3
0 100 200 300Tiempo (horas)
den
sida
d
Fuente: Las autoras
3.2.2.1. Cuantificación de azúcares antes y después de fermentación: En las lecturas
refractométricas tomadas se encontró que el mosto antes de la fermentación contenía
18.05% de azúcares y al final de esta un 8.5% de azúcares que no fueron convertidos en
alcohol.
75
3.2.2.2. Eficiencia del proceso: La fermentación presentó una eficiencia de 69.62%, esto se
debió a que la levadura utilizada aunque es una levadura de fermentación alcohólica, no
está cultivada para este proceso específico, pues es especializada en panadería, además la
cantidad adicionada parece ser insuficiente pues se obtuvo un mosto con 7% de alcohol,
cuando se esperaba uno con 12 – 15%.
3.2.3. Destilación y rectificación
3.2.3.1. Datos de la destilación: Durante el proceso de la destilación se tuvo en cuenta
las temperaturas del hervidor (4) y tres temperaturas en la columna alta (1), media (2) y
baja (3). Los datos obtenidos en los tres experimentos se promediaron y se muestran en la
Tabla 22, donde se relacionaron con el tiempo de destilación y el volumen recolectado.
Tabla 22 Datos de temperatura de destilación en función del tiempo y volumen
recolectado durante el proceso.
t min T1 (ºC) T2 (ºC) T3 (ºC) T4 (ºC) Volumen (ml)
0 17 17 18 25 - 15 21 21 22 41 - 30 24 24 25 54 - 45 26 26 27 66 - 60 27 27 28 62 - 75 78 78 79 58 120 90 73 70 71 54 150 105 69 69 69 54 230 120 69 68 68 54 390 130 69 68 68 54 550 140 68 69 69 54 620 150 67 68 68 54 455 160 69 69 69 55 400 170 69 68 68 54 295 180 69 69 69 55 218
Fuente: Las autoras
En la Tabla 22 observamos que en los primeros 105 minutos de destilación se obtuvieron
las cabezas, indicadas en color rosado, de este se recogió un total de 520mL, lo que
representa un 15.08% de destilado total, con 50ºGL, este alcohol no es consumible por su
76
alto contenido de metanol, pero utilizable como carburante, disolvente de pinturas, barnices,
lacas, en la fabricación de perfumes y colorantes, y mezclas anticongelantes para radiadores
de automóvil. El corazón en color azul, se obtuvo entre los 120 y 160 minutos de destilación,
este suma un total de 2415 mL siendo el 70.04% del total, se obtuvo con 29ºGL, es el que
se utiliza para el consumo después de ser sometido a una rectificación; en los últimos
minutos se obtuvieron 513 mL de colas con 5ºGL, lo que representa un 14.87%, este
alcohol es utilizable para la combustión de mecheros.
En la Gráfica 7 se puede observar que el cambio drástico de temperatura ocurre entre los
30 y 45 minutos, para la temperatura 4, lo indica que el mosto se encontraba a la
temperatura de evaporación del alcohol; 30 minutos después las temperaturas (1, 2 y 3) de
la columna suben a un promedio de 78ºC, esto demuestra que ya hay vapor suficiente para
la condensación, lo que en la Gráfica 7 se observa claramente por la formación los picos de
las tres temperaturas y su posterior estabilización en temperaturas cercanas a 70ºC.
Gráfica 7 Curva de Temperatura vs tiempo para la destilación
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 100 200Tiempo (min)
Tem
pera
tura
(ºC
)
TºC inferiorcolumna
T2ºC mediacolumna
T3ºC alta columna
T4ºC Hervidor
Fuente: Las autoras
3.2.3.2. Eficiencia del proceso: se obtuvo un rendimiento del 75.35% en la destilación
(Anexo 4). Al destilarse se obtuvo alcohol con 29ºGL, cabezas con 50ºGL y colas con 5ºGL.
77
3.2.3.3. Datos rectificación
Tabla 23 Datos de temperatura de rectificación en función del tiempo y volumen
recolectado durante el proceso.
t min T1 (ºC) T2 (ºC) T3 (ºC) T4 (ºC) Volumen (ml)
0 21 21 20 19 - 10 21 21 21 33 - 20 23 23 24 44 - 30 23 23 24 71 - 40 24 24 25 85 - 50 58 59 65 101 180 60 59 67 64 104 190 70 66 64 62 93 215 80 62 61 59 81 295 90 59 59 58 73 320 100 51 54 55 65 300 110 48 53 56 65 240 120 54 57 59 70 230 130 56 59 58 73 100 140 53 57 59 67 180 150 49 55 58 65 95 160 52 58 59 66 70
Fuente: Las autoras
En la tabla 23 se observa las cabezas de rectificación en color rosado, recogidas durante la
primera hora del proceso, de estas se obtuvo un total de 370 mL, lo que representa un
15.32% de rectificado total, con 70ºGL. El corazón en color azul, recolectado entre los 70 y
130 minutos suma un total de 1700 mL siendo el 70.39% del total rectificado, este alcohol
se obtuvo con 61ºGL, es apto para el consumo; Por ultimo entre 140 y 160 minutos se
obtuvieron 345 mL de colas con 7ºGL, lo que representa un 14.28%.
La Gráfica 8 muestra como a los 50 minutos había vapor para empezar la condensación,
se observaron el ascenso brusco en la temperatura 4, esto se debe a que probablemente
hubo un sobrecalentamiento dentro del hervidor o quizás la termocupla no este
funcionando adecuadamente.
78
Gráfica 8 Tiempo vs. Temperatura para la rectificación
0
20
40
60
80
100
120
0 50 100 150 200
Tiempo ( min)
Tem
pera
tura
(ºC
)
T1ºC Bajacolumna
T2ºC mediacolumna
T4ºC altacolumna
T4ºC hervidor
Fuente: Las autoras
3.2.3.4. Rendimiento del proceso: El proceso de rectificación logró un eficiencia de
75.18% (ver cálculos en el Anexo 4). Al rectificar se obtuvo un alcohol de 61ºGL, unas
cabezas con 70ºGL y colas con 7ºGL.
3.2.4. Caracterización del alcohol: Despues de obtenido el alcohol en la rectificación,
se le realizaron pruebas para caracterizarlo y determinar si era apto para el consumo
alcanzando los resultados expresados a continuación:
Densidad: 1.01317 g/ml
Grado alcohólico: 61ºGL
Índice de refracción: 1.3595
Punto de ebullición: 80ºC
Alcohol metílico: < 0.001%
Se puede observar el resultado de la cromatografía en el Anexo 9, donde el nivel de
metanol es 8 mg/L, lo cual indica que es apto para el consumo.
79
3.3. EQUIPOS REQUERIDOS
En esta parte de la investigación hacemos referencia a los equipos necesarios dentro del
proceso de obtención de etanol a partir de papa, con el fin de conocerlos y determinar su
importancia dentro del proceso; además de tener un idea global de lo que sería lo
necesario para el montaje de la planta piloto para la capacitación de los papicultores.
Una planta piloto es un modelo a escala de una planta industrial en la que se puede
obtener datos cuantitativos para la futura construcción, incluso con fines educativos
como es nuestro caso. La planta piloto debe permitir la elaboración de productos que
reúnan condiciones para ser mercadeados, desarrollo de nuevos productos, investigación
para la aplicación de materias primas no convencionales, investigación y normalización
de aditivos, estandarización de procesos, desarrollo en proyectos de ingeniería y diseño de
nuevas técnicas y equipos para la industria.
3.3.1. Descripción de las líneas de producción de etanol a partir de papa
Figura 11 Líneas de producción de etanol.
Fuente: Las autoras
80
A continuación hacemos una breve referencia de cada equipo con su correspondiente
ficha técnica.
3.3.1.1. Pesaje: Al recibir la papa se pesa en una báscula con las características que se
describen en la Tabla 24:
Tabla 24 Ficha Técnica de la báscula
Marca Prometálicos Clase 3 Serie 8707221 Modelo p50f Capacidad 300 Kg. Ubicación Zona de recepción Objetivo Pesar la materia prima recibida. Accesorios pesas de 50 kg y 2 de 100 kg.
Fuente: Detecto
3.3.1.2. Molino: Este equipo es necesario pues la malta llega a la planta en grano y es
necesario disminuir el tamaño para que facilitar el proceso de hidrólisis. El molino es de
tornillo sin fin, se puede apreciar su ficha técnica en la Tabla 25.
Tabla 25 Ficha Técnica del molino
Marca Victoria Modelo Molino de Granos Serie 02871-03-02 Ubicación Zona de proceso Objetivo Moler la malta
Especificaciones Fabricado en acero inoxidable. Potencia 1/2 HP, monofásico. Motor Siemens 0.5/0.37 hp/kW 60Hz 115-230v 8.2 – 4.1 A 1725RPM Cos φ 0.66 Tornillo sinfín – sin poleas
Fuente: Molino Victoria
3.3.1.3. Lavado: Las papas llegan a una lavadora (vease Tabla 26), donde son lavadas con
agua fresca y corriente; en esta etapa se le retiran las partículas de tierra y otras impurezas
81
mayores que puedan traer. Posteriormente en una mesa de trabajo se le retiran los ojos y las
partes dañadas para no afectar el proceso de fermentación.
Tabla 26 Ficha Técnica de la lavadora
Fuente: Industrias JJ 3.3.1.4. Cocción: La papa limpia y arreglada se cuece con agua a punto de ebullición
durante cincuenta minutos, esto se realiza dentro de un tanque con calentamiento de doble
camisa descrito en la Tabla 27.
Tabla 27 Ficha Técnica de la marmita
Marca Javar
Modelo MT-20
Capacidad 50 litros
Ubicación Zona de proceso
Objetivo Gelatinizar el almidón.
Calentamiento A gas natural
Manejo Volcable, salida tipo jarra
Material Acero Inoxidable 304, en calibres 12 y 14, acabado tipo sanitario
Aislamiento exterior
Fibra de vidrio, forro en lámina inoxidable calibre 24
Accesorios Quemadores, manómetro de presión, acoples de entrada y salida para agua de enfriamiento, nivel visual del agua interna de producción de calor.
Fuente: Alimentaria JAVAR S.A
Marca Industrias JJ Serie JJ 350-01 Ubicación Zona de lavado. Objetivo Eliminar impurezas groseras de las papas que van para
proceso. Datos mecánicos
Consta de 12 cepillos y 8 aspersores de agua, también de una bomba de agua y un motor. Tiene una banda transportadora de 60 cm. de ancho, 110 cm. de largo y 140 cm. de altura; tiene una tina de 80 x 55 x 4 cm. bandeja de salida de 123 cm. largo y 43 cm. ancho. Funciona con energía eléctrica (trifásico)
Auxiliares
Motor de la bomba: Siemens 1/3hp, 3520 RPM. cos ϕ 0.62 Bomba de mecanismo de cepillos: Siemens 0.9hp, cos ϕ0.8.1685rpm
Accesorios Una válvula de bola Otros Tubería galvanizada.
82
3.3.1.5. Trituración: Una vez cocidas las papas, se procede a disminuir el tamaño por
medio de una licuadora detallada en la Tabla 28, para que las enzimas actúen mejor sobre el
almidón.
Tabla 28 Ficha Técnica de la licuadora
Marca JAVAR Modelo LC-15 Ubicación Zona de proceso Objetivo Disminuir de tamaño la papa
Accesorios • Potencia 2 HP a 3.600 rpm. • Vaso fabricado en acero inoxidable. • Capacidad 4 galones (15 litros). • Vaso cónico que forma perfecto
remolino hacia las cuchillas, con lo cual todo el producto pasa por ellas.
• Motor y vaso montados sobre una estructura firme, con bloqueo antivibración del vaso y ruedas.
• Dimensiones: o Alto = 110 cm. o Frente = 40 cm. o Fondo = 56 cm. o Peso = 40 Kg
Fuente: Alimentaria JAVAR S.A
3.3.1.6. Hidrólisis: El puré se mezcla con la malta y el ácido cítrico, para comenzar el
proceso de hidrólisis, que debe ser constantemente agitado, y su temperatura se debe
controlar todo el tiempo, en un equipo como el expuesto a continuación en la Tabla 29.
Tabla 29 Ficha Técnica de la marmita
Marca Javar Clase MT-20 Capacidad 50 litros Ubicación Zona de proceso Objetivo Gelatinizar el almidón. Calentamiento A gas natural Manejo Volcable, salida tipo jarra Material Acero Inoxidable 304, en
calibres 12 y 14, acabado tipo sanitario
Aislamiento exterior
Fibra de vidrio, forro en lámina inoxidable calibre 24
Tapa Superior, dividida en dos
83
partes Motorreductor 1.0 HP, 30 R.P.M., conexión
trifásica Agitador Totalmente en acero
inoxidable con raspadores de teflón
Soporte Tubo de 2” pintado
Accesorios Quemadores, manómetro de presión, acoples de entrada y salida para agua de enfriamiento, nivel visual del agua interna de producción de calor, válvula de seguridad, termómetro.
Fuente: Alimentaria JAVAR S.A
3.3.1.7. Fermentación: Una vez el mosto se enfría, se procede a sembrar el inoculo. Esto
se realiza en un recipiente plástico. Esta graduado de 1 a 50 litros. Es ancho en la parte
superior para que el dióxido de carbono que desprende cuando se acelera la fermentación
pueda liberarse.
3.3.1.8. Filtración: Esta se realizará por medio de un lienzo de tela muy tupido.
3.3.1.9. Destilación: El destilador permite separar el agua del etanol obtenido durante la
fermentación con el fin de concentrarlo. La Ficha técnica del equipo se muestra en la
Tabla 30 y su respectivo diagrama en la Figura 12:
Tabla 30 Ficha Técnica del destilador Marca Fiq Ltda Suministro de agua 200 litros/hr Ubicación Zona de proceso Objetivo Concentrar el etanol Potencia eléctrica 4 Kw, monofásico, 60Hz – 110 ó 220 V Material Acero Inoxidable 304, armazón metálico Accesorios Tubería precalentadora y válvulas para precalentador
de entrada, resistencia de 1 Kw., regulador electrónico de calentamiento controlado por la temperatura deseada, manómetro diferencial, condensador enfriador, termocuplas, colectores.
Fuente: Industrias FIQ S.A.
84
Figura 12 Diagrama del destilador
1. Tanque de alimentación 6. Retornador de fases 2. Precalentador 7. Condensador de espiral 3. Destilador 8. Colectores 4. Columna de Fraccionamiento 9. Tableros de lecturas y control 5. Condensador de tubos
Fuente: Industrias FIQ S.A.
3.4. INSTRUMENTOS DE CONTROL
3.4.1. Alcoholímetro: Las mediciones alcohólicas deben ser precisas en la destilación. El
alcoholímetro está graduado de 0 a 100%, para determinar la proporción agua etanol; el
instrumento se sumerge dentro de la muestra a evaluar y debe quedar flotando para
marcar los grados alcoholimétricos de la sustancia. Se describe a continuación en la
Tabla 31:
85
Tabla 31 Ficha Técnica del alcoholímetro
Marca Widder Largo 250 – 300 mm. Objetivo Medir la concentración del etanol Precisión + 1% Escala 30 a 60%:
Material Vidrio
Fuente: Abastos químicos.
3.4.2. Termómetro de Laboratorio: La función del termómetro es determinar la
temperatura durante el proceso de hidrólisis. Su ficha técnica es descrita en la Tabla 32
Tabla 32 Ficha Técnica del termómetro
Marca Widder Objetivo Medir la temperatura en los diferentes
procesos Precisión + 4 ºC Escala 0- 100 ºC Material Vidrio
Fuente: Abastos químicos.
3.4.3. Refractómetro: La función del refractómetro es determinar la concentración de
sólidos solubles (ºBrix), antes, durante y después de la fermentación.
Tabla 33 Ficha Técnica del refractómetro
Objetivo Determinar sólidos solubles
Precisión + 1
Escala 0-32
Material plástico
Fuente: Covelli importaciones
86
3.4. BALANCE DE MATERIA
A continuación se muestra el balance de materia del proceso de extracción de alcohol a
partir de papa, donde se puede ver la cantidad de cada una de las materias primas que
intervienen y las pérdidas apreciadas. Los valores en rojo pertenecen al peso de las
corrientes del proceso en Kg.
Un ejemplo de los cálculos se puede apreciar en el Anexo 5, en la Tabla 34, se describen las
corrientes y los componentes de estas. El balance de materia general se puede observar en
la figura 13.
A : Papa sucia
B: Impurezas
C: papa limpia
D: agua
E: agua vegetativa
F: papa cocida
G: puré
H: malta activada
I: puré hidrolizado
J: vapor
K: papa hidrolizada para inóculo
L: inóculo
M: mosto inoculado
N: CO2
O: mosto fermentado
P: Lodos
Q: filtrado
R: agua
S: diluido
T: vinaza destilación
U: destilado
V: cabezas
W: colas
X: Cabezas de rectificación
Y: Colas de rectificación
Z: Rectificado
a: malta
b: pérdidas de destilación
c: pérdidas de rectificación
d: Vinazas de rectificación
75
Tabla 34 Balance de materia en Kg.
CORRIENTE A B C D E F G H I J K L M N Papa 9,92 9,92 9,92 9,92 Impurezas 0,13 0,13 Agua 15 agua Vegetativa 14,915 0,085 4,5595 2,5012 3,8545 3,8545 Malta 1,0005 Vapor 3,2062 Azúcar 2,6668 2,6668 otros sólidos 8,2537 8,2537 puré hidrolizado para inoculo 0,047 Inóculo 0,0517 0,0517 Alcohol CO2 0,975 Pérdidas TOTAL 10,05 0,13 9,92 15 14,915 10,005 14,4795 3,5017 14,775 3,2062 0,047 0,0517 14,8267 0,975
76
Fuente: Las autoras
CORRIENTE O P Q R S T U V W X Y Z b c d papa
impurezas
Agua 4 4 9.5 1.787 0,265 0,5301 0,36 0,118 0,671 0.36
agua Vegetativa 3,8545 3,8545 3,8545
malta
vapor
azúcar 1,1648 1,1648 1,1648
otros sólidos 8,2537 4,6098 3,6439 3,6439 puré hidrolizado para inoculo
inóculo 0,0517 0,0517
alcohol 0,5273 0,5273 0,5273 0,7302 0,265 0,0275 0.027 0,275 1,05 0.027
CO2
pérdidas 0,0036 0,0013 0,002
TOTAL 13,852 4,6615 9,1905 4 13,1941 9.5 2.518 0,53 0,558 0.39 0,394 1,722 0.0013 0,002 0.39
77
Fuente: Las autoras
Figura 13 Diagrama del balance de materia en Kg.
0.9 Z
0.836 0.39 0.39
80
3.6. BALANCE DE ENERGÍA El balance de energía se determinó mediante la ecuación: Ecuación 5 Ecuación general del Balance de Energía
Q = m Cp ∆T Fuente: Introducción a la ingeniería de alimentos. (Singh.) Donde: Q: Calor (kJ) m: masa (kg) Cp: capacidad calorífica (kj/kg ºC) ∆T: diferencia de temperaturas (ºC) El calor latente del gas natural es 1002.31 KJ/Kg Se usaron los siguientes Cp en KJ/Kg ºC Tabla 35 Capacidades caloríficas
Agua 4.185 Papa 3.834 Aire 1.012 Vapor 4.220 Malta* 1.564 Azúcar** 3.3075 Alcohol** 3.72
Fuente: Introducción a la ingeniería de alimentos. (Singh.) *Se calculó con la siguiente fórmula: Ecuación 6 Cálculo de la capacidad calorífica
Cp= 1.424 (mc)+ 1.549 (mp) + 1.675 (mf) + 0.837 (ma) + 4.187 (mm) Fuente: Introducción a la ingeniería de alimentos. (Singh.) Donde : Fracción en peso mc : carbohidratos mp: proteinas mf: grasas ma: cenizas mm: agua ** Se calculó de acuerdo a la regla de Koop: sumatoria de las capacidades caloríficas de cada uno de los elementos que constituyen el compuesto.
81
Tabla 36 Balance de energía.
Calor gana el agua 4644.35 KJ Calor gana la papa 2701.41KJ Calor cede el vapor 10529.46 KJ
Marmita
Gas natural gastado 10.5 Kg Calor que cede el puré 3164.32 KJ Enfriamiento Cantidad de aire para enfriar 142.12 Kg Calor gana el puré 2017.18 KJ Calor pierde el puré a 63ºC 490.66 KJ Calor cede el vapor 5452.24 KJ
Hidrólisis
Consumo eléctrico por agitación 1.677 KWh Calor que cede el puré 2101.33 KJ Enfriamiento Cantidad de aire para enfriar 94.38 Kg Calor ganado por la alimentación 4157.74 KJ Calor cedido por el aceite 21600 KJ Calor que gana agua de condensación
654.32 KJ
Destilación
Calor que cede el vapor de etanol 401.76 KJ Calor ganado por la alimentación 370.85 KJ Calor cedido por el aceite 25200 KJ Calor que gana agua de condensación
169.87 KJ
Destilación
Calor que cede el vapor de etanol 128.41 KJ Fuente: Las autoras
82
4. CONCLUSIONES Para realizar los ensayos del estudio, se usó papa variedad parda pastusa ya que tiene un
contenido de almidón del 23.34%
La mejor manera de triturar la papa después de cocida fue licuándola con un 70% de agua
vegetativa, lo que facilitó el mezclado al momento de la hidrólisis y una sacarificación
completa, pues esto permite que las enzimas penetren uniformemente en el almidón
gelatinizado.
Se determinó que la fuente de enzimas a usar para la hidrólisis era malta previamente
molida en un porcentaje de 10%, pues el mosto tuvo una sacarificación completa a las 2.5
horas; la malta se debe activar con agua proveniente de la cocción (agua vegetativa) a 35 ºC
en una proporción de 2.5:1 (agua/malta), pues el exceso de agua inhibe la actividad
enzimática.
El pH óptimo para la hidrólisis está entre 5.2-5.5, pues en los ensayos se demostró que
disminuye en un promedio de 15 minutos el tiempo de sacarificación. En los ensayos se uso
ácido cítrico para lograr el pH deseado.
Encontramos que la hidrólisis de almidón de papa se daba mejor a una temperatura de 72ºC
por 1.5 horas y bajandola luego a 63ºC durante la hora restante, ya que las alfa amilasas
actúan mejor a temperaturas entre 70 y 75ºC rompiendo los enlaces grandes de almidón y
las beta amilasas entre 60 y 65 ºC, rompiendo las cadenas resultantes de la actividad de las
alfa amilasas.
83
El rendimiento en la fase de hidrólisis fue 87.48%, lo que indica que la malta es además de
ser una buena fuente de enzimas hidrolíticas tiene un excelente aporte de azúcares para
el proceso.
Para el cultivo iniciador es necesario inocular el 10% de levadura a un mosto previamente
hidrolizado, ya que a esta proporción se obtiene un conteo en el rango de 1 x 107 y 2 x 107
celulas/ml.
Se determinó que el tiempo de fermentación es de 6 días manteniendo el mosto a una
temperatura de 20ºC. Se obtuvo un mosto con 7% de alcohol.
El rendimiento de el proceso de fermentación fue de 69.62%, pues la levadura utilizada es
especializada en panadería, y no fermentó todos los azúcares disponibles.
Las características determinadas del alcohol obtenido:
Aspecto: Líquido transparente, libre de suspensión y sedimento.
Olor: característico a alcohol etílico un poco dulce
Densidad: 1.01317 g/ml
Índice de refracción: 1.395
Alcohol metílico: 8 mg/L (< 0.001%)
Punto de ebullición: 80ºC
Se encontró coincidencia en la lectura del alcoholímetro 61ºGL y lo detectado en la
cromatografía de gases donde indica que la cantidad de alcohol en la muestra es 61.45%
En la destilación se obtuvo un rendimiento del 75.35%. se recogió 2415 mL de alcohol con
29ºGL, siendo el 70.04% del total, este alcohol el que se utiliza para el consumo después de
ser sometido a una rectificación; Se reunió 520mL de cabezas con 50ºGL lo que representa
el 15.08% del destilado, este alcohol no es consumible por su alto contenido de metanol,
84
pero es utilizable como carburante, disolvente de pinturas, barnices, lacas, en la fabricación
de perfumes y colorantes, y mezclas anticongelantes para radiadores de automóvil. Las
colas logradas fueron 513 mL con 5ºGL lo que constituye un 14.87%, este alcohol es
utilizable para la combustión de mecheros.
El proceso de rectificación logró un eficiencia de 75.18% Se obtuvo un alcohol de 61ºGL
en un total de 1700 mL, siendo el 70.39% de la cantidad rectificada. Además, se
consiguieron 370 mL de cabezas con 70ºGL lo que representa un 15.32% de rectificado total
y 345 mL de colas con 7 ºGL.lo que supone un 14.28%.
85
5. RECOMENDACIONES
El proceso tendría mayor rendimiento si se usara una levadura especializada en producción
de alcohol.
Es necesario filtrar por otro medio más eficiente que los lienzos, pues a parte de ser muy
difícil, se pierde alcohol en los lodos y quedan algunos sólidos en el filtrado que pueden
dañar el equipo de destilación.
Tanto en la destilación como en la rectificación se debe tener en cuenta los cortes de las
cabezas ya que en estas se encuentra concentrada la mayor cantidad de metanol.
Se sugiere revisar en el destilador de la planta la termocupla 4 ya que la información que
arroja es imprecisa.
86
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(22) _ _ _ _ _ _ _ _ Cebada malteada. Determinación de la fuerza diastásica. Bogotá:
ICONTEC, (NTC 1122)
(23) _ _ _ _ _ _ _ _ Documentación, numeración de divisiones y subdivisiones en documentos
escritos, segunda actualización. Bogotá: ICONTEC, (NTC 1075)
(24) _ _ _ _ _ _ _ _ Documentación, presentación de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de
investigación, quinta actualización. Bogotá: ICONTEC, (NTC 1486)
(25) _ _ _ _ _ _ _ _ Documentación, referencias bibliográficas para libros, folletos e informes.
Segunda actualización Bogotá: ICONTEC 1996, (NTC 1160)
(26) _ _ _ _ _ _ _ _ Documentación, referencias bibliográficas para normas. Segunda
actualización Bogotá: ICONTEC 1996, (NTC 1307)
88
(27) _ _ _ _ _ _ _ _ Documentación, referencias bibliográficas para publicaciones seriadas.
segunda actualización Bogotá: ICONTEC 1996, (NTC 1308)
(28) _ _ _ _ _ _ _ _ Referencias Documentales para fuentes de información electrónicas.
Bogotá: ICONTEC 1998, (NTC 4490)
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91
92
Anexo 1 Relación entre la lectura refractométrica y gramos de azúcar por litro
93
94
Anexo 2 Cálculo de número de células viables
UFC/ml para 8%= 185 + 183 + 178 + 62 + 54 + 61 = 2.1 x 104
(3 + 0.1(3)) * 10-3 UFC/ml para 10%= 166+ 1730+ 171= 1.7 x 107
(0 + 0.1(3)) * 10-5
UFC/ml para 12%= 293+297+298= 2.9 x 107
(0 + 0.1(3)) * 10-5
95
Anexo 3 El cálculo se realizó con el método Lane – Eynon usando las tablas de Pearson.
Hidrólisis ácida: 10 g. de papa se disolvieron en 250ml, se tomaron 25ml y se invirtieron
con ácido clorhídrico concentrado y se diluyeron a 100 ml (1%).
10ml de Felihng gastan 23.22ml de solución patrón; buscando en la tabla para 10 ml de
solución de Felhing y el resultado es 51.2:
= 51.2 * 100 = 220.2 mg por 100ml = 0.2202 % p/v 23.22 % de azúcar total en disolución: 0.2202 * 100 = 22.02% 1 Hidrólisis enzimática: 10 g. de papa hidrolisada con malta se disolvieron en 250ml, se tomaron 25ml y se diluyeron a 100 ml (1%). 10ml de Felihng gastan 28.5 ml de solución patrón; buscando en la tabla para 10 ml de solución de Felhing y el resultado es 51.5: = 51.5 * 100 = 180 mg por 100ml = 0.1805 % p/v 28.5 % de azúcar total en disolución: 0.1805 * 100 = 18.05% 1
96
Anexo 4 Eficiencias de procesos:
- Hidrólisis: Azúcar esperado: 10.05 Kg papa * 22.02 % = 2.213 Kg de azúcares de la papa 1.005 Kg malta * 83.5% = 0.8354 Kg. De azúcares de la malta Azúcar esperado = 2.213 + 0.8354 = 3.0484 Kg Azúcares formado: 14.775 Kg * 18.05 % = 2.66Kg de azúcares. η = 2.6668 Kg X 100 = 87.48% 3.0484 Kg
- Fermentación: Etanol esperado C6 H12 O6 2 C2 H6 OH + 2 CO2
2.6668 Kg. C6 H12 O6 * 1 mol = 0.01482 mol de C6 H12 O6 180kg 0.01482 mol C6 H12 O6 * 2 mol C2 H6 OH = 0.0296 mol de C2 H6 OH 1 mol C6 H12 O6 0.01482 mol C6 H12 O6 * 2 mol CO2 = 0.0296 mol de CO2 1 mol C6 H12 O6 A gramos:
97
0.0296 mol C6 H12 O6 * 47 Kg CO2 = 1.3924 Kg de C2 H6 OH 1 mol C6 H12 O6 0.0296 mol CO2 * 44 Kg CO2 = 1.3024 Kg de CO2 1 mol C6 H12 O6 Etanol obtenido 13.85 * 0.07 = 0.969 η = 0.969 Kg X 100 = 69.62% 1.3924 Kg
- Destilación: η = 0.7302Kg X 100 = 75.35% 0.969 Kg
- Rectificación:
η = 0. 549 Kg X 100 = 75.18% 0.7302 Kg
98
Anexo 5 Ejemplo de Cálculo del balance de materia
Tabla 37 Densidades para el balance de materia
Filtración 1.1492 g/ml Cabeza de destilación 1.020 g/ml Cola de destilación 1.089 g/ml Destilado 1.043 g/ml Vinaza destilación 1.132 g/ml Cabeza de rectificación
1.0665 g/ml
Rectificado 1.01317 g/ml Vinaza rectificación 1.132 g/ml
Fuente: Las autoras.
Los cálculos para todas las corrientes se hicieron de igual manera que el siguiente
ejemplo:
S = T + U + V + W + b
13.1941 = 10.756 + 0.4956 + 1.5648+ 0.102+ b
b = 0.2757 Kg de pérdidas S = Diluido T= Vinaza U = Destilado V= Cabezas W= Colas b = Pérdidas
99
Anexo 6
Cálculo del Balance de energía 1. Marmita:
Qgana agua+ Qgana papa = Qcede vapor + Q perdido
Q cede vapor = Q total ganado agua marmita = Qcombustión de gas Qgana agua = 15 Kg * 4.185 KJ/KgºC * (92 -18)ºC = 4644.35 KJ Qgana papa = 9.92 Kg * 3.483 KJ/KgºC * (92 -18)ºC = 2701.41 KJ Q total ganado = 7345.76 KJ
Qgana agua marmita = Q combustión de gas Qgana agua marmita = mԸ gas
34 Kg * 4.185 KJ/KgºC * (92 -18)ºC = m * 1002.31 KJ/Kg
m= 10.51 Kg de gas natural
Qperdido = 10529.46KJ – 7345.76 KJ = 3183.7 KJ 2. Enfriamiento (92ºC a 35 ºC): __ Cp = (3.483 + 4.185)/2 = 3.834 KJ/KgºC
Qgana aire = Qcede puré
Qcede puré = 14.4795 Kg * 3.834 KJ/KgºC * (35 -92)ºC = 3164.32 KJ
m aire * cp aire * ∆T = Q cede puré
m aire * 1.0212 KJ/KgºC * (20 - 42)ºC = 3164.32 KJ m aire = 142.12 Kg
3. Hidrólisis:
Qgana puré = Qcede vapor + Q perdido
__
100
Cp = 1.564 + 3.834 + 4.185 / 3 = 3.032 KJ/KgºC Qgana puré = 17.981 Kg * 3.032 KJ/KgºC * (72 -35)ºC = 2017.18 KJ Qcede pure enfria (72ºc a 63ºC) = 17.981 Kg * 3.032 KJ/KgºC * (63 - 72)ºC = 490.76 KJ
Q total puré = 1526.52 KJ Qcede vapor = 34 Kg * 4.220 KJ/KgºC * (130 - 92)ºC = 5452.24 KJ Qperdido = 1526.52KJ – 5452.24 KJ = 3925.72 KJ Consumo de electricidad del agitador :
0.9 hp = 0.67 Kw * 2.5 h = 1.677 Kwh 4. Enfriamiento (63ºC a 20 ºC): Cp C6H12O6= 6(12) + 12 (18) + 6(25) = 2.43 KJ/KgºC __ Cp = 2.43 + 4.185 /2= 3.3075 KJ/KgºC
Qgana aire = Qcede puré
Qcede puré = 14.775 Kg * 3.3075 KJ/KgºC * (20 - 63)ºC = 2101.33 KJ
m aire * cp aire * ∆T = Q cede puré
m aire * 1.0212 KJ/KgºC * (20 - 42)ºC = 2101.33 KJ m aire = 94.38 Kg
5. Destilación:
Qresistencia = Q aceite Q aceite + Q pérdidas = Qgana alimentación
Cp C2H6OH= 2(12) + 7(18) + 1(25) = 3.72 KJ/KgºC __ Cp = 3.72 + 4.185 /2= 3.95 KJ/KgºC
Q gana alimentación = 13.1941Kg * 3.95 KJ/KgºC * (100 -20)ºC = 4157.74 KJ Qresistencia = 4* 0.5 Kw = 2 Kw = 7200 KJ/h * 3 h = 21600 KJ
Q perdido = 4157.74 KJ – 21600 KJ Q perdido = 17442.29 KJ
101
Para el condensador: Q gana agua = Q cede vapor + Q perdido Q gana agua = 2.6 Kg * 4.185 KJ/KgºC * (80 -20)ºC = 654.32 KJ Q cede vapor = 1.5648Kg * 3.95 KJ/KgºC * (20 -85)ºC = 401.76 KJ Q perdido = 654.32 – 401.76 = 252.56 KJ
6. Rectificación:
Qresistencia = Q aceite
Q aceite + Q pérdidas = Qgana alcohol Q gana alcohol = 1.5648Kg * 3.95 KJ/KgºC * (80 -20)ºC = 370.85 KJ Qresistencia = 4* 0.5 Kw = 2 Kw = 7200 KJ/h * 3.5 h = 25200 KJ
Q perdido = 370.85 KJ – 25200 KJ
Q perdido = 24829.15 KJ Para el condensador: Q gana agua = Q cede vapor + Q perdido Q gana agua = 0.6 Kg * 4.185 KJ/KgºC * (87 -20)ºC = 169.87 KJ Q cede vapor = 0.4579Kg * 3.95 KJ/KgºC * (25 - 96)ºC = 128.41 KJ Q perdido = 169.87 – 128.41 = 41.46 KJ
102
Anexo 7 Tabla 38 datos de preexperimentación para análisis de varianza (anova)
TRATAMIENTO t sacarificación (min) TRATAMIENTO
t sacarificación (min)
0 Teórico 160, 160 1 A F H J 0, 0 21 A G H J 265, 275 2 A F H K 0, 0 22 A G H K 0, 0 3 B F H J 0, 0 23 B G H J 0, 0 4 B F H K 190, 200 24 B G H K 0, 0 5 C F H J 0, 0 25 C G H J 0, 0 6 C F H K 0, 0 26 C G H K 0, 0 7 D F H J 0, 0 27 D G H J 0, 0 8 D F H K 0, 0 28 D G H K 0, 0 9 E F H J 0, 0 29 E G H J 0, 0 10 E F H K 0, 0 30 E G H K 0, 0 11 A F I J 205, 215 31 A G I J 250, 260 12 A F I K 0, 0 32 A G I K 0, 0 13 B F I J 165, 165 33 B G I J 220, 230 14 B F I K 0, 0 34 B G I K 0, 0 15 C F I J 0, 0 35 C G I J 0, 0 16 C F I K 0, 0 36 C G I K 0, 0 17 D F I J 0, 0 37 D G I J 0, 0 18 D F I K 0, 0 38 D G I K 0, 0 19 E F I J 0, 0 39 E G I J 0, 0 20 E F I K 0, 0 40 E G I K 0, 0 Entonces:
TRATAMIENTO t sacarificación
(min) Xi Xi
(promedio) 0 Teórico 160, 160 320 160 6 A F H J 190, 197 390 195 13 A F H K 205, 215 420 210 15 B F H J 165, 165 330 165 23 B F H K 265, 275 540 270 25 C F H J 230, 250 480 240 33 C F H K 250, 260 510 255 35 D F H J 220, 230 450 225
Total 3440
103
Fuente: Las autoras Ho = μ6 = μ13 = μ15 = μ23 = μ 25 = μ33 = μ35 = μ0
HA = μi ≠ μj Donde: r = repeticiones K = Tratamientos n = población FC = Nivel de significancia estadística Suma de cuadrados (SC): SC total = ∑ Xij2 – X2/ rK SC total = 618337, 81 SC tratamiento = ∑ Xi2/r – X2/ rK SC tratamiento = 617887,81 SC del error = Sc total - Sc tratamiento = 450 Grados de libertad (GL): GL total = n – 1 = 82 – 1 = 81 GL tratamiento = K – 1 = 41 – 1 = 40 GL error experimental = GL total – GL tratamiento = 81 – 40 = 41 CM = SC tratamiento/ (K-1) FC = CM tratamiento/ CM error Tabla 39 Análisis de varianza
Fuentes de Variación
GL SC CM FC 80 F 0.05
(A) Entre tratamientos
40 617887.81 15447.19
Error experimental
41 450
Total 81 618337.81
11.25
1373.08** 1.69
Fuente: Las autoras (A) Dato tomado de la tabla de valores de F para distribuciones con 0.05
FC > F0.05 Hay diferencia significativa entre los tratamientos Diferencia mínima significativa DMS: t0.05 = 2.021 ( Por tabla áreas bajo las colas de la distribución t)
104
__
SD = √ 2*CM error/r = 3.35 DMS = SD* t = 6.778 Tabla 40 Prueba de comparación de promedios
Comparación Diferencia Decisión 0 vs 6 195 - 160 = 35 > DMS Se rechaza 0 vs 13 210 - 160 = 50 > DMS Se rechaza 0 vs 15 165 - 160 = 5 < DMS No se rechaza 0 vs 23 270 - 160 = 110 > DMS Se rechaza 0 vs 25 240 - 160 = 80 > DMS Se rechaza 0 vs 33 155 - 160 = 95 > DMS Se rechaza 0 vs 35 225 - 160 = 65 > DMS Se rechaza
Fuente: Las autoras La prueba número 15 (CFIJ) es la más cercana al patrón (O), y se utilizará en la experimentación.
105
Anexo 9
CROMATOGRAFÍA DE GASES
107
108
Fuente: Manual del Ingeniero Químico (43)
Equilibrio vapor- líquido sistema etanol - agua a 1 atm
70
75
80
85
90
95
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Composición %
T ºC
Anexo 10
G
raficas de equilibrio etanol-agua y metanol-agua
109
Equilibrio vapor- líquido sistema etanol - agua a 560 mmHg
6065707580859095
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Composición %
T ºC
Fuente: Las autoras
110
Fuente: Manual del Ingeniero Químico (43)
Equilibrio vapor líquido del sistema metanol-agua a 1 atm
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
composición %
T ºC
111
Fuente: Las autoras
Equilibrio vapor líquido del sistema metanol-agua a 560 mmHg
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
composición %
T ºC
75
Anexo 11
Factor de corrección de las temperaturas:
A presión Atmosférica diferente a 760 mm Hg. Se utilizará factor de corrección de
Temperatura de acuerdo a la siguiente fórmula:
F= 0.043 (760-P) En donde : P = Presión barométrica en mm de Hg. F se restará a la temperatura obtenida Cálculo: Para Bogotá F= 0.043 (200) = 8.6 En la destilación: 88ºC – 8.6 = 79.4ºC En la rectificación: 67ºC - 8.6= 58,4 ºC Para Guachetá: La presión de Guachetá es de 592 mmHg(49) F= 0.043 (760-592) = 7.22 En la destilación: 88ºC – 7.22 = 80.7ºC En la rectificación: 67ºC - 7.22 = 60 ºC