24

I

Capitulo II

24

I

INFORMACION

2.1 Bebidas no Alcohólicas.

Fig. 1 Bebidas no Alcohólicas

Según A Madrid V., (1989) las bebidas no alcohólicas son aquellas que no tienen

alcohol etílico en cantidad superior a 0,5% en volumen, pueden contener gas carbónico o

no y normalmente se preparan a base de uno o más de los siguientes componentes:

Jugo, pulpa, jugos concentrados, leche, extractos, infusiones, maceraciones y agua.

Según su historia el origen de las bebidas no alcohólicas se inicia en la

aromatización de aguas minerales que se consumían en balnearios y playas. La historia

también nos indica que su origen nace con la producción de cervezas sin alcohol

(elaborada con hierbas) y/o la producción de refrigerios a base de vegetales. (Formoso,

1990)

Estos productos podrán contener: extractos aromatizantes naturales (extracto de

cola, esencia de cítricos, etc.), acidulantes (Ac. fosfórico, Ac. cítrico, etc.), colorantes

(color caramelo, carotenoides, curcuminas, clorofilas, antocianos, etc.), conservantes

(sorbatos, bezoatos, etc.), estimulantes (cafeína, quinina, etc.), edulcorantes (sacarosa,

sacarina, aspartame, etc.). (Calvo, 1991)

Existen distintos tipos de bebidas sin alcohol, por ejemplo, las aguas tónicas son

aquellas bebidas preparadas a base de extractos como esencias de limón, pomelo u otras

frutas cítricas, el Ginger Ale es aquella preparada a base de extracto de jengibre soluble

en agua, el Guaraná es la bebida preparada con semillas de Paullinia cupana Kunth o sus

24

I

variedades. Por su parte las bebidas no alcohólicas llamadas artificiales son las que se

preparan con esencias artificiales y mezcla de éstas con extractos naturales, también

pueden ser preparadas por compuestos químicos aislados de las mismas. (A Madrid,

1989)

2.2 Bebidas Carbonatadas: Igual que las aguas de mesa, la elaboración de las bebidas

carbonatadas es fácil pero la producción del jarabe concentrado es la operación más

complicada y la más importante, normalmente el jarabe se produce en una planta central

desde donde se distribuye. Las materias básicas que se utilizan en la elaboración de las

bebidas carbonatadas son cuatro. (Moncada, 2006)

2.2.1 Agua tratada.- El agua, como componente mayoritario de las bebidas, es la

materia prima más importante de la calidad sensorial de la bebida. La calidad del

agua depende del origen. Varía por el tipo de fuente de suministro y de acuerdo al

lugar de dicha fuente. Generalmente es necesario tratarla para, garantizar su

salubridad y para hacerla adecuada al proceso de producción según las

especificaciones exigidas por las compañías de las marcas registradas. El tratamiento

consiste en eliminar la materia orgánica, reducir la materia coloidal, reducir la

turbidez, disminuir las sales solubles y eliminar la presencia de microorganismos.

(Varman, 1997)

El agua que se utiliza se obtiene de pozos, desde los cuales se bombea hasta un

tanque, que es llamado tanque cisterna, en este tanque se añade cloro e hidróxido de

calcio para precipitar todos los sólidos en suspensión, posteriormente se reduce los

sólidos disueltos y se eliminan los microorganismos.

Con la intervención de procesos químicos en los que se utilizan hipoclorito de sodio

como agente oxidante, floculantes como el sulfato ferroso y los procesos físicos de

filtración por arena, intercambio iónico, filtración por carbón activado y filtro pulidor se

consigue que el agua pueda convertirse en agua tratada y de esta manera liberarla

de impurezas, dándole mejores propiedades fisicoquímicas y sensoriales.

2.2.2 Jarabe concentrado.- El jarabe concentrado, es la materia básica en la cual se

encuentran disueltos los ingredientes de la formula base o “formula secreta” de las

bebidas carbonatadas de cada marca registrada, esta operación se lleva a cabo en

24

I

plantas especiales en las cuales se realizan las mezclas de los ingredientes

comprendidos para cada producto o sabor. Los ingredientes más comunes y de

mayor uso para la elaboración del jarabe concentrado son los siguientes:

2.2.2.1 Edulcorantes: Existen los de origen natural y sintético.

a) Naturales.- Se obtienen de vegetales principalmente, son conocidos como

glúcidos, carbohidratos o sacáridos. Se caracterizan por ser una clase de

biomoléculas que se dividen en: monosacáridos, oligosacaridos y

polisacáridos. Los más usados son los azucares que pertenecen al grupo de

los oligosacaridos y monosacáridos, entre ellos tenemos a la sacarosa y al

jarabe de glucosa.

b) Sintéticos.- Los mas utilizados son los ciclamatos y sacarinas pero se cree

que pudieran ser cancerígenos por lo que ahora se utilizan el aspartame,

acesulfano K, Neohesperidina DC, etc. (Formoso, 1990)

2.2.2.2 Aromatizantes: El componente aromático del jarabe, es el que tendrá una

mayor influencia en el olor y el aroma final del producto. De todos los

aromatizantes que existen los más usados son los siguientes:

Aroma a frutas.- Los más comunes son los de cítricos, piñas, bayas,

frambuesas, etc.

Raíz de cola.- Es muy utilizada en refrescos de cola, ejemplo: Coca Cola,

Pepsi Cola, etc. (Badui, 1996).

2.2.2.3 Acidulantes: Los acidulantes tienen gran importancia sobre la calidad final

de los refrescos, además de darle un gusto característico ácido al medio

contribuye con la estabilidad cromática y microbiológica del producto obtenido. Se

recomienda tener en cuenta el balance entre la concentración del acidulante y la

de los azúcares. El más empleado de los acidulantes es el ácido cítrico y los de

menor aplicación son: el ácido ascórbico, el ácido fumárico, el ácido fosfórico, etc.

(Genebois, 1992)

24

I

2.2.2.4 Colorantes: Se emplean para darle el color y la apariencia de las bebidas

y en algunos casos reforzar el sabor, es muy importante su comportamiento en las

condiciones de almacenamiento de los refrescos. Deben ser estables frente a la

luz, frente a los ácidos y frente a sustancias conservantes e incluso a sustancias

aromatizantes. Va a variar su color dependiendo de la acidez del medio.

Existen dos tipos: Naturales y sintéticos, los naturales de mayor uso son los

siguientes:

Carotenoides.- Son compuestos que tienen 40 átomos de carbono y su cadena

a veces presenta anillos, el más importante es el β-caroteno (amarillento), se

presentan también en colores naranja y rojo.

Antocianos.- Es un colorante natural que se utiliza habitualmente, confieren

colores azulados-violetas aunque dependiendo del pH también dan rojizos.

Caramelo.- Se utiliza en el refresco de cola, el más utilizado es el de tipo IV

sulfito de amonio que se obtiene calentando azúcar con sulfato amónico. Además

de edulcorantes y colorantes son emulsionantes.

Sintéticos: Los más conocidos son los siguientes.

Azoicos.- Son muy estables y de alta capacidad cromática aunque existen

dudas de que si son o no cancerígenos, confieren tonalidades muy fuertes.

Poliméricos.- Son colorantes que se unen a un polímero para darles mayor

estabilidad aunque pierden poder cromático y son más caros. (Calvo, 1991).

2.2.2.5 Conservantes: Son útiles para evitar contaminaciones aunque las propias

características de las gaseosas hacen difícil una contaminación, los principales son:

SO2 y en general los sulfitos (H2SO3, HSO3- y SO3

=).- Se añaden como sales y

no son habituales en refrescos carbonatados ya que les dan sabor amargo, son

muy antioxidantes por lo que evitan el pardeamiento tanto enzimático como no

enzimático. (Frazier y Col, 2005).

24

I

Acido benzoico y benzoatos.- La sal sódica del ácido benzóico se utiliza

mucho como agente antimicrobiano en alimentos. Se adiciona en las bebidas

carbónicas, jaleas, zumos de frutas, etc.

El benzoato de sodio es relativamente ineficaz a valores de pH próximos a la

neutralidad, aumenta su actividad al elevarse la acidez, por lo que se cree que

el agente efectivo es el ácido no asociado. El pH al que el benzoato sódico es

más eficaz es de 2.5 a 4.0, es por si mismo suficiente para inhibir la

proliferación de la mayoría de las bacterias y levaduras y en menor grado a los

mohos. (Córdoba, 2000).

2.2.2.6 Emulsionantes: Estos compuestos facilitan la formación de las emulsiones

así como a su mantenimiento, es decir, forman una dispersión de dos líquidos

inmiscibles que son generalmente una fase acuosa (polar) y otra lipófila (apolar).

2.2.2.7 Estabilizantes: Los estabilizantes como tal no son emulsionantes aunque

hay algunos que además de estabilizar pueden emulsionar. Estabilizan las

emulsiones y evitan que se destruyan, además aumentan la viscosidad con lo que

mejoran el cuerpo de la bebida. La mayoría son polisacáridos como: Arginatos,

Carragenanos, Pectinas y Gomas. (Calvo, 1991)

2.2.3 Azúcar.- El azúcar es otra de las materias básicas que se utiliza en la preparación

de las bebidas gaseosas, se usa para el preparado del jarabe simple, proceso en el cual

se mezcla el agua tratada con el azúcar y se lo somete a un tratamiento térmico para la

inversión y completa disolución de la sacarosa a temperaturas de 72 a 75°C, por un

periodo de tiempo de 15 a 20 minutos, este tratamiento se completa en el mismo tanque

de preparado, sometiéndolo el jarabe a un contacto con carbón activo para decolorar y

desodorizar. La separación definitiva de las impurezas se realiza a través de unos filtros

por los que atraviesa el azúcar disuelto y pre tratado con carbón activado, de esta

manera se completa el proceso de purificación.

2.2.4 Dióxido de carbono (CO2).- Esta materia básica se aplica en las bebidas

carbonatadas para amplificar sus propiedades sensoriales, darle un aspecto burbujeante

24

I

y espumoso al producto. El CO2 debe ser de alta pureza o de grado alimentario (sin CO,

ni ácido nitroso). La dosificación se realiza en un equipo conocido como carboenfriador,

en el cual se enfría la solución de jarabe terminado y el agua tratada y luego se aplica

una dosis de dióxido de carbono al medio. El enfriamiento de la solución es importante

para favorecer la solubilidad del gas en el líquido y establecer además la calidad del

producto final. (Henley, 1981).

El CO2 gaseoso no es tóxico, es inerte y no confiere olor o sabor al producto. Por el

contrario facilita la volatilización de los olores y los aromas de las bebidas. Técnicamente

los factores que determinan el grado de carbonatación del producto son: temperatura del

líquido (4 - 5ºC), presión del sistema (a mayor presión más CO2), tiempo de contacto

entre el CO2 y el líquido, acidez del líquido por el CO2 (a mayor cantidad de azúcar

menor afinidad) y la presencia de otros gases como el O2 que hace que, la solubilidad

del CO2 disminuya. (Córdoba, 2000).

2.3 Descripción del Proceso de Embotellado de las Bebidas Carbonatadas.

En el diagrama de flujo de la figura (2.1), se muestra los mecanismos que

intervienen en el proceso de elaboración de bebidas carbonatadas de la planta

embotelladora EMBOL S.A., posteriormente en forma resumida, y con el apoyo de

fotografías de algunas de las instalaciones que participan en el procesos de producción,

se describen las operaciones desde que los envases vacíos ingresan a la planta, hasta

que las bebidas embotelladas llegan al almacén, desde donde se suministra al sistema

de distribución.

24

I

Fig. 2.1 Diagrama de flujo de elaboración de bebidas carbonatadas

2.3.1 Descarga de pallets con botellas vacías

24

I

Los camiones llegan al lugar de descarga de la empresa, donde con la ayuda de los

montacargas se bajan los pallets con las jabas o cajas y se ordenan por sabores, en este

punto se realiza el primer control, para la eliminación de basuras grandes de las cajas y

botellas. Una vez que se ha decidido el sabor que se va a producir, las jabas son

conducidas a la despaletizadora. En la figura (2.2) se ilustra una imagen de esta

operación.

Fig. 2.2 Descarga de pallets con botellas vacías

2.3.2 Despalletizado

En esta operación, con la ayuda de una maquina robótica, se separa las cajas de

los pallets con una velocidad de 2000 cajas/hora, desde donde se pone en circulación las

cajas llenas hasta llegar a la desencajonadora de botella, dos operarios se encargan de

colocar las cajas con botellas vacías en un transportador de cadena. Esta operación se

encuentra en el área de las líneas de producción, donde también se realiza una selección

de objetos extraños que sobresalgan de los envases. En la figura (2.3) se presenta una

imagen fotográfica de esta operación.

24

I

Fig. 2.3 Maquina despalletizadora

2.3.3 Desencajonado

Las botellas vacías se desencajonan con la ayuda de una maquina electrónica

Linapag, que se encarga de sacar las botellas de las cajas y enviar a sus respectivas

lavadoras. La maquina Linapag funciona mediante unos brazos articulados, rematados

con unos chupones de plástico que, extraen las botellas. En cada movimiento del brazo

articulado se extraen 48 botellas en un tiempo aproximado de 5 segundos. En la figura

(2.4) se presenta una imagen fotográfica de esta operación.

Fig. 2.4 Desencajonadora Linapag

2.3.4 Descapsulador de botellas vacías

24

I

Las botellas se dirigen por medio de una cinta transportadora a un equipo

descapsulador giratorio, en el cual se desenroscan las tapas de las botellas y siguen su

curso en la línea, el mecanismo de funcionamiento del equipo consiste en separar los

envases puntualmente en el carrusel de la maquina y desenroscar las tapas de las

botellas, por medio de un cabezal que marcha conjuntamente con el carrusel, si no hay

tapa el cabezal permanece abierto, evitando el daño de la boca del envase. En la figura

(2.5) se presenta una imagen fotográfica de esta operación.

Fig. 2.5 Equipo descapsulador

2.3.5 Inspección prelavado

Las botellas que salen del equipo descapsulador se dirigen a través de una cinta

trasportadora, a dos pantallas blancas de inspección, cada una controlado por un obrero,

que se encargan de inspeccionar las botellas, de forma que se encuentren en buen

estado y vacías. Las botellas que contienen bebidas se separan y se vacía su contenido,

vertiendo el líquido residual en tachos de 200 litros de capacidad (primer punto donde se

generan residuos de bebidas con contenido de azucares), y luego son retornados a la

línea. Las botellas en mal estado se separan en cajas a un costado de la línea, para ser

considerados como mermas de envases. Los criterios que se toman en cuenta para

separar los envases en este punto son: formato del envase, contenido de las botellas por

residuos de bebidas, objetos o líquidos extraños dentro las botellas que puedan ser

nocivos en su contaminación, el estado del envase, etc. En la figura (2.6) se presenta una

imagen fotográfica de esta operación.

24

I

Fig. 2.6 Inspección pantallas Pre-Lavado

2.3.6 Lavado de botellas

Una vez que las botellas hayan pasado por los distintos puntos de inspección, estas

son sometidas a una máquina lavadora de botellas, en el cual se eliminan todo tipo de

impurezas y se deja totalmente limpias y desinfectadas. En la mesa de entrada el operario

hace una última selección manual de envases de otros sabores. La máquina lavadora de

botellas es accionada por un operador en la mesa de carga y por dos operadores en la

descarga. En un primer paso, dentro de la lavadora, las botellas se remojan y precalientan

(se les inyecta agua en su interior y se rocían exteriormente), las botellas se ponen

"cabeza abajo" para facilitar la caída de las partículas u objetos que pueda haber en su

interior.

Esta máquina tiene dos tanques de agua con sosa cáustica, el primero, es de

tamaño pequeño en el cual se dosifica sosa cáustica en una concentración de 3.5% v/v, y

en el segundo en una concentración de 2.5% v/v. En estos tanques se sumergen las

botellas a una temperatura de aproximadamente 55 a 65ºC, para remover toda la

suciedad que contengan. Luego las botellas pasan por una serie de enjuagues, en donde

se recircula el agua por medio de bombas y al final se tiene un enjuague con agua tratada

y fresca, para lo cual se utilizan boquillas individuales para cada botella. En la figura (2.7)

se presenta una imagen fotográfica de esta operación.

24

I

Fig. 2.7 Lavadora de Botellas

2.3.7 Inspección de las botellas lavadas

Las botellas lavadas se dirigen hacia un equipo electrónico Linatronic, el que se

encarga de inspeccionar y seleccionar de forma continua cada botella, que ha salido de la

lavadora y que va a ser llenada. Los ordenadores de este inspector analizan 8 imágenes

de cada botella según diferentes planos, lo que le permite detectar micropartículas,

objetos extraños en su interior, restos de etiquetas en sus paredes, fondo y roturas de la

boca y residuos de agua de la lavadora, entre otras. Pero lo más importante es que de

forma automática envía a destrucción las botellas que no son aceptables para ser

llenadas o bien las envía nuevamente a la lavadora cuando detecta restos de etiquetas o

suciedad en su superficie.

Las botellas una vez listas entran en la llenadora, donde se llena con la bebida, que

se ha elaborado según se explica a continuación. En la figura (2.8) se presenta una

imagen fotográfica de esta operación.

Fig. 2.8 Inspector Linatronic.

2.3.8 Preparación y embotellado de las bebidas carbonatadas

24

I

Para la fabricación de la bebida carbonatada se hace uso de las materias básicas

mencionadas con anterioridad que son: agua tratada, jarabe concentrado, azúcar para la

preparación del jarabe simple y dióxido de carbono (CO2).

El jarabe simple, una vez filtrado, pasa a un intercambiador de calor, a fin de bajar la

temperatura, para proceder a la mezcla con el jarabe concentrado y las bases de bebida,

siguiendo unas precisas instrucciones de mezcla para cada sabor. Esta mezcla se realiza

en cualquiera de los 8 tanques de la sala de jarabes, con la ayuda de agitadores

mecánicos incorporados a los mismos. La mezcla se la deja en reposo por varios minutos,

dependiendo del tipo de gaseosa que se está elaborando. En aquellos productos exentos

de azúcar, las bases y concentrados se añaden sobre el agua tratada.

Posteriormente, el jarabe se bombea al área de la sala húmeda donde se

encuentran tanques de recepción de jarabe terminado, agua tratada y CO2, estos tanques

están instalados a un equipo carboenfriador el cual se encarga de dosificar para cada

sabor las cantidades exactas preestablecidas de jarabe terminado, agua tratada y dióxido

de carbónico (CO2).

El siguiente paso es enviar la bebida terminada y carbonatada a la llenadora. La

llenadora-capsuladora es una máquina monobloque que llena y capsula herméticamente

las botellas a gran velocidad, se puede operar en diferentes formatos de producto cada

una de ellas (vidrio rellenable, vidrio no rellenable, PET, etc.).

Este equipo está dotado de medidas de seguridad que se activan en circunstancias

tales como la explosión de una botella en algún grifo de la llenadora. Cuando sucede, un

detector electrónico acciona un chorro de agua a alta presión sobre el grifo afectado para

eliminar los posibles restos de vidrio. Simultáneamente se activa una señal que indica a la

llenadora que en vueltas sucesivas deje de llenar o llene a media capacidad, no sólo ese

grifo sino los contiguos. En la figura (2.9) se presenta una imagen fotográfica de esta

operación.

24

I

Fig. 2.9 Maquina llenadora capsuladora

2.3.9 Codificado

Los productos carbonatados llevan impreso en el tapón o en la etiqueta o en el

propio envase según los casos, un código que indica la fecha de consumo preferente de

la bebida, la fecha, hora y minuto de llenado, el distintivo de la planta embotelladora y el

del grupo de producción. Es una información tan primordial para el cliente como para el

productor y vendedor; la misma sirve para asegurarse de los responsables del proceso y

para que cada establecimiento cuente siempre con el producto más fresco. En la figura

(2.10) se presenta una imagen fotográfica de esta operación.

Fig. 2.10 Equipo codificador

2.3.10 Inspección del producto terminado

El producto embotellado y codificado se dirige a unas pantallas blancas de

inspección del producto terminado, controlada por un obrero que se encarga de

inspeccionar las características de calidad del producto obtenido, los criterios de control

de calidad en esta zona son: apariencia física del producto embotellado, contenido de las

botellas de acuerdo a un volumen establecido, etc. Las botellas que son separadas y

24

I

vaciadas en tachos de 200 litros, por alguna de las causas mencionadas en este punto,

“son los que originan una mayor cantidad de residuos de bebidas carbonatadas y con una

concentración elevada de azucares”, debido a la frecuencia de la actividad productiva de

la empresa. En la figura (2.11) se presenta una imagen fotográfica de esta operación.

Fig. 2.11 Pantallas de inspección Post-Lavado

2.3.11 Encajonado del producto terminado

El producto terminado se dirige hacia una máquina de encajonado, que coge las

botellas llenas y las introduce en cajas previamente lavadas. En cada movimiento, los

brazos articulados de la máquina introducen muchas botellas en cajas. En la figura (2.12)

se presenta una imagen fotográfica de esta operación.

Fig. 2.12 Encajonadora de botellas

2.3.12 Palletizado

24

I

Las cajas con producto terminado se transportan hacia una máquina palletizadora,

en el cual se disponen las cajas sobre un pallet de madera. Los pallets son recogidos por

los montacarguistas, quienes los conducen hasta el almacén, en donde se apilan en

grandes bloques por referencia y fecha de fabricación.

2.3.13 Almacén

En el almacén se agrupan los productos terminados según el tipo de bebida, tamaño

y fecha de elaboración. Aquí los productos permanecen durante poco tiempo.

2.3.14 Distribución

De acuerdo a una planificación preestablecida en el departamento de

comercialización los operarios cargan los productos a los camiones, que siguiendo rutas

definidas de distribución entregan a los clientes mayoristas y minoristas de nuestro

mercado.

2.4 Residuos de bebidas carbonatadas que se generan en la empresa EMBOL S.A.

La planta embotelladora EMBOL S.A. tiene cuatro áreas definidas que son: el área

de producción de bebidas carbonatadas, el área de soplado de botellas, el área de

administración y comercialización y el área de estación de servicios. En las cuatro áreas

se generan residuos líquidos orgánicos, de diferentes características físicas, químicas y

microbiológicas, los cuales pueden ser clasificados como residuos líquidos de baja carga

orgánica y residuos líquidos de alta carga orgánica.

Los residuos líquidos de alta carga orgánica (DBO y DQO elevado) se generan

principalmente en el área de producción de bebidas carbonatadas, debido a las

actividades del proceso productivo y al uso de materias primas e insumos. El área de

producción esta constituido por siete sub-áreas que son: líneas de producción, sala de

jarabes, control de calidad, expedición, tratamiento de agua potable, mantenimiento y

efluentes, los primeros cuatro sub-áreas mencionados generan residuos de bebidas con

contenido elevado de azucares.

Según estudios realizados en planta de identificación y cuantificación de residuos de

bebidas, se ha encontrado que, el área de producción genera residuos líquidos

24

I

azucarados, en sus distintos ambientes de operación en un valor promedio de 18000 a

21000 l/mes, con una concentración de azucares de 11 a 13 ºBrix respectivamente.

El vertido de estos residuos líquidos, de alta carga orgánica, al área de tratamiento

de efluentes complica las operaciones que se desarrollan en esta área, poniendo en

riesgo el cumplimiento de las normas ambientales exigidas por la compañía The Coca

Cola y por el estado boliviano, para el sector industrial manufacturero.

En nuestro país se promulgo la ley del medio ambiente N° 1333 del 27 de abril de

1992, esta ley se convierte en el marco de referencia de la legislación ambiental. En su

reglamento, cuenta con un capítulo especial dedicado a las descargas de residuos

industriales líquidos, en este reglamento se da un plazo a todas las empresas industriales

para que puedan realizar sus manifiestos ambientales. Por esta razón y otras

relacionadas al tema es importante para la empresa EMBOL S.A. llevar adelante nuevas

políticas corporativas de tratamiento de residuos líquidos que puedan viabilizar el correcto

manejo de estos efluentes azucarados.

2.5 Fundamentos de la Fermentación Alcohólica

Desde el punto de vista de la tecnología de la producción de bebidas fermentadas,

la fermentación alcohólica puede ser conducida por levaduras: silvestres de la flora

epifítica seleccionada por la acción antiséptica del anhídrido sulfuroso o por levaduras

seleccionadas de una fermentación espontánea de un mosto natural, sembrada como

una asociación ternaria de cepas de levadura y de forma masiva al sustrato a fermentar.

(Almeida y Col., 1975).

La fermentación alcohólica es un conjunto de reacciones enzimáticas, agrupadas en

cadenas complejas denominadas rutas bioquímicas, cada reacción está catalizada por

enzimas de origen microbiano, mediante las cuales los sustratos de la materia prima se

constituyen en precursores para la biosíntesis de metabolitos primarios y secundarios.

(Crueger y Col., 1993).

Entre los constituyentes del sustrato inicial (precursores) y los productos finales se

establece una cadena compleja de semireacciones, produciendo una diversidad de

24

I

sustancias intermediarias, por ejemplo, cuando las enzimas actúan sobre los azúcares y

los compuestos intermediarios que después se forman, a través de rutas bioquímicas

como la glucólitica, la gliceropirúvica, etc. se forman productos principales como el etanol,

y el anhídrido carbónico, y otros metabólicos secundarios como glicerina, aldehído, ácido

acético, ácido succínico, butilenglicol, acetoína, alcoholes superiores, etc. Todos estos

productos citados, en mayor o menor proporción contribuyen a las propiedades

sensoriales del producto final. (Cabrera y Col., 1988).

Al ser la fermentación alcohólica un proceso vital de las levaduras, sin intervención

directa del oxígeno, se dice que son anaerobias facultativas, puesto que pueden vivir en

un medio privado de aire, utilizando únicamente el oxígeno disuelto en el medio. (Crueger

y Col., 1988)

La composición de la flora microbiana que puede desarrollarse en un mosto es

variable. Aunque no se distinguen perfectamente al microscopio, las diferencias

fundamentales entre las levaduras, se notan en los productos de fermentación; con el

mismo azúcar en el mismo medio, unas producen más alcohol que otras, sus

rendimientos alcohol/azúcar son distintos; también se distinguen por las diferencias en la

producción de acidez volátil y lo mismo sucede con los restantes productos de

fermentación. De la misma forma, tienen sensibilidades diferentes a la acción antiséptica

del alcohol, del sulfuroso o de otro antiséptico. La distribución de levaduras en diferentes

zonas geográficas obedece a un orden ecológico, como ocurre con otros seres. No es

igual la flora microbiana de los países cálidos que de los fríos, por lo menos es distinta la

proporción en que se encuentran desarrollándose en el mosto. (Gonzales, 1990).

Se ha establecido que los productos de fermentación de distintas levaduras no son

iguales, por lo que será necesario utilizar determinadas levaduras para uso industrial; esto

es, utilizar cepas de levaduras localmente seleccionadas. A la luz de estos antecedentes

parece conveniente seleccionar las cepas de levadura considerando los biotopos

naturales propios de cada zona geográfica, de la localidad donde se van a usar y las

condiciones medioambientales. En una instalación industrial de elaboración de bebidas

alcohólicas donde van a utilizar levaduras seleccionadas se requiere que estas dominen

en la fermentación. Para conseguirlo se utilizará siembra masiva de una asociación de

24

I

cepas en su fase exponencial de crecimiento, sobre un mosto depurado y fresco o

conservado a baja temperatura (Bravo y Col., 1985).

2.5.1 Biotecnología de las Fermentaciones Alcohólicas

La biotecnología de las fermentaciones alcohólicas utilizando diversos sustratos

(frutos tropicales, cereales, etc.). En la actualidad es motivo de numerosas

investigaciones, por la demanda cada vez creciente de bebidas naturales o ecológicas y

las exigencias de calidad del mercado; así como, por la permanente preocupación de los

organismos internacionales como la OMS, FAO, OIV, por mejorar la calidad e higiene de

los alimentos y bebidas, por tanto, la disminución en el uso aditivos y auxiliares químicos.

(Crueger y Col 1993).

El progreso técnico va por las vías de investigación científica aplicada y de la

difusión de los conocimientos adquiridos; pero no basta con que los conocimientos de la

producción ecológica de bebidas avancen en los laboratorios, es necesario transferir a las

industrias, bodegas y empresas, que se incorporen a la práctica cotidiana de la

producción, porque cuanto mas rápido es el proceso científico, mayor es el riesgo de

desfasé entre lo que se sabe y lo que se realiza, por eso la Biotecnología profundiza el

uso integrado de la fisicoquímica, la bioquímica y la microbiología y las potencialidades

de las especies de levaduras para la producción de bebidas alcohólicas.

La calidad de las bebidas alcohólicas dependen en gran medida de sus

características sensoriales como: el color, el olor, el aroma, el gusto y el regusto, así

como de la estabilidad fisicoquímica y microbiológica de las mismas (resistencia a

posibles accidentes o desviación de su conservación), de modo que estas propiedades

sean estables con el paso del tiempo. Estas características en muchas circunstancias no

tienen nada que ver con sus propiedades nutricionales, sin embargo, desempeñan un

papel muy importante desde el punto de vista fisiológico, haciendo al producto apetitoso o

poco atractivo (Iñigo y Col., 1983).

24

I

Los factores que se investigan en relación con la calidad de las bebidas son:

calidad de mosto, asociaciones de levaduras seleccionadas, tratamientos técnicos pre-

fermentativos y post-fermentativos y los ambientales que presumiblemente tienen una

influencia más decisiva sobre la estabilidad del producto final.

En los últimos años se han venido desarrollando numerosas investigaciones en los

campos de:

1) Procesos fermentativos, que permiten la exploración y la optimización de nuevas

biotecnologías.

2) Microbiológica industrial, que posibilita el estudio de la identificación y la

taxonomía de la microflora del sistema fermentativo y con mayor énfasis la

funcionalidad de las diferentes especies de levaduras para la biotransformación.

3) Técnicas modernas de análisis instrumental, que facilitan la cuantificación de

componentes mayoritarios y minoritarios no identificados, de esta manera

contribuir al conocimiento de la cinética de fermentación, la evaluación de la

tecnología utilizada y finalmente al control de calidad de materias primas y del

producto final. (Gonzales, L. Noviembre, 1996).

2.5.2 Factores con Mayor Influencia en la Fermentación Alcohólica

Los factores con mayor influencia en la fermentación, por tanto, en el rendimiento de

metabolitos principales y secundarios a partir de azúcares del mosto y en las propiedades

sensoriales del producto fermentado son: la composición del mosto (nutrientes de la

levadura), las condiciones del proceso (tales como: tiempo, temperatura, volumen,

presión, forma y tamaño del recipiente, agitación, etc.) y las cepas de levaduras o tipos

y/o razas de levadura que, por su comportamiento bioquímico y físico, determinan el

patrón de fermentación. (Gonzales L. y Col 1985)

Por su parte, según Ough (1980) la siembra y distribución de diferentes especies de

levaduras en el mosto tiene gran incidencia sobre la fermentación, Estos y otros factores

son caracterizados de forma resumida en:

24

I

- Composición del mosto.- La levadura necesita para su desarrollo un medio que

contenga una fuente asimilable de energía, una fuente de aminoácidos, sales

minerales, vitaminas, elementos menores, etc. Algunos monosacáridos y disacáridos

constituyen la fuente de energía asimilable para el desarrollo de las levaduras, por

tanto, los parámetros a considerar en el mosto son: Concentración de azúcares,

relación carbono-nitrógeno, pH, relación fósforo-oxígeno, potencial redox, etc.

- Especies de levadura.- Las cepas de levadura constituyen el factor más importante

en la biotransformación enzimática del sustrato en, metabolitos primarios y

secundarios, realizando estos procesos con especificidad y diferencias notables entre

especies, así por ejemplo, algunas cepas de levaduras muestran preferencia en la

asimilación de la glucosa respecto a la fructuosa con prioridad, este hecho tiene su

influencia en la composición de los azucares residuales y esta en las propiedades

sensoriales, la fructosa es mucho más dulce que la glucosa, por lo que el uso de

levaduras seleccionadas que asimilen primero a la glucosa y posteriormente a la

fructosa dará productos fermentados más dulces con el mismo contenido de azúcares

residuales totales.

- Concentración de azúcares.- Un alto contenido de azúcares (más del 25%) retarda

la fermentación e incluso niveles muy altos (más del 70%), puede detener la

fermentación, por un efecto de ósmosis.

- Grado alcohólico.- El etanol metabolito principal de la fermentación produce un

efecto de inhibición en la fermentación que aumenta con la temperatura. Así un vino

con 15 ºGL de alcohol y calentado a 30 ºC inhibe totalmente el crecimiento de la

levadura.

- Concentración de anhídrido carbónico.- El gas carbónico que se produce durante la

fermentación tiene un efecto negativo en la fermentación, concentraciones superiores

a 15 g/l detienen el crecimiento de la levadura.

- Concentración de algunos metales.- La presencia de concentraciones de Fe

mayores de 10 mg/l o de Cu mayores de 1 mg/l impide la fermentación en el mosto.

24

I

- Condiciones de fermentación.- El desarrollo de la fermentación y la concentración

de metabolitos primarios y secundarios en el producto final, dependen de las

condiciones que se tienen en el fermentador tales como: temperatura, pH, presión,

potencial redox, composición, etc. (Casal R.J. 1986).

2.5.3 Formación de Metabolitos Secundarios.

El ácido pirúvico proveniente de la fermentación gliceropirúvica servirá sobre todo

para formar diferentes productos secundarios, según mecanismos comunes a muchos

tipos de fermentación; al igual que la glucolisis proporciona a la levadura la energía

necesaria (ATP) para la producción de metabolitos secundarios, entre los que se

encuentran numerosos compuestos volátiles tales como: alcoholes superiores, esteres,

ácidos grasos, compuestos sulfurados y carbonílicos, los cuales constituyen las

principales sustancias del aroma fermentativo. (Gonzales, L. 1990).

2.5.3.1 Alcoholes superiores

Se demostró que los alcoholes superiores podían formarse mediante acción

enzimática, a partir de los aminoácidos correspondientes siguiendo la ruta de Erlich, así el

2–metil–1–butanol a partir de la isoleucina y el 2–metil–1–propanol a partir de la valina.

La producción de alcoholes superiores depende de la habilidad de las especies de

la levadura para la síntesis de los aminoácidos. Mientras especies del género

Saccharomyces producen grandes cantidades de alcoholes superiores, las levaduras no

esporógenas (Kloeckera, Torulopsis, etc.) producen pequeñas cantidades de estos (Pérez

y Col., 1980).

2.5.3.2 Esteres

Algunos esteres están presentes en pequeñas concentraciones en la mayoría de las

materias primas, pero la mayor parte de los contenidos en las bebidas se han conformado

por levaduras y bacterias durante la fermentación del mosto (esterificación biológica) y

principalmente son esteres neutros, dependiendo de las especies de levaduras, de la

composición del medio, de la aireación y muy especialmente de la temperatura.

24

I

La producción de esteres se debe a la presencia de las células microbianas

productoras de las enzimas esterasas. Otra fuente es la esterificación química entre los

ácidos carboxilicos y los alcoholes.

Los esteres son productos secundarios del metabolismo de levaduras, los cuales se

forman por la vía de la esterificación biológica en el interior de la célula y solamente a

partir de los ácidos formados por los microorganismos, la formación de esteres celulares

está controlada por factores genéticos. Se ha indicado que un porcentaje alto de la

concentración de esteres se libera al medio una vez destruidas las estructuras celulares.

(Nordstrom, K. 1963)

2.5.3.3 Aldehídos

Los aldehídos son productos intermedios de la fermentación alcohólica, influye

decisivamente en la estabilidad y en la evolución de las propiedades sensoriales de las

bebidas. Se forman por descarboxilación y mediante la relación química de Strecker con

compuestos di carboxílicos formados a partir de azúcares.

Los aldehídos superiores (propanal, n–butanal, isobutanal, isopentanal, hexanal)

pueden derivarse de los alcoholes y ácidos correspondientes por reducción enzimática

(Ec. 2.1), o por dismutación química (Ec. 2.2), además de encontrarse estabilizados por

combinación con el SO3 (Ec. 2.3).

R - CHO + NADH R-CH2 OH + NAD + (2.1)

2R - CHO + H2O R-CH2 OH + R-COOH (2.2)

R – CHO + H2 SO3 R – CHOH-SO3 (2.3)

El aldehído más abundante formado en las fermentaciones es la etanal; su

acumulación esta influenciada por la temperatura de fermentación, la aireación y los

agentes fermentativos, las levaduras ejercen una importante influencia sobre la

producción de etanal, encontrándose las especies de kloeckera apiculata entre las de más

alta producción (Gonzales y Col., 1985).

24

I

2.5.3.4 Ácidos

El gusto ácido y el equilibrio ácido-base son importantes en la calidad y en la

estabilidad de las bebidas fermentadas; estos se deben a los ácidos orgánicos presentes

en los mismos.

La estabilidad cromática, las precipitaciones tartáricas, proteícas y fenólicas

dependen de las concentraciones del equilibrio iónico y por consiguiente, de la

concentración de hidrogeniones de la bebida. El pH tiene además una incidencia directa

en el desarrollo microbiano durante la fermentación.

Los diversos ácidos orgánicos de las frutas se producen por la actividad bioquímica

propia de la fruta. Desde el envero a la madurez existe una evolución cualitativa y

cuantitativa de los mismos. En las bebidas tiene lugar el catabolismo de algunos de ellos y

la biosíntesis de otros durante la fermentación de los azúcares por levaduras y bacterias.

(Ingram y Col., 1961).

2.5.3.4.1 Ácido tartárico

Es el ácido con una concentración elevada en la mayoría de las frutas, este ácido

se forma en los frutos jóvenes a partir del ácido ascórbico, mientras que en etapas tardías

de madurez contribuyen mayoritariamente la sacarosa y el gluconato. Es el ácido fijo más

resistente a la descomposición bacteriana. Durante la fermentación por acción del frío y

elevación del grado alcohólico, el ácido tartárico se disminuye del 30% al 40% por

precipitación en forma de bitartrato potásico, y más lentamente en forma de tartrato neutro

de calcio. (Iñigo, 1958).

2.5.3.4.2 Ácido málico y láctico

El ácido málico sufre caídas drásticas por respiración del fruto durante el periodo de

maduración y es metabolizado por ciertas levaduras y bacterias lácticas durante la

fermentación.

La cantidad de L (+) láctico formado a partir de los azúcares depende de la dotación

enzimática de la bacteria; las levaduras producen pequeñas cantidades, principalmente el

D (-) láctico; el L (+) láctico está presente en concentraciones relativamente altas al

24

I

término de la fermentación maloláctica en las bebidas, mientras el diasteroisómero D (-)

láctico se encuentra en cantidades pequeñas (menor o igual a 200 ppm).

La transformación del malato en lactato disminuye la acidez de la bebida entre 0.1 y

0.3% y aumenta el pH entre 0.1 y 0.3 unidades, esto contribuye a mejorar la calidad de las

bebidas fermentadas con alto contenido málico. (Davis y Col., 1685).

2.5.3.4.3 Ácido acético

Es el principal ácido volátil de las bebidas, se forma en el ciclo de síntesis de los

ácidos grasos y las bacterias acéticas lo producen por vía oxidativa. Las levaduras en

condiciones normales de fermentación producen pequeñas cantidades. Si la temperatura

de fermentación es baja y la concentración de azúcares es alta, se obtiene mayor

concentración de ácido acético. (Kretzschmar, 1961).

2.5.3.5 Azúcares

Durante la fermentación y en relación con el metabolismo de los azúcares por

levaduras y bacterias se sintetizan gran cantidad de productos con gusto azucarado,

siendo los mayoritarios: etanol, glicerol, 2,3 butanodiol, alcoholes superiores, esteres,

aldehídos, polialcoholes y ácidos.

Investigaciones con Saccharomyces cerevisiae demuestran la existencia de un

sistema de transporte común para glucosa, fructosa y manosa, sin consumo de energía;

la velocidad de transporte en esta especie depende: del tipo de azúcar, de las condiciones

aeróbicas y anaeróbicas de la fermentación.

La velocidad de absorción de la glucosa es 5 veces superior a la de fructosa y

manosa, esta diferencia en el metabolismo de los azúcares da lugar a una proporción

mayor de fructosa residual; estas observaciones tienen contundencia en las

fermentaciones incompletas.

La concentración inicial de azúcares tiene una incidencia directa en los procesos

enzimáticos y metabólicos de las levaduras, así, en condiciones aeróbicas la actividad del

piruvato descarboxilasa aumenta cuando el medio contiene un exceso de azúcares,

actividad que puede regularse por la concentración de piruvato intracelular.

24

I

Al finalizar la fermentación existe una cantidad de azúcares residuales cuya

concentración varia en un rango muy amplio de acuerdo al tipo de vino, así los vinos

“secos” contienen menos del 0.1% de azúcares reductores y mucho de este porcentaje se

debe probablemente a azúcares no fermentables, como las pentosas. En vinos de calidad

se encuentran cantidades altas de alditoles, que son constituyentes principales de los

azúcares residuales. Estos compuestos, al igual que el glicerol, pueden contribuir en la

generosidad del vino. (Sanabria, 1998).

2.5.3.6 Polialcoholes

Los polialcoholes que están presentes en el mosto y en el producto fermentado son:

glicerol, 2,3– butanodiol, eritritol, arabitol, xilitol, inositol, manitol y sorbitol, descritos y

estudiados por muchos autores.

Los polialcoholes proceden del contenido natural de la fruta y del desarrollo de los

mohos y levaduras sobre la misma. También se forman: en el proceso fermentativo por

diferentes especies de levaduras, en la fermentación maloláctica y en fermentados de

frutas alterados por bacterias lácticas heterofermentativas. La vía metabólica para la

formación de polialcoholes es principalmente el ciclo de la glucosamonofosfato (GMP).

Estudios genéticos con mutantes de Aspergillus nidulans indican la existencia de un

enlace entre la vía hexosamonofosfato (HMP) y la formación de polialcoholes. Las

levaduras poseen numerosos polialcoholes deshidrogenasas, algunos de los cuales son

necesarios para las fases finales de la formación de diferentes polialcoholes, tales como

polialcohol deshidrogenasa de Cándida utilis, que puede estar unido al NAD+, NADP+ o los

pentitol deshidrogenasas del Zigosaccharomyces rouxii. Ambas deshidrogenasas

catalizan la hidrogenación de los azúcares libres.

Algunos polialcoholes se forman a partir de los azúcares libres por reducción y los

azúcares se forman en el ciclo pentosafosfato como azúcares fosforilados, por

consiguiente las fosfatasas son necesarias para obtener el azúcar libre, éstas enzimas de

amplio espectro se encuentran en algunas especies de levaduras. (Pérez, y Col., 1980).

24

I

2.6 Microbiología de las Fermentaciones

2.6.1 Las Levaduras.

Los sacaromicetos, blastomicetos o levaduras (de levare, que significa levantar) son

hongos unicelulares capaces, en términos generales, de metabolizar selectivamente los

azúcares mediante enzimas originando procesos de oxido reducción. Su propagación se

efectúa por gemación, división transversal o esporos. (Suarez y Col 1990)

La forma es relativamente constante para cada tipo de levaduras, referido a figuras

bien definidas.

Así, los subesféricos (Saccharomyces cerevisiae), elípticos (S. ellipsoideus),

alargados a los S. Pastorianos, mucronada o limoniforme (Kloeckera apiculata) en forma

de bacilo (Zchizosacchamices), redondeados (Torulopsis), cilíndricos (Cándida

mycoderma). (Stanier, 1996).

En términos generales, las levaduras están compuestas por un 75% de agua y un

25% de sustancias secas. De estas el 90 - 95% es sustancia orgánica y el 5 al 10%

sustancias inorgánicas. De las sustancias orgánicas, el 45% corresponden a sustancias

nitrogenadas, en máxima parte de proteínas, y el 50% a glúcidos. Las sustancias

minerales representan alrededor del 8%. (Palleron y Col., 1970).

La levadura es un ser vivo que debe sintetizar por si mismo sus alimentos, por lo

que son necesarios todas las enzimas que requieren el metabolismo completo y

considerando que para cada reacción existe una enzima específica. (Kretzschmar, 1961).

2.6.2 Exigencia Nutritiva de las Levaduras.

Las levaduras encuentran en el sustrato todos los elementos necesarios para su

subsistencia. Los alimentos deben encontrarse bajo forma de compuestos directa e

indirectamente asimilables, para que la levadura pueda realizar su doble proceso de

metabolismo plástico y energético (vivir y actuar).

Entre las sustancias nutritivas algunos son compuestos orgánicos como los glúcidos

y prótidos y como otros son compuestos inorgánicos. (Ayrapaa, 1968).

24

I

2.6.3 Intervención secuencial y múltiple de especies de levaduras en la

fermentación espontánea.

En una fermentación espontánea del mosto de uva se perfilan dos etapas biológicas

diferenciadas:

a) Etapa fermentativa: en esta etapa participan más de dos especies, de forma

escalonada, sucediéndose en tres fases:

En la 1º predominan levaduras apiculadas, productoras de bajo grado

alcohólico e importantes concentraciones de ácidos volátiles (fundamental

mente ácido acético).

En la 2° figuran de forma casi constante especies de gran pureza

fermentativa y productoras de grado alcohólico medio.

Y en la 3º esta dominada por las distintas especies del género

Saccharomyces, típicamente alcoholígenas, que terminan el proceso

fermentativo con el total agotamiento de los azúcares.

b) Etapa aeróbica una vez terminada la etapa fermentativa, en la etapa aerobia

aparece un velo blastomicético sobre la superficie del fermentado, este velo están

constituido por especies de levaduras del género Saccharomyces, Hansenula,

Zygosaccharomyces, Cándida, Rhodotorula y Pichia (Iñigo, 1983).

2.6.4 Criterios de Selección

A lo largo de los años, las levaduras han sido objeto de investigación y selección, en

función de criterios tecnológicos para conseguir productos tipificados con escasas o nulas

variaciones de unos años a otros. En principio, se seleccionaron aquellas que tenían un

mayor poder fermentativo y menor producción de acidez volátil, llevándose acabo con

posterioridad estudios fisiológicos más profundos.

La elección debe efectuarse de un gran número de cultivos puros, aislados,

clasificados y estudiados en cuanto a sus características enotécnicas y rendimiento

elevado en metabolitos secundarios, relacionados con las propiedades sensoriales. De

24

I

estas cepas de levaduras se seleccionan aquellas que reúnen las siguientes

características:

Tiempos de: adaptación, inducción al crecimiento y crecimiento exponencial

adecuados y secuencialmente dispuestos.

Máximo rendimiento en etanol por unidad de azúcar metabolizado.

Producción mínima de acidez volátil.

Regularidad en la actividad fermentativa, desarrollo óptimo de las fases de

crecimiento microbiano, tiempo mínimo de fermentación y producción adecuada de

metabolitos.

Rendimiento elevado en metabolitos secundarios que otorgan buenas

propiedades sensoriales. (Hashizume, 1986).

2.7 Proceso de producción de alcohol a partir de residuos de bebidas

carbonatadas.

El proceso productivo de alcohol etílico a partir de los residuos de bebidas

carbonatadas de la empresa EMBOL S.A. es similar a la fabricación de alcohol etílico a

partir de melaza de caña de azúcar, con diferencias en las operaciones pre-fermentativas

y algunas operaciones de la etapa fermentativa.

2.7.1 Operaciones pre-fermentativas

Para trasformar los residuos líquidos en un sustrato asimilable, libres de

microorganismos, completo en cuanto a requerimientos nutricionales de las levaduras, sin

sustancias químicas indeseables, se realizan operaciones previas a la fermentación, que

consisten en: recepción de la materia prima, homogenización, descarbonatación, ajuste

de pH y adición de nutrientes.

2.7.1.1 Recepción de la materia prima

24

I

Los residuos líquidos se reciben en turriles de plásticos, del área de producción,

(líneas de producción, sala de jarabes, laboratorio de análisis y expedición). Por otro lado,

se reciben los insumos necesarios para la dosificación del sustrato, constituidos por: malta

de trigo, urea e hidróxido de calcio, que se adquieren de importadoras del mercado local

o regional.

2.7.1.2 Homogenización

En esta operación los residuos de bebidas se agitan levemente y se separan los

materiales extraños (tapas, bombillas, envolturas, etc.) que se encuentran suspendidos

en la superficie del líquido.

2.7.1.3 Descarbonatación

En esta operación se elimina el gas carbónico del sustrato por agitación continua,

durante un período de tiempo moderado de 15 a 20 minutos, tiempo en el que

desaparecen las burbujas de gas.

2.7.1.4 Ajuste de pH

Los residuos de bebidas carbonatadas tienen pH en un rango de 2.8 a 3 unidades

de pH, que no es el pH óptimo para la fermentación alcohólica, en la fermentación

alcohólica las levaduras se desarrollan en un rango de pH de 4.5 a 5.5, teniendo un

óptimo a un pH de 4.8. Para neutralizar los residuos y ajustar el pH se disuelve, una

solución saturada de hidróxido de calcio, Ca (OH)2.

2.7.1.5 Dosaje de nutrientes

Se dosifica al sustrato los nutrientes necesarios de acuerdo a los requerimientos de

las especies de levaduras, utilizadas en la fermentación, puesto que las condiciones

nutricionales óptimas favorecen a la biosíntesis alcohólica, minimizando los tiempos de

fermentación y estabilizando el producto fermentado.

24

I

El mosto tiene 11% de azucares (principal fuente de carbono), que satisface sus

requerimientos energéticos de las levaduras. Sin embargo, es pobre en otros nutrientes

esenciales como fuente de nitrógeno, fosforo, etc. Esta necesidad de nutrientes serán

completadas por adición de un mosto de malta de trigo, (solución previamente preparada,

por maceración y cocción) y urea.

2.7.2 Operaciones de fermentación

El objetivo de estas operaciones es sembrar cepas puras de levaduras,

pertenecientes a distintas fases de fermentación, al sustrato y desarrollar la biosíntesis

de etanol con un rendimiento adecuado.

Las operaciones fermentativas son: preparación del inóculo, propagación, siembra

de especies, fermentación alcohólica y separación de lías y fangos.

2.7.2.1 Preparación del inóculo y propagación

La preparación del inóculo se realiza en laboratorio con la finalidad de multiplicar las

levaduras, hasta alcanzar la fase exponencial de crecimiento en el inóculo y una cantidad

que sembrada al propagado y posteriormente al sustrato, alcance una concentración

inicial en el sustrato de 1x107 a 1x108 cel/cc.

El inóculo se prepara sembrando por separado cepas puras de levaduras

seleccionadas, en matraces de 250 ml de capacidad, cargados con 150 ml de mosto de

uva o extracto de malta, previamente esterilizada en autoclave a 121 ºC durante 15

minutos, posteriormente se incuba en una estufa a 25 ºC, hasta que las especies en cada

matraz alcancen la fase exponencial de crecimiento, (el tiempo en el que se logra esta

fase es de 24 a 30 horas). Una vez logrado el máximo crecimiento para cada cepa de

levaduras, se propaga sembrando en un volumen mayor de sustrato.

El volumen del inóculo sembrado para la propagación es de 0,5 % a 1 % en

volumen, en el caso de fermentación múltiple conducida por una asociación binaria o

ternaria de levaduras, la siembra es por separado.

24

I

2.7.2.2 Fermentación

La fermentación se inicia con la siembra de las especies de levaduras al

fermentador y sobre esté pie de cuba se vierte el sustrato a fermentar. Previo al llenado

del fermentador con el sustrato este debe ser agitado, para disolver el oxígeno del aire,

necesario para la multiplicación de las levaduras. Iniciada la fermentación en condiciones

óptimas se observan tres fases: preliminar, tumultuosa y final sin que haya una distinción

absoluta entre ellas.

La fermentación alcohólica es un proceso exotérmico, que se desarrolla en forma

óptima bajo las siguientes condiciones: Temperatura de 20 ºC a 30 ºC, pH 4.8, presión

de 1 atm a 1,5 atm. En estas condiciones la fermentación se realiza en un tiempo de 7

días a 10 días, este tiempo de fermentación puede reducirse o prolongarse de acuerdo a

las condiciones y características a las que se somete el sistema sustrato- levadura.

2.7.2.2.1 Sistemas de fermentación

Hay varias maneras de conducir la fermentación alcohólica distinguiéndose aquellos

procesos convencionales y continuos. Entre los sistemas utilizados en el país son los

discontinuos, de aprovechamiento de inoculo o de recirculación de levadura. Escoger uno

de esos procesos depende de la capacidad de la destilería, del tipo de materia prima y de

la tecnología que se tiene.

a) Sistemas de fermentación discontinua

Es el más usado en pequeñas destilerías de alcohol y en algunas destilerías de

aguardiente, siendo recomendado su empleo principalmente en destilerías de

escala media, finalizada la fermentación tumultuosa en un tanque, la mitad del

mosto fermentado es destinado a otro tanque. Se completa el volumen de la

primera con el otro mosto corregido o tratado. Concluida la fermentación el tanque

es vaciado y limpiada para recibir otro mosto, realizándose así cortes sucesivos

toda vez que haya concluido la fermentación tumultuosa.

Recirculación del inóculo

En este sistema se aprovecha la biomasa celular del fermentador como inóculo de

otra fermentación, de está forma se tiene un menor consumo de substrato para el

24

I

crecimiento celular, por tanto, aproximadamente todo el sustrato se utiliza para la

bioconversión en etanol una vez que se dispone de una concentración elevada de

células al inicio de la fermentación.

Este sistema es común en las fábricas de agua ardiente. Las levaduras se

decantan al finalizar la fermentación alcohólica. Se transporta del 70 al 80% del

volumen del producto fermentado a la estabilización, dejando del 20 al 25 % para

su uso como pie de cuba en la siguiente fermentación.

2.7.2.3 Separación de lías y fangos

Culminada la fermentación después de los 7 a 10 días, en el tanque se presentan

dos fases líquidas de diferentes densidades, en la parte superior un líquido claro de

menor densidad y en la parte inferior un líquido más oscuro de mayor densidad, a este

líquido oscuro se lo conoce como lías o fangos, también conocido en nuestro medio como

las borras del producto fermentado, los cuales deben ser separados a fin de evitar

alteraciones indeseables en el fermentado. El fermento pasa por un filtro para la remoción

de las partículas sólidas, constituidas principalmente por fibras que pueden perjudicar en

la destilación. Por su parte, estas borras son aprovechadas como fuente de levaduras y

nutrientes para el inicio de una nueva fermentación, de esta manera, se logra desarrollar

fermentaciones múltiples en un ciclo continuo.

2.7.3 Operaciones de la etapa post-fermentativa

El objetivo de esta etapa es separar y purificar el etanol. En el caso de la

fermentación alcohólica la separación del alcohol del agua se realiza por destilación.

2.7.3.1 Destilación

El líquido fermentado es una solución hidroalcohólica que se separa por destilación,

en el que los componentes principales de la mezcla se dividen en cabezas y colas, en la

cabeza el componente principal es el alcohol y en la cola llamada también vinaza se

encuentra el agua.

24

I

La destilación es una operación física para separar mezclas de líquidos, se

fundamenta en la diferencia de volatilidad relativa de sus componentes o diferencia de sus

puntos de ebullición, técnicamente es una separación de equilibrio-limitada. 

En una columna de destilación las fases de vapor y líquido fluyen en contracorriente,

dentro de una zona de transferencia de masa. La columna es equipada con platos o

empaques para maximizar el contacto entre las dos fases. Para garantizar el equilibrio

líquido vapor una parte de la corriente de la mezcla destilada es retornada como un

reflujo líquido. La razón de reflujo (R) es definida como la cantidad de líquido del producto

de tope que retorna a la columna.

Normalmente, las grandes destilerías que operan con grandes cantidades de

fermentado para la obtención de alcohol de grado alcohólico elevado, se acostumbran a

fraccionar el producto en alcohol de primera, alcohol de segunda, etc., separando a los

productos secundarios, por rectificación en: aceite fusel, acetaldehído y los productos de

cabeza en estado concentrado.

En el sistema de destilación actualmente empleado en la rectificación continua se

utilizan las columnas denominadas depuradoras, destiladoras, rectificadoras y de repase

final. Esta última puede ser eliminada en la práctica, recogiendo lateralmente de la

columna rectificadora, el alcohol rectificado antes del tope. En la primera columna

conocida como la depuradora se obtiene una concentración baja de alcohol en el

destilado. Este es encaminado a una segunda columna conocida como la destiladora, en

el cual se separa del tope los productos de la cabeza y el destilado es retirado

lateralmente de la columna. El flujo que sale de esa columna con 40 a 50% de etanol se

introduce en la parte inferior de la columna rectificadora y luego al de repaso final donde

se logra obtener alcohol hidratado en una concentración de 96%.

La deshidratación solo es necesaria cuando se desea obtener alcohol como

carburante para mezclar con gasolina o con aceite vegetal. Los métodos químicos

utilizados para la deshidratación emplean compuestos deshidratantes que absorben el

agua del alcohol, como acetato de sodio, óxido de calcio y otros.

En la Figura 2.13 se presenta la sección transversal de una columna de destilación

típica que se utiliza normalmente en las industrias de destilerías.

24

I

Fig. 2.13. Representación general de una columna de destilación

24

I

Esta columna de destilación típica esta conformada básicamente de los siguientes

componentes:

Carcasa

Eliminador de gases tipo malla

Relleno o empaque

Plato de soporte para el relleno o empaque.

Distribuidores de líquido y de gas.

Soportes intermedios de estructuras de empaque y redistribuidores

Entradas del gas y del líquido y toberas de salida.