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12 Nov 2010

Caracterización cinética de inóculos en la Producción de MezcalAsesores: Dra. Ma. del Carmen Chávez PargaM. en C. Edgar León Esparza Ibarra

PIQ. Jorge Tovar Rodríguez

UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLÁS DE HIDALGO

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

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Índice

1. Producción de Mezcal

2. Parámetros que afectan la Fermentación

3. Inoculación

4. Justificación

5. Objetivos

6. Metodología

7. Resultados

8. Conclusiones

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1. Producción de Mezcal

Cosecha y Jima

Cocimiento y Molienda

Fermentación de los mostos Destilación Etiquetado y

Envasado

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2. Parámetros que afectan la Fermentación

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Parámetros que afectan la Fermentación

Tanto la fuente de nitrógeno seleccionada como la cantidad de inóculo y la combinación de ambos

factores, tienen poca o ninguna influencia en la producción de

alcoholes isobutílicos o isoamílicos

Temperatura de fermentación

(30ºC a 35ºC)

Relación

C/N

Cantidad

de inóculo

(5 a 10%)

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Temperatura y Concentración de azúcar

La temperatura tiene un papel crítico en la formación de compuestos volátiles.

En la industria del tequila, la fermentación se lleva a cabo a concentraciones de azúcar que van de los 50 a los 100 g*l-1 (Arrizón y

Gschaedler, 2002).

En varios estudios se reporta que las concentraciones de azúcar que van de

120 a 180 g*l-1 , muestran un decremento en la viabilidad y crecimiento de las

levaduras, sin importar el tipo de cepa utilizada (Bafrnacová y col., 1999); en parte debido al estrés osmótico de las

levaduras

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Stuck Fermentation

Está relacionada con la inhibición del proceso fermentativo. Existen diversas

explicaciones para este fenómeno, incluyendo la intoxicación debida a los

productos de desecho del metabolismo, tales como los ácidos hexanóico, octanóico y decanóico (Muñoz e

Ingledew, 1990).

Se ha comprobado que la adición de nitrógeno reduce este atasco en el

proceso (Ingledew y Kunkee, 1985);

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Limitaciones de los procesos fermentativos

Inhibición del transporte de

azúcares

Afinidad variable por la glucosa

Represión catabólica

Inhibición de la síntesis de proteínas.

Disponibilidad de Nitrógeno en el

medio

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3. Inoculación

Se trata del crecimiento en condiciones controladas de una cepa de levaduras, para su posterior uso en el proceso fermentativo. Es un paso crítico en el proceso de elaboración del mezcal. Se enfatiza que el desarrollo de un inóculo mejora significativamente los rendimientos, la productividad y el

tiempo de fermentación.

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Adición de nitrógeno en la inoculación

Esta adición es más eficiente al inicio

de la fermentación o en etapas

tempranas de ésta.

Se incrementa de manera importante

la eficiencia del proceso y en el

tiempo de fermentación.

Se promueve la activación del

transporte cuando el nitrógeno es aún

asimilable en el medio

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Cinéticas de cultivo en lote

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Las cinéticas nos permiten:

Predecir rendimientos Predecir tiempos de reacción

Ayudan a determinar el tamaño del biorreactor (escalamiento)

¿Cómo se obtienen?

Generalmente se obtienen de experimentos efectuados en biorreactores de pequeña escala.

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Modelos de Superficie de Respuesta

Variables explicativas y variablesde respuesta.

Es conveniente si se sabe poco sobre el proceso.

El modelo de segundo grado pueden ser utilizado para maximizar, minimizar o alcanzar un objetivo específico, una respuesta.

Aproximaciones de la realidad. Funcionan bastante bien en regiones pequeñas.

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4. Justificación

En la actualidad se reportan muy pocos resultados acerca del impacto de una fluente de Nitrógeno en la fase de crecimiento exponencial de las levaduras. A pesar de que se emplean varias fuentes de nitrógeno a manera de sales, como el cloruro y el sulfato de amonio, no se ha monitoreado su consumo durante el desarrollo de inóculos.

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5. Objetivos

Descripción cinética durante el desarrollo de inóculos en la producción de mezcal

Analizar la superficie de respuesta para determinar los parámetros que garantizan la mayor producción de levaduras viables para el proceso

de Fermentación.

Desarrollo del inpoculo para mejorar el proceso

Describir mediante superficies de respuesta, el comportamiento cinético del proceso.

Estudiar el efecto de los parámetros de estudio

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6. Metodología

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Diseño experimental

Matraz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

pH 4 4 4 4.5 4.5 5 4.5 5 5 4.5 4.5 4.5 4.5 4 5

ºBrix 5 7 9 5 9 5 7 7 9 7 9 5 7 7 7

g (NH4)2SO4/l 1 1.5 1 0.5 1.5 1 1 0.5 1 1 0.5 1.5 1 0.5 1.5

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Diseño experimental

Medio de Cultivo

Condiciones del Inóculo

Monitoreo de la Fermentación

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7. Resultados

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pH

tiempo, h

0 5 10 15 20 25 30

pH

2.8

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4

4.6

M1 M2 M3 M4 M5

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Azúcares Reductores

tiempo, h

0 5 10 15 20 25 30

g/l

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

M1 M2 M3 M4 M5

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Biomasa

tiempo, h

0 5 10 15 20 25 30

g/l

2

3

4

5

6

7

8

9

10

M11M12M13M14M15

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Superficie de Respuesta

Biomasa = 0.559375 + 2.36*pH - 1.02656*S + 2.44125*A -

0.3825*pH^2 + 0.248125*pH*S - 0.175*pH*A + 0.025625*S^2 +

0.420625*S*A - 1.7575*A^2

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Modelos de Superficie de Respuesta

Superficie de Respuesta y contorno para la producción de Biomasa en función del Sustrato (azúcar) y el pH

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Modelos de Superficie de Respuesta

Superficie de Respuesta y contorno para la producción de Biomasa en función del pH y el Sustrato N (nitrógeno amoniacal).

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ANOVA

Factor SC Gl MC F Valor p

A:Ph 1.41135 1 1.41135 4.28 0.0526

B:Azucar,

°Brix

17.1294 1 17.1294 51.89 0.0000

C:Nitrógeno 6.03004 1 6.03004 18.27 0.0004

AA 0.067526 1 0.067526 0.20 0.6562

AB 0.492528 1 0.492528 1.49 0.2368

AC 0.0153125 1 0.0153125 0.05 0.8318

BB 0.0775846 1 0.0775846 0.24 0.6334

BC 1.4154 1 1.4154 4.29 0.0523

CC 1.4256 1 1.4256 4.32 0.0515

Blocks 0.512213 1 0.512213 1.55 0.2280

Total Error 6.27182 19 0.330096

Total Corr 64.293 19

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Ajuste de Datos Experimentales

tiempo, h

0 5 10 15 20 25 30

Bio

ma

sa, g

/l

2

4

6

8

10

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G2 G3 Logístico Monod Contois Experimental

Ajuste de Datos experimentales de Biomasa para la prueba confirmatoria, con los modelos de Monod, Logístico, Contois y de Gompertz de dos y

tres parámetros.

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8. Conclusiones

Los parámetros que afectan más significativamente la variable de respuesta, son la cantidad de azúcar inicial y el nitrógeno amoniacal

adicionado.

Es posible apreciar que si bien un elevado pH inhibe la producción de alcohol, no evita que las levaduras se reproduzcan a una tasa

aceptable, garantizando que la producción máxima de levaduras.

El nitrógeno amoniacal promueve en efecto el crecimiento celular especialmente durante la fase exponencial y se agota en promedio

durante las primeras ocho horas de fermentación cuando la presencia del metabolito principal es casi nula o muy baja.

Lo que se interpreta como un agotamiento súbito de la fuente de Nitrógeno en la etapa previa al crecimiento exponencial.