Procedimientos Generales en la Fermentacin(Parmetros importantes a seguir y mediciones)

El proceso general de la fermentacin:Microorganismo(Sistema Vivo)EnzimasSustratoProductoResiduosSubProductos

Esquema general de un proceso de fermentacin.

(R, Ertola; O, Yantorno; C,Mignone. Microbiologa Industrial. Programa Regional de Desarrollo Cientfico y Tecnolgico. Pg 11)Caractersticas Principales del Proceso:Segn la cepa usada para la fermentacin dependen las condiciones empleadas. Sin embargo, es importante evaluar los siguientes factores para establecer un mejor rendimiento. Clase de microorganismo: Los microorganismos ms apropiados para la produccin de etanol a partir de azcares son las levaduras del gnero saccharomyces y kluyveromyces y las bacterias zymomonas mobilis.

Materias primas fundamentales: Se considera la disponibilidad de la materia, su costo en el mercado y la estabilidad en su composicin qumica.Principalmente se usan granos, almidones de azcar y melazas (caa de azcar, remolacha). Estos suplen la cantidad de azucares necesarios para el proceso, ya que la concentracin de azcar afecta la velocidad de la fermentacin, el comportamiento y el desarrollo de las clulas de la levadura. Suele ser satisfactoria una concentracin de azcar del 10 al 18%, el valor ms corriente es del 12%.

Aditivos (Nutrientes): La presencia de sustancias nutritivas adecuadas es una condicin necesaria para el crecimiento y desarrollo de la levadura, siendo su concentracin un factor primordial en la actividad vital de la levadura. Las principales sustancias nutritivas y las ms influyentes son el nitrgeno, fsforo, azufre, vitaminas y trazas de algunos elementos.

Concentracin de azucares: En la etapa inicial de la levadura, la concentracin de azucares debe ser baja ya que a grandes cantidades la respiracin se puede ver afectada.

Oxgeno: Se requiere una concentracin de oxigeno lo menor posible, ya que la levadura pasara a oxidar carbohidratos por medio de la respiracin (oxidacin de glucosa hasta dixido de carbono y agua) en vez de producir de alcohol.

Agitacin: Disminuye la sedimentacin de las clulas, como tambin mejora el contacto de los microorganismos con el sustrato.

Temperatura: Las levaduras pueden crecer a temperaturas diversas, dependiendo del tipo de levadura; sin embargo las temperaturas ptimas de crecimiento para la saccharomyces cerevisae estn entre los 23 y 36C (R.Betancourt, 2001), recomendable 30C.

pH: Para la levadura las condiciones de pH ms favorables para el crecimiento y fermentacin son entre 3 y 6. Sin embargo, en el rango de 3-4 esta produccin cae notablemente. Por otro lado, pH influye en la produccin de subproductos. Por ejemplo, a valores elevados se aumenta la produccin de glicerol. Con esto, se tiene que el rango ms apropiado est entre 3.9 4.6 (R.Betancourt, 2001).

Aireacin: El aire es un factor decisivo en toda fermentacin, ya que su presencia hace ms vigoroso el crecimiento de la levadura. Hay tres puntos de vista de gran importancia que favorecen el rendimiento debido a una buena aireacin: El libre y constante abastecimiento de oxgeno de cada clula en el sustrato. La eliminacin rpida del CO2, porque en concentraciones relativamente pequeas inhibe el crecimiento. El mantener en suspensin las clulas de levadura, a fin de que en la tumultosidad de la mezcla se renueve constantemente el contacto entre la membrana celular y el sustrato nutritivo. Las cantidades de aire que se precisan para la produccin de levadura, vara entre 275 y 530 pies3/lb de levadura con un contenido de 30% de materia seca. Al comenzar de la fermentacin se debe procurar que la aireacin no sea muy intensa, porque el contenido alcohlico del medio es escaso y pueden proliferar fcilmente los mohos que atacan a las levaduras del cultivo. Los efectos de la aireacin son ms crticos en la fermentacin en continuo con respecto a la fermentacin por cochada, debido a la necesidad de mantener en crecimiento continuo la levadura, como tambin una velocidad de fermentacin satisfactoria.

Concentracin de Etanol: La levadura es afectada en alto grado por la concentracin de alcohol, una concentracin alcohlica del 3% ya influye sobre el crecimiento; una concentracin de un 5% influye tanto sobre el crecimiento como en la fermentacin. Cuando la concentracin es del 10%, el crecimiento sufre la paralizacin total.

Procedimiento general de una Fermentacin:1. Pre inoculo:La levadura se siembra en cubas madres para propiciar su reproduccin. Despus en una marmita a una temperatura de 33C, pH de 4 se termina de preparar el pre-inoculo para su posterior uso.2. Materia Prima Fundamental:2.1. Determinacin de la masa: Teniendo el peso de la melaza seca, se disuelve en agua asegurndose de que el empaque no quede con melaza pegada. Se debe tener en cuenta la melaza adherida a los empaques, ya que se debe restar ese peso al total de la masa de la melaza.2.2. Determinacin de la densidad de la miel (m): A partir de la definicin de densidad (m=m/V), se calcula la densidad de la miel. Se realiza la medicin con un recipiente de masa conocida en el cul se vierte la sustancia hasta un volumen fijado. Con los datos tomados se halla la densidad. 2.3. Determinacin del mosto (f):A partir de la densidad de la melaza se debe ajustar esta densidad entre 1,06 a 1,1 g/cm3 (R.Betancourt, 2001). Para ello, se agrega una cantidad de agua segn la siguiente formula.

2.4. Medicin de Grados Brix (Brix):Se define como el porcentaje de peso que contiene en solucin de sacarosa pura, por ejemplo 25Brix tiene 25 g de azcar (sacarosa) por 100 g de lquido o, dicho de otro modo, hay 25 g de sacarosa y 75 g de agua en los 100 g de la solucin. Se pueden medir con un densmetro o un refractmetro.Se deben medir los grados Brix: Caracterizacin de la melaza. Caracterizacin del mosto. Despus de la hidrlisis por temperatura de la melaza. Durante el proceso de fermentacin.

(Bx) Grados Brix = 400/G 400Donde G es la densidad relativa o gravedad especifica.3. Determinacin del volumen del fermentador:La marmita (fermentador) tiene dos partes, una elipsoidal y la otra cilndrica; a cada una se le determina el volumen y la suma de las dos es el volumen final ocupado por la melaza en el recipiente. 3.1. Elipsoidal: El volumen de esta seccin se determinar a partir del llenado con agua, con esta cantidad utilizada se puede determinar el volumen.3.2. Cilndrica: Midiendo el dimetro interior de la marmita y la altura, solo teniendo en cuenta esta seccin cilndrica y restando la diferencia de alturas entre el nivel de la melaza y el borde de la marmita, se puede hallar el volumen con la siguiente expresin.

4. Esterilizacin del bioreactor:Para poder tener una fermentacin exitosa es imprescindible y obligatorio tener en todas las etapas del proceso cultivos libres de contaminantes. Para ello, antes de inocular se debe esterilizar el bioreactor con vapor de agua, segn la naturaleza del medio y el tamao del equipo se calcula el tiempo de esterilizacin. Primero, se debe dejar un tiempo para alcanzar la temperatura de esterilizacin. Despus, se deja la marmita, aproximadamente 30 minutos para el proceso de muerte, seguido de una hora de enfriamiento. Tambin, se deben esterilizar otros accesorios del equipo como mangueras, agitadores y filtros.

5. Adicin de nutrientes.Antes de realizar la inoculacin, es necesario agregar los nutrientes (urea, cloruro frrico, fosfato trisdico y sulfatos de magnesio). Para ello, se mezclan los nutrientes con el mosto en un balde, para luego agregarlo a la marmita y se procede a agitar vigorosamente la mezcla para homogenizarla.Cantidades mnimas de nutrientes para 100 Kg de melazaSustanciaCantidad/100Kg

Fosfato trisdico165 g

Urea101.2 g

Cloruro Frrico1.1 g

Sulfato de Magnesio1.1 g

6. Ajuste de pH:Para poder ajustar el pH del proceso, primero se debe obtener la curva de calibracin para determinar la cantidad de cido clorhdrico a agregar.As, primero se toma una alcuota de volumen conocido y con un potencimetro (pHmetro) se mide el pH. A continuacin, se procede a la titulacin de la muestra para obtener la curva. Con esto, se escala el volumen necesario de cido para llevar el mosto a un pH 4, se agrega esta cantidad a la marmita. Despus se vuelve a tomar el pH de una alcuota y determinar si es el adecuado, sino se repite el procedimiento anterior hasta que el pH se encuentre entre 3.9 y 4. Evitar sobrepasarse en la cantidad de cido agregado, ya que si esto sucede se debe agregar una solucin de carbonato de calcio o NaOH.

7. Ajuste de temperatura: Se debe tener una temperatura de 30 a 34C en el bioreactor antes de incubar. Para ello se hace pasar vapor vivo de caldera hasta alcanzar esta temperatura. Con ello, se pretende hidrolizar la sacarosa a glucosa y fructosa, azucares menos complejos que los iniciales, facilitando el consumo por la levadura.

8. Inoculacin:Se disuelve la cantidad de levadura necesaria en un balde. Para as agregarla cuidadosamente a la marmita. Este es el tiempo cero. Se debe mezclar bien, ya sea por burbujeo o por agitacin para homogenizar la mezcla.

9. Seguimiento del proceso (variables):Durante el proceso se debe hacer seguimiento del pH, la temperatura, la densidad, la concentracin de azucares reductores, altura del mosto y la concentracin de biomasa y Brix. Aprox. Cada hora.

10. Fin de la fermentacin: El proceso llega a su fin cuando la densidad del mosto con respecto a la densidad inicia de ste se ha reducido al menos cuatro centsimas.10.1. Captura de CO2: El CO2 liberado en el proceso fermentativo puede ser capturado en una solucin de Na(OH), en dicha solucin se lleva a cabo la reaccin en la cual el CO2 se captura en forma de carbonato de sodio.Referencias V, Garca. Introduccin a la Microbiologa. EUNED Editorial. Segunda Edicin. Pgina 113. Owen P. Ward. Biotecnologa de la Fermentacin. ACRIBIA, S.A. Sevilla, Espaa (1989). Pgina 135. R, Betancourt. Guas de Laboratorio de Operaciones Unitarias III. Difusividad y fabricacin de alcohol. Centro de Publicaciones - Universidad Nacional, Sede Manizales (2001). R, Ertola; O, Yantorno; C,Mignone. Microbiologa Industrial. Programa Regional de Desarrollo Cientfico y Tecnolgico. Pgina 11.