UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA EN INDUSTRIALIZACION DE ALIMENTOS
TESIS DE GRADO PREVIA A LA OBTENCION DEL TITULO DE INGENIERO EN INDUSTRIALIZACION DE ALIMENTOS
TEMA :
“CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DIDACTICO PARA LA FERMENTACION ALCOHOLICA Y ACETICA DE CICLO
CERRADO”
AUTORES :
DAVID HERNAN ECHEVERRIA OCHOA DAMIAN JOSELITO RIOS CHAVEZ
DIRECTOR :
INGENIERO MARCELO VALLEJO
QUITO- ECUADOR
2003
II
“DEL CONTENIDO DE LA PRESENTE TESIS, SE RESPONSABILIZAN LOS AUTORES”
------------------------------------------------- ------------------------------------------ David Hernán Echeverría Ochoa Damián Joselito Ríos Chávez
III
CERTIFICACION
Certifico que bajo mi dirección,
la presente tesis fue desarrollada por los Señores:
David Hernán Echeverría Ochoa
Damián Joselito Ríos Chávez
---------------------------------------
Ing. Marcelo Vallejo
Director de Tesis
IV
DEDICATORIA
El presente trabajo investigativo esta
dedicado a mis padres y hermana, las
personas más importantes en mi vida.
______________________________
DAVID H. ECHEVERRIA O.
V
DEDICATORIA
Este trabajo investigativo, esta dedicado,
especialmente a mi madre, que siempre
supo apoyarme y guiarme en la vida y a mis
queridos hermanos, que han sido mi umbral
de apoyo y que han compartido mis penas y
alegrías.
______________________________
DAMIAN J. RIOS CH.
VI
AGRADECIMIENTOS
A Dios por habernos permitido llegar hasta estos momentos.
A nuestros padres por su apoyo incondicional y sincero para la
elaboración de este proyecto.
A nuestro asesor del Proyecto, Ing. Marcelo Vallejo, por sus importantes
y valiosas recomendaciones para el desarrollo y avance de esta
investigación.
A la Universidad Tecnológica Equinoccial y su personal Docente, por
los valiosos conocimientos impartidos hacia nosotros.
A las personas que directa o indirectamente colaboraron de manera
desinteresada para llevar a feliz término esta investigación.
VII
RESUMEN
El presente trabajo, está específicamente dirigido a la adquisición de
partes, a la construcción del reactor biológico, a la puesta en marcha del
fermentador, además el estudio sobre su funcionamiento , elaboración de
hojas guías de prácticas, manual de operación y el análisis de los
resultados obtenidos.
Las fermentaciones realizadas posterior a la construcción del equipo
estarán exclusivamente enmarcadas en las pruebas necesarias para
obtener alcohol y ácido acético o vinagre partiendo de diversas frutas.
Se harán recomendaciones de otros usos del reactor que pueden ser
aplicados en múltiples actividades similares a estos procesos, lo que
permite ampliar sus aplicaciones.
VIII
SUMMARY Our primary aim in this thesis is the construction of a biologic reactor,
including the acquisition of each part, its ensemble and finally then the
properly use of it (fermentation), this study also includes a guide for the
correct use of it.
In order to produce the fermentation we are using fruits, to ensure the
results of this fermentation in alcohol and acetic acid or commonly
known as vinegar properly tests will be handled.
One of the mainly uses of our reactor is the fermentation but is not the
only one, here we also suggest other possible uses that can be done in.
IX
INDICE DE PREVIOS
Pág
RESPONSABILIDAD DEL CONTENIDO II
CERTIFICACION III
DEDICATORIA IV
DEDICATORIA V
AGRADECIMIENTOS VI
RESUMEN VII
SUMMARY VIII
INDICE DE PREVIOS IX
INDICE DEL CONTENIDO X
INDICE DE TABLAS XVII
INDICE DE GRAFICOS XIX
INDICE DE FOTOGRAFIAS Y PLANOS XX
X
INDICE DEL CONTENIDO
Pág
CAPITULO I GENERALIDADES DEL ESTUDIO 1
1.0 Objetivos 2
1.1 Objetivo General 2
1.2 Objetivos Específicos 2
1.3 Hipótesis 4
1.4 Alcance del Estudio 6
1.5 Justificación 8
1.5.1 Conveniencia 8
1.5.2 Impacto Social 8
1.5.3 Impacto Ecológico 9
1.5.4 Aporte a la Educación 9
1.6 Metodología 11
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA 12
2.0 Fundamentos 13
2.1 Fermentación 13
2.2 Historia de la Fermentación 16
2.3 Métodos de Fermentación 18
2.3.1 Fermentación discontinua 18
2.3.2 Fermentación alimentada (feed-batch) 22
2.3.3 Fermentación continua 23
2.4 Tipos de Fermentación 23
XI
2.4.1 Fermentación etanólica o alcohólica 23
2.4.2 Fermentación homoláctica 24
2.4.3 Fermentación heteroláctica 25
2.4.4 Fermentación del ácido propiónico 26
2.4.5 Fermentación ácido-mixta 27
2.4.6 Fermentación butanodiólica 27
2.4.7 Fermentación del butanol 28
2.5 Fermentación Alcohólica 28
2.6 Las levaduras 29
2.7 Enzimas 31
2.8 Parámetros para la Fermentación alcohólica 32
2.8.1 Temperatura 32
2.8.2 Influencia de la aireación 33
2.8.3 Necesidades Nutritivas 34
2.8.4 Influencia de la Acidez 35
2.8.5 El Vino 36
2.9 Fermentación Acética 36
2.9.1 Bacterias Acéticas 38
2.9.2 El Vinagre 41
CAPITULO III DESARROLLO DEL PROTOTIPO 42
3.1 Consideraciones preliminares al prototipo 43
3.1.1 Definición Operativa 43
XII
3.1.2 Construcción 44
3.1.3 Equipos accesorios 46
3.1.4 Tipos de Fermentador 46
3.1.5 Descripción de puntos considerados como los
criterios mas importantes para el diseño del
fermentador
47
3.2 Factores físico-químicos que afectan al
rendimiento de las fermentaciones industriales
49
3.2.1 Oxígeno 49
3.2.2 Temperatura 51
3.2.3 pH 52
3.3 Agitación 52
3.4 Descripción General 55
3.5 Materiales utilizados en la construcción del
equipo
56
3.5.1 Tanque de Acero inoxidable 56
3.5.2 Chaqueta de Acero Inoxidable 56
3.5.3 Cuerpo del tanque 57
3.5.4 Tapa del fermentador 58
3.5.5 Motor del Agitador 58
3.5.6 Placa de Filtro y Bomba 59
3.5.6.1 Filtro 59
3.5.6.2 Bomba 59
3.5.7 Tablero de Control 60
XIII
3.5.7.1 Pirómetro 60
3.5.7.2 Contactor 60
3.5.7.3 Luces Leds 60
3.5.7.4 Swiches de control 61
3.5.7.5 Reloj 61
3.5.7.6 Termocupla y acople 61
3.5.8 Fuente de calor 61
3.5.9 Cuadro de Características 62
CAPITULO IV MANTENIMIENTO DEL EQUIPO 64
4.1 Manual de Mantenimiento del Equipo 65
4.1.1 Sistema Mecánico 66
4.1.1.1 Mantenimiento Preventivo del Sistema Mecánico 66
4.1.1.2 Mantenimiento Correctivo del sistema Mecánico 67
4.1.2 Sistema Eléctrico 68
4.1.2.1 Mantenimiento Preventivo del Sistema Eléctrico 69
4.1.2.2 Mantenimiento Correctivo del sistema Eléctrico 70
4.1.3 Sistema Físico 71
4.1.3.1 Mantenimiento Preventivo del Sistema Físico 71
4.1.3.2 Mantenimiento Correctivo del sistema Físico 73
4.1.4 Mantenimientos Generales 73
4.2 Manual de Operación en proceso 75
4.2.1 Armado y montaje del Equipo 75
4.2.2 Llenado de la chaqueta 76
XIV
4.2.3 Llenado del producto a fermentar 77
4.2.4 Pasteurización 77
4.2.5 Enfriamiento 78
4.2.6 Fermentación 79
4.2.7 Controles 80
4.2.8 Limpieza 81
4.2.8.1 Descripción 81
4.2.8.2 Características 81
4.2.8.3 Forma de uso 82
4.2.8.4 Dosificación 82
4.3 Recomendaciones Generales del Equipo 83
CAPITULO V FASE EXPERIMENTAL 87
5.1 Practicas Realizadas y Propuestas 88
5.1.1 Practica # 1 ( Fermentación Alcohólica ) 88
5.1.1.1 Mosto fermentado de Pepino 88
5.1.1.2 Descripción de la fruta 88
5.1.1.3 Objetivo 90
5.1.1.4 Diagrama de Flujo 91
5.1.1.5 Resultados 92
5.1.1.6 Gráficos e Interpretaciones 93
5.1.2 Práctica # 2 (Fermentación Alcohólica - Acética) 96
5.1.2.1 Primera parte : Mosto Fermentado de Frutilla 96
5.1.2.2 Descripción de la fruta 96
XV
5.1.2.3 Objetivo 98
5.1.2.4 Diagrama de Flujo 99
5.1.2.5 Resultados 100
5.1.2.6 Gráficos e Interpretaciones 102
5.1.2.7 Segunda parte : Vinagre de Frutilla 105
5.1.2.8 Objetivo 105
5.1.2.9 Diagrama de Flujo 105
5.1.2.10 Resultados 106
5.1.2.11 Gráficos e Interpretación 107
5.1.3 Práctica # 3 (Fermentación Alcohólica) 109
5.1.3.1 Mosto fermentado de banano 109
5.1.3.2 Descripción de la fruta 109
5.1.3.3 Objetivo 111
5.1.3.4 Diagrama de flujo 112
5.1.3.5 Resultados 113
5.1.3.6 Gráficos e Interpretación 114
CAPITULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 117
6.1 Conclusiones 118
6.2 Recomendaciones 122
XVI
CAPITULO VII BIBLIOGRAFIA 125
7.1 Bibliografía 126
ANEXOS 128
A. Fotografías 129
B. Planos del Equipo
XVII
INDICE DE TABLAS
Pág
Tabla # 1. Características del Equipo 62
Tabla # 2. Especificación eléctrica 74
Tabla # 3. Características del pepino 88
Tabla # 4 Datos previos al ajuste de azúcar en el pepino 90
Tabla # 5 Resultados del día # 1 : Martes 22 de Julio 92
Tabla # 6 Resultados del día # 2 : Miércoles 23 de Julio 92
Tabla # 7 Características de la frutilla 96
Tabla # 8 Datos previos al ajuste de azúcar en la frutilla 98
Tabla # 9 Resultados del día # 1: Miércoles 30 de Julio 100
Tabla # 10 Resultados del día # 2 : Jueves 31 de Julio 100
Tabla # 11 Resultados del día # 3 : Viernes 1 de Agosto 100
Tabla # 12 Resultados del día # 4 : Sábado 2 de Agosto 101
Tabla # 13 Resultados del día # 5 : Domingo 3 de Agosto 101
Tabla # 14 Resultados del día # 6 : Lunes 4 de Agosto 101
Tabla # 15 Resultados del día # 7 : Martes 5 de Agosto 102
Tabla # 16 Resultados del mosto fermentado de frutilla 105
Tabla # 17 Procedimiento del día # 1 : Miércoles 6 de Agosto 106
Tabla # 18 Procedimiento del día # 2 : Jueves 7 de Agosto 106
Tabla # 19 Procedimiento del día # 3 : Viernes 8 de Agosto 106
Tabla # 20 Procedimiento del día # 4 : Sábado 9 de Agosto 106
Tabla # 21 Resultados analizados en laboratorio 106
XVIII
Pág
Tabla # 22. Características del banano 109
Tabla # 23 Datos previos al ajuste de azúcar en el banano 111
Tabla # 24 Resultados del día # 1 : Domingo 10 de Agosto 113
Tabla # 25 Resultados del día # 2 : Lunes 11 de Agosto 113
Tabla # 26 Resultados del día # 3 : Martes 12 de Agosto 113
Tabla # 27 Resultados del día # 4 : Miércoles 12 de Agosto 113
Tabla # 28 Resultados del día # 5 : Jueves 13 de Agosto 114
XIX
INDICE DE GRAFICOS
Pág
Gráfico # 1. Curva de proliferación típica de una población
bacteriana
21
Gráfico # 2. Gráfico previo al proceso fermentativo alcohólico del
pepino
91
Gráfico # 3. Fermentación del pepino dulce ( ° Brix – Tiempo ) 93
Gráfico # 4. Fermentación del pepino dulce ( pH – Tiempo ) 94
Gráfico # 5. Gráfico previo al proceso fermentativo alcohólico de la
frutilla
99
Gráfico # 6. Fermentación de frutilla ( ° Brix – Tiempo ) 102
Gráfico # 7. Fermentación de frutilla ( pH – Tiempo ) 104
Gráfico # 8. Gráfico previo al proceso fermentativo acético de la
frutilla
105
Gráfico # 9. Fermentación acética ( mg / 100 g Alcohol – Tiempo ) 107
Gráfico # 10. Fermentación acética ( % Ac. Acético – Tiempo ) 108
Gráfico # 11. Gráfico previo al proceso fermentativo alcohólico del
banano
112
Gráfico # 12. Fermentación del banano ( ° Brix – Tiempo ) 114
Gráfico # 13. Fermentación del banano ( pH – Tiempo ) 115
XX
INDICE DE FOTOGRAFIAS
A FOTOGRAFIAS Pág
A.1. PARTES DEL EQUIPO 129
A.1.1. Tanque interno, chaqueta, cuerpo 129
A.1.2. Placa de filtro y bomba 129
A.1.3. Motor, tapa y agitador 130
A.1.4. Difusor, tubo de inyección de aire armado 130
A.1.5. Válvulas de agua y de aire 130
A.1.6. Boca del tanque, termocupla e ingreso del eje, placa de
resistencia
131
A.1.7. Construcción del tablero, conexión eléctrica general,
contactor –pirómetro, resistencias, bomba, swiches de
control .
131
A.2. EQUIPO COMPLETO Y EN FUNCIONAMIENTO,
PRACTICAS
133
B PLANOS Lámina
Plano completo del Equipo 1
Diagrama eléctrico del tablero de control 2
Plano Interno del equipo 3
Plano Tanque interno y válvulas 4
Plano Tanque externo y válvulas 5
1
CAPITULO I
GENERALIDADES DEL ESTUDIO
2
CAPITULO I
GENERALIDADES DEL ESTUDIO
1.0.- OBJETIVOS :
1.1.- OBJETIVO GENERAL :
• Construir un equipo prototipo para lograr procesar toda la cadena de
fermentaciones hasta conseguir alcohol y vinagre; además de identificar las
condiciones apropiadas para cada una de sus etapas con un eficiente control que
ofrezca seguridad en el proceso. Al conseguir esto los estudiantes dispondrán de
este equipo para comprender mejor los procesos y relacionar con la teoría.
1.2 .- OBJETIVOS ESPECÍFICOS :
• Construir el equipo apropiado para cumplir exitosamente y de una manera segura
con los procesos de fermentación.
• Determinar los procesos de funcionamiento necesarios para obtener alcohol y
vinagre como producto final, según requerimientos teóricos.
• Elaborar las condiciones del uso del equipo (Manuales de mantenimiento y uso
correcto del fermentador).
3
• Construir el prototipo con materiales que ofrezcan seguridad y que sean de grado
alimentario.
• Realizar fermentaciones y que sus condiciones individuales de cada proceso o
etapa se ajusten fácilmente y de una manera totalmente controlada.
• Reducir manipulación y contacto con agentes contaminantes.
• Obtener un producto de óptima calidad.
4
1.3.- HIPOTESIS :
Con el diseño y su construcción del prototipo para la fermentación de ciclo cerrado,
se podrá realizar todas las diferentes fermentaciones que el proceso exige, de una
manera hermética que aísle del medio exterior evitando contaminaciones que
acarreen productos finales defectuosos.
En estas condiciones especiales del equipo se conseguirá reducir el tiempo de
obtención con métodos monitoreados por dispositivos de control que nos ayuden a
controlar el proceso.
Adicionalmente a está ventaja quedará demostrado la facilidad de su uso para los
fines propuestos de su aprovechamiento y los estudiantes que aprenden esta
tecnología tendrán una mejor comprensión de estos fenómenos biológicos.
Porque de la hipótesis
• Primero por que se conocen los procesos a fondo y existe la seguridad de que es
posible controlarlos de una mejor manera con la construcción de un prototipo
que brinde las condiciones físicas ideales para el proceso.
5
• Segundo por que es factible llevar a cabo su construcción y demostración, con lo
que quedarán demostrados los objetivos planteados y en el tiempo dispuesto para
terminar la tesis.
• Tercero porque la naturaleza de sus procesos permite anticipar a todas las
condiciones y variables que de deben manejar y por lo cual diseñarlo y
construirlo.
6
1.4.- ALCANCE DEL ESTUDIO :
Está específicamente dirigido a la adquisición de partes, a la construcción del
reactor biológico, a la puesta en marcha del fermentador, además el estudio sobre su
funcionamiento , elaboración de hojas guías de prácticas, manual de operación y el
análisis de los resultados obtenidos.
Estos intereses investigativos son buscados y realizados, tomando en cuenta los
conocimientos obtenidos en la carrera universitaria además de la investigación
respectiva que se ha realizado en el desarrollo de esta tesis y que se disponen como
herramientas para decidir y trabajar en cada una de las etapas.
Así se puede manifestar que, se manejan los aspectos profundos de los fenómenos
biológicos que ocurren en las fermentaciones alcohólicas - acéticas y predecir las
condiciones elementales de su construcción, tomando en cuenta que la ingeniería
mecánica y la del diseño no es la especialidad de la carrera , sin que esto afecte
principios elementales de la construcción, controles del equipo y de su seguridad.
Es decir como resultado: construir un equipo que cumpla con las funciones
requeridas de una manera óptima.
7
De la misma manera se tomará en cuenta la disponibilidad de los medios físicos
como laboratorio, taller mecánico que guarden cierta racionalidad con el
funcionamiento a nivel piloto y de laboratorio, tal como rigen las directrices o
recomendaciones de diseño, materiales y costos, en la construcción de equipos para
manejar fermentaciones, los mismos que se detallarán en un capítulo siguiente.
Las fermentaciones realizadas posterior a la construcción del equipo estarán
exclusivamente enmarcadas en las pruebas necesarias para obtener alcohol y ácido
acético o vinagre partiendo de diversas frutas.
Se harán recomendaciones de otros usos del reactor que pueden ser aplicados en
múltiples actividades similares a estos procesos, lo que permite ampliar sus
aplicaciones.
8
1.5 .- JUSTIFICACIÓN :
1.5.1.- CONVENIENCIA
El equipo propuesto es de gran conveniencia para su desarrollo, pues ayudará a
obtener el producto deseado con características adecuadas, optimizando espacio,
recursos, tiempo y además cualquier operador pueda manejarlo fácilmente de una
manera eficiente. Con este estudio también se construirá un manual técnico del
equipo y de los parámetros de producción a controlar a lo largo del proceso,
sustentados con los principios científicos y tecnológicos del caso.
1.5.2.- IMPACTO SOCIAL
Con este prototipo se verán beneficiados quienes realizan este producto de una forma
muy artesanal, donde el grado de contaminación tanto microbiológico como de
insectos es altísimo, y que además sus procesos son controlados empíricamente sin o
con pocos principios o sin ningún dispositivo de control. Por lo tanto el fermentador
de ciclo cerrado solucionará estos problemas, dándole un toque más técnico y como
consecuencia un producto de más alta calidad.
Por esta problemática es que en el Ecuador la producción de ácido acético en
producto denominado vinagre es muy escasa y como consecuencia muy costosa, esta
es la razón que en el mercado se consuma solo soluciones de ácido acético obtenidos
por síntesis en laboratorio y que se los denomina falsamente vinagres y que en
comparación con los naturales son de gran diferencia.
9
Se puede conseguir también el aprovechamiento de frutos que son desperdiciados en
la zona costera y oriental sobre todo, como: plátanos, mandarinas, naranjas etc. Que
en sus temporadas se desperdician y de esta manera pueden ser maximizados sus
aprovechamientos generando recursos económicos.
1.5.3.- IMPACTO ECOLÓGICO
Como consecuencia del aprovechamiento de materias primas no utilizadas o de
rechazo, el medio ambiente se verá favorecido al exponer menos contaminación, que
pese a ser biológicos muchas veces representan un gran problema y costos
adicionales. Como es el caso del plátano que no se lo aprovecha y termina
descomponiéndose. Como ventaja, este producto no necesita cumplir con las
especificaciones que exige el mercado como consumidor en fruto.
1.5.4.- APORTE A LA EDUCACIÓN
Definitivamente, al disponer de este prototipo los estudiantes que aprendan la
tecnología de las fermentaciones conocerán los fenómenos de una mejor manera y
de una forma más didáctica.
El prototipo quedará a disposición de los estudiantes, el mismo que se lo debe
colocar en un área de funcionamiento adecuada y cada estudiante pueda observar las
fermentaciones y los cambios que se producen en dichas prácticas.
10
El aporte de este prototipo será fundamental para que se comprenda de mejor forma
los fenómenos a estudiarse en el área de la microbiología industrial, biotecnología y
específicamente el capitulo de fermentación, tomando en cuenta que habrán otros
prototipos, con los cuales se puede planificar un proceso de forma concatenada.
Se constituye también en una herramienta clave para que el docente pueda promover
sus ensayos experimentales y sus posibles aplicaciones, también como manejos y
cuidados del mismo.
Además se dispondrá de los instrumentos necesarios con los que se pueda evaluar,
analizar y finalmente concluir sobre los procesos bioquímicos de las fermentaciones ,
con los cuales quedará bien cimentado lo teórico con lo práctico.
De esta manera sus aptitudes serán más fundamentadas al momento de afrontar sus
conocimientos a nivel profesional, destacando la carrera y su procedencia
universitaria.
11
1.6 .- METODOLOGIA :
Exploración.
Basada en el diagnóstico del proceso; el equipo a diseñar estará enfocado a la
fermentación alcohólica y acética, por ende este será el fundamento.
Descriptivos.
Los procesos descriptivos, de igual forma serán detallados en el marco de referencia
y expresamente a los relacionados al concepto de fermentación como tal;
fermentación alcohólica y fermentación acética.
Predictivo.
Se tomará en cuenta las variables que entran en el proceso fermentativo, tales como
tiempo, temperatura, pH, ° Brix.
Experimental.
Esta es la metodología principal a seguir, ya que para el correcto diseño del prototipo
se revisarán fundamentos teóricos y netamente experimentales; ya que se verificarán
las variables que entran en el proceso fermentativo.
12
CAPITULO II
MARCO DE REFERENCIA
13
CAPITULO II
MARCO DE REFERENCIA
2.0.- FUNDAMENTOS
2.1.- FERMENTACION
“Se determina a los cambios químicos en las sustancias orgánicas producidos por la
acción de las enzimas. Esta definición general incluye prácticamente todas las
reacciones químicas de importancia fisiológica. Actualmente, los científicos suelen
reservar dicha denominación para la acción de ciertas enzimas específicas, llamadas
fermentos, producidas por organismos diminutos tales como el moho, las bacterias y
la levadura. Por ejemplo, la lactasa, un fermento producido por una bacteria que se
encuentra generalmente en la leche, hace que ésta se agrie, transformando la lactosa
(azúcar de la leche) en ácido láctico. El tipo de fermentación más importante es la
fermentación alcohólica, en donde la acción de la cimasa segregada por la levadura
convierte los azúcares simples, como la glucosa y la fructosa, en alcohol etílico y
dióxido de carbono. Hay otros muchos tipos de fermentación que se producen de
forma natural, como la formación de ácido butanoico cuando la mantequilla se
vuelve rancia, y de ácido etanoico (acético) cuando el vino se convierte en vinagre.
14
Generalmente, la fermentación produce la descomposición de sustancias orgánicas
complejas en otras simples, gracias a una acción catalizada. Por ejemplo, debido a la
acción de la diastasa, la cimasa y la invertasa, el almidón se descompone (hidroliza)
en azúcares complejos, luego en azúcares simples y finalmente en alcohol.
La glicerina, la propanona, el butanol y el ácido butírico se producen actualmente a
escala comercial por procesos especiales de fermentación. Varios productos de
fermentación de la leche como la lactobacilina, el kéfir y el yogur se consumen
abundantemente debido a sus propiedades nutritivas.
La acción de ciertas bacterias sobre los carbohidratos no digeridos produce la
fermentación en el intestino humano. Como resultado, pueden producirse ciertos
gases como el sulfhídrico y el dióxido de carbono en cantidades suficientes como
para causar distensión y dolor. También pueden producirse ciertos ácidos como el
láctico y el etanoico en los intestinos de los bebés, provocando diarreas”.1
La palabra «fermentación» es confusa en Microbiología porque con ella se hace
referencia a cuatro tipos de procesos diferentes:
• El metabolismo microbiano en ausencia de oxígeno,
• La producción de metabolitos secundarios,
• La modificación de compuestos químicos por microorganismos en
crecimiento, y
1"Fermentación," Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2000. © 1993-1999 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.
15
• El crecimiento bacteriano en sí cuando el interés del cultivo es la producción
de biomasa.
Fermentación es el proceso por el que las células pueden obtener energía sin llevar a
cabo un proceso de fosforilación oxidativa. Esto es: en la fermentación, la energía
se obtiene mediante un proceso químico de fosforilación a nivel de substrato sin que
se produzca una variación neta del poder reductor de la célula.
Los primeros estudios científicos serios sobre procesos de fermentación se llevaron a
cabo por Pasteur en el análisis de los procesos de producción y alteración del alcohol
durante la fabricación del vino.
Fosforilación oxidativa
“La oxidación del alimento durante la respiración libera energía química potencial
que es utilizada para sintetizar ATP.
El proceso implica la fosforilación oxidativa de moléculas alimenticias como
glucosa, ácidos grasos o glicerina (las más comunes). Las moléculas son
descompuestas durante una serie de reacciones, y la energía liberada en ciertos
estadios del proceso es utilizada para producir ATP en reacciones de fosforilación.2”
2"Fosforilación," Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2000. © 1993-1999 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.
16
Los procesos de fermentación son universales; esto es: se encuentran en todo tipo de
organismos y, por consiguiente, probablemente represente una de las formas más
antiguas de conservación de la energía.
2.2.-HISTORIA DE LA FERMENTACION
“3En condiciones adecuadas es posible fermentar una solución de azúcar y obtener
alcohol etílico y CO2, en tiempos muy remotos el hombre conoció esta fermentación
pero hace relativamente pocos años que se comprende el proceso de esta
trasformación.
En 1837 Cagniargd de la Tour observó que en la fermentación intervenían
organismos. El hecho de que esporas microscópicas de levadura se encuentran
siempre en el aire y que estos organismos causan la fermentación , había escapado
a la atención de los investigadores anteriores a esta época.
Theodore Schwan (1810 - 1882) demostró que no se producía ninguna fermentación
cuando se destruían los microorganismos.
Sin embargo fue Pasteur quien esclareció el problema y consiguió que sus ideas
fueran adaptadas por el mundo científico.
3 VILLE, Claude, Biología General, Ed. Arausa, España, 1985.Pg.120
17
La fermentación alcohólica al igual que la respiración anaeróbica en muchos
aspectos los productos finales son distintos y la eficiencia en la fermentación es más
baja.
“4 C6H12O6 2 C2H5OH + 2CO2 + 21 Cal ”
Se forman alcohol y C02 en vez de agua y CO2 de la respiración aeróbica y la
energía liberada es solamente 21 cal en vez de 673 cal
“5Caloría, Unidad que sirve para medir las cantidades de calor. La caloría pequeña,
o caloría-gramo (cal), suele definirse en ciencia e ingeniería como la cantidad de
calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 a 15,5 °C. A
veces se especifica otro intervalo de temperaturas. La definición más habitual en
termoquímica es que 1 caloría es igual a 4,1840 julios (J).”
Pero a pesar de la diferencia reducida de este proceso es el medio que utilizan las
levaduras para obtener la energía necesaria para su metabolismo.
La fermentación es el desdoblamiento anaeróbico de los carbohidratos por lo que
afecta a proteínas y aminoácidos que recibe el nombre de putrefacción.
4 KIMBALL, John, “Biología” , Ed. Addison - Wesley Iberoamericana USA, 1986. Pg.126
5"Caloría," Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2000. © 1993-1999 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.
18
Los agentes biológicos de las fermentaciones se denominan también fermentos
puesto que a toda fermentación se le da un nombre basado en los principales
productos resultantes de ella, se pueden enumerar haciendo referencia a los casos
descritos , las fermentaciones alcohólica , láctica, propiónica y butírica originadas
por levaduras. Los microbios que utilizan estas degradaciones incompletas para
sus exigencias vitales están obligados a utilizar gran cantidad de material de
partida a causa del bajo rendimiento energético en consecuencia se origina una
notable acumulación de los productos resultantes de la degradación en los líquidos
industriales de muchas fermentaciones.
2.3.- “6METODOS DE FERMENTACION”
2.3.1.- Fermentación discontinua
Una fermentación discontinua (en batch) puede ser considerada como un "sistema
cerrado".
Al inicio de la operación se añade la solución esterilizada de nutrientes y se inocula
con el microorganismo, permitiendo que se lleve a cabo la incubación en condiciones
óptimas de fermentación. A lo largo de toda la fermentación no se añade nada,
excepto oxígeno (en forma de aire), un agente antiespumante y ácidos o bases para
controlar el pH.
6 http://nostoc.usal.es/sefin/MI/tema12MI.html
19
La composición del medio de cultivo, la concentración de la biomasa y la
concentración de metabolitos cambia generalmente como resultado del metabolismo
de las células observándose las cuatro fases típicas de crecimiento:
1.- Fase de Latencia
“7Cuando una población microbiana inoculada es medio fresco, el crecimiento
generalmente no inicia de inmediato sino después de cierto tiempo, llamado fase lag,
de retraso, latencia, o adaptación, que ser breve o largo, dependiendo de las
condiciones. Si un cultivo que crece exponencialmente es inoculado al mismo medio
bajo las mismas condiciones de crecimiento, no se observa la fase de retraso y el
crecimiento exponencial continúa a la misma velocidad. Sin embargo el inóculo se
toma de un cultivo viejo (fase estacionaria) y se inocula en el mismo medio,
generalmente se presenta la fase lag aun cuando todas las células del inóculo estén
vivas. Esto se debe a que las células generalmente agotan diferentes coenzimas
esenciales u otros constituyentes celulares y se requiere cierto tiempo para su
resíntesis. Un retraso también se presenta cuando el inóculo está formado por células
que han sido dañadas ( pero no muertas ) por tratamiento con calor, radiación o
sustancias químicas, debido al tiempo necesario para que las células puedan reparar
dicho daño.
Dicho retraso también se observa cuando una población se transfiere de un medio de
cultivo rico a uno pobre. Esto sucede debido a que, para que continúe el crecimiento
en un medio de cultivo en particular, es necesario que las células tengan un
complemento íntegro de enzimas para la síntesis de los metabolitos esenciales que no
7 BROCK/ MADIGAN, “Microbiología”, sexta edición.1991. Prentice Hall Hispanoamericana México. Pg. 332
20
están presentes en dicho medio. Cuando se les transfiere a un medio diferente, se
requiere cierto tiempo para la síntesis de nuevas enzimas.
2.- Fase logarítmica
Es una consecuencia del hecho de que cada célula se divide para formar dos células,
cada una de las cuales también se divide para formar dos células más y así
sucesivamente. La mayor parte de los microorganismos unicelulares crecen
exponencialmente, pero la velocidad de crecimiento exponencial varía mucho de un
organismo a otro.
Las condiciones ambientales (temperatura, composición del medio de cultivo)
afectan a la velocidad de crecimiento exponencial así como por las características del
organismo mismo. En general, las bacterias crecen con mayor rapidez que los
microorganismos eucarióticos y los eucariotes pequeños se desarrollan más a prisa
que los grandes.
3.- Fase estacionaria
En la fase estacionaria no hay incremento ni decremento en la cantidad de células.
Sin embargo, aunque no hay crecimiento en la fase estacionaria, muchas de las
funciones celulares pueden continuar, incluyendo el metabolismo energético y
algunos procesos biosintéticos. Ciertos metabolitos celulares, llamados metabolitos
secundarios se producen principalmente en la fase estacionaria, especialmente en la
transición de la logarítmica final a la fase estacionaria.
21
En algunos organismos, el desarrollo puede tener lugar en la fase estacionaria; unas
células de la población crecen, en tanto que otras mueren, equilibrándose los dos
procesos, de modo que no hay aumento ni disminución en la cantidad de células (a
este se le llama crecimiento críptico).
4.- Fase de muerte.
Durante esta fase, el conteo microscópico directo puede permanecer constante, pero
la viabilidad disminuye lentamente. En algunos casos, la muerte se acompaña por
lisis celular, dando lugar a una disminución en el conteo microscópico directo junto
con la disminución del conteo de viabilidad.”
GRAFICO #1.- CURVA DE PROLIFERACION TIPICA DE UNA POBLACION
BACTERIANA
Fuente: BROCK/ MADIGAN, “Microbiología”, sexta edición.1991. México.
Elaborado por: Echeverría D – Ríos D.
22
En los procesos comerciales la fermentación frecuentemente se interrumpe al final de
la fase logarítmica (metabolitos primarios) o antes de que comience la fase de muerte
(metabolitos secundarios).
Para la puesta en marcha del prototipo hay que tener en cuenta que se trabajará con
este tipo de método para la fermentación.
2.3.2.- Fermentación alimentada (feed-batch)
“8En los procesos convencionales discontinuos que acabamos de describir, todos los
sustratos se añaden al principio de la fermentación. Una mejora del proceso cerrado
discontinuo es la fermentación alimentada que se utiliza en la producción de
sustancias como la penicilina.
En los procesos alimentados, los sustratos se añaden escalonadamente a medida que
progresa la fermentación. La formación de muchos metabolitos secundarios está
sometida a represión catabólica (efecto glucosa).
Por esta razón en el método alimentado los elementos críticos de la solución de
nutrientes se añaden en pequeñas concentraciones al principio de la fermentación y
continúan añadiéndose a pequeñas dosis durante la fase de producción.”
8 http://nostoc.usal.es/sefin/MI/tema12MI.html
23
2.3.3.-Fermentación continua
“9En la fermentación continua se establece un sistema abierto. La solución nutritiva
estéril se añade continuamente al biorreactor y una cantidad equivalente de solución
utilizada de los nutrientes, con los microorganismos, se saca simultáneamente del
sistema.
El objetivo fundamental de la industria de las fermentaciones es minimizar costes e
incrementar los rendimientos. Este objetivo puede alcanzarse si se desarrolla el tipo
de fermentación más adecuado para cada paso en particular.
Si bien los procesos de fermentación continua no se utilizan de forma general en la
industria, debido fundamentalmente al mayor nivel de experiencia que se tiene en el
crecimiento de células en fermentación discontinua, el costo de producción de
biomasa mediante cultivo continuo es potencialmente inferior al de cultivo
discontinuo”.
2.4.- “10TIPOS DE FERMENTACIONES
Diferentes tipos de bacterias reducen el piruvato de maneras diversas dando lugar a
distintos procesos de fermentación que se conocen por sus productos finales.
2.4.1.- Fermentación etanólica o alcohólica
El piruvato se reduce para formar etanol y CO2 :
9 http://nostoc.usal.es/sefin/MI/tema12MI.html 10 http://www2.cbm.uam.es/jlsanz/Docencia/Resumenes%20G-II/II-36%20Fermentaciones.doc
24
“11Glucosa + 2 ADP + 2 Pi 2 etanol + 2 CO2 + 2 ATP”
Este es el proceso de fermentación que lleva a cabo Saccharomyces cerevisiae y
algunas (pocas) bacterias.
Su importancia industrial es evidente: la fermentación alcohólica produce el alcohol
presente en las bebidas fermentadas (vino, cerveza, etc.) y el CO2 que se libera en
esta fermentación es el causante del esponjamiento de la masa de pan durante su
fermentación. En este último caso el proceso de cocción posterior durante la
fabricación permite eliminar todo el alcohol de manera que no queda presente en el
producto final.
2.4.2.- Fermentación homoláctica
Se denomina así la fermentación cuyo único producto final es el ácido láctico. Su
ecuación global es:
“12Glucosa + 2 ADP + 2 Pi 2 ácido láctico + 2 ATP"
Estas bacterias producen el piruvato por catabolismo de la glucosa siguiendo la ruta
de Embden-Meyerhof (vía glucolítica clásica).
Es un proceso de fermentación presente en muchas bacterias del grupo láctico:
Streptococcus (grupo de enterococos), Pediococcus y varios grupos de Lactobacillus. 11 http://www2.cbm.uam.es/jlsanz/Docencia/Resumenes%20G-II/II-36%20Fermentaciones.doc 12 http://www2.cbm.uam.es/jlsanz/Docencia/Resumenes%20G-II/II-36%20Fermentaciones.doc
25
Su importancia industrial estriba en la bajada del pH de los productos donde se
encuentran estas bacterias: esta bajada del pH como consecuencia de la liberación de
ácido láctico es suficiente para producir unos cambios químicos en el producto
(precipitación de proteínas durante el cuajado de la leche), cambios microbiológico
(protección del deterioro microbiano de alimentos como consecuencia de la
eliminación de la flora competidora) y organolépticos (los ácidos orgánicos de
cadena corta, y entre ellos el ácido láctico tienen características de producción de
sabor) que hacen de esta fermentación un proceso muy relevante en la producción de
alimentos.
2.4.3.- Fermentación heteroláctica
Denominada así porque su producto final no es exclusivamente ácido láctico. El
proceso tiene un rendimiento menor al de la fermentación homoláctica como se
desprende de la producción de solo un mol de ATP por mol de glucosa fermentada.
La obtención del piruvato en estas bacterias se logra mediante el catabolismo de la
glucosa por la ruta de las pentosas.
La reacción global es:
“13Glucosa + ADP + Pi Ac. láctico + etanol + CO2 + ATP”
Este proceso lo llevan a cabo bacterias del grupo láctico pertenecientes a los géneros
Leuconostoc y Lactobacillus.
13 http://www2.cbm.uam.es/jlsanz/Docencia/Resumenes%20G-II/II-36%20Fermentaciones.doc
26
Industrialmente el proceso es relevante en la producción de alimentos fermentados
(por ejemplo el sauerkraut). Otra bacteria productora de este tipo de fermentación es
Lactobacillus acidophilus que facilita el metabolismo de la leche.
2.4.4.- Fermentación del ácido propiónico
“14Las bacterias que presentan este tipo de fermentación se pueden utilizar tanto
azúcares como lactato como puntos de partida para el proceso. La ruta es un proceso
complejo en el que se genera acetato, CO2 y ácido propiónico como productos
finales.
Esta ruta fermentativa la presentan las bacterias del tipo Propionibacterium y otras
anaerobias estrictas presentes en el rúmen de los herbívoros donde llevan a cabo una
fermentación secundaria de los productos de las fermentaciones lácticas primarias.
Industrialmente Propionibacterium es importante en la fermentación del queso para
producir el tipo suizo: la fermentación propiónica utiliza en este caso el lactato
producido en las fermentaciones lácticas primarias produciendo CO2 responsable de
los «ojos» del queso suizo y acumulación de ácidos orgánicos de cadena corta
responsables de características organolépticas.”
14 http://www2.cbm.uam.es/jlsanz/Docencia/Resumenes%20G-II/II-36%20Fermentaciones.doc
27
2.4.5.- Fermentación ácido-mixta
“15La fermentación ácido mixta produce ácido acético, etanol, H2, CO2 y
proporciones diferentes de ácido láctico o propiónico (fórmico) según las especies.
Es un tipo de fermentación que llevan a cabo las enterobacterias. En esta ruta de
fermentación se produce ATP además de la reoxidación del NADH+H+.
La producción de formiato o CO2 + H2 depende de la presencia en la bacteria de una
enzima denominada formiato-liasa responsable del paso. No todas las bacterias la
tienen y su actividad es detectable por la producción de grandes cantidades de gas (el
H2 es insoluble) como consecuencia de la fermentación del azúcar.
2.4.6.- Fermentación butanodiólica
Es una variante de la anterior presente en algunas enterobacterias como Klebsiella,
Serratia y Erwinia, especie en la que se da una fermentación ácida mixta
butanodiólica. En esta ruta se desprende CO2 y se logra como producto final el 2.3-
butanodiol. Como paso intermedio de la ruta se produce acetoína que puede servir
para la identificación de las bacterias que presentan esta ruta mediante la reacción de
Voges-Proskauer que permite distinguir bacterias muy semejantes como Escherichia
y Enterobacter.”
15 http://www2.cbm.uam.es/jlsanz/Docencia/Resumenes%20G-II/II-36%20Fermentaciones.doc
28
2.4.7.- Fermentación del butanol
“16Es un tipo de fermentación llevado a cabo por bacterias anaerobias estrictas del
género Clostridium. En el curso de esta fermentación se producen compuestos
orgánicos disolventes de gran importancia industrial y que, históricamente, han sido
los primeros productos industriales bacterianos de importancia económica relevante
durante la 1ª Guerra Mundial (trabajo de Weizmann).”
2.5.- FERMENTACION ALCOHOLICA
El origen de las bebidas fermentadas debe buscarse en los albores mismos de la vida
humana. Según algunos autores, la miel de abejas silvestres aguada y abandonada a
sí misma, debió ser la primera bebida fermentada. En una etapa no mucho más
avanzada, debió seguir la elaboración del vino. La Biblia recuerda a Noé embriagado
con el vino hecho de su propia vid.
El fenómeno de la fermentación debió llamar la atención del hombre desde las
épocas más remotas, pero sin el conocimiento de la naturaleza de los fenómenos
químicos y biológicos que rigen las manifestaciones de la vida, no se puede dar una
explicación, ni lejanamente probable sobre este fenómeno, y su realidad quedó
envuelta en los velos del misterio hasta mediados del siglo XIX. Para entonces, sin
conocer las causas ni los agentes que determinaban su formación, se sabía que los
líquidos azucarados, una vez fermentados, contenían alcohol y anhídrido carbónico. 16 http://www2.cbm.uam.es/jlsanz/Docencia/Resumenes%20G-II/II-36%20Fermentaciones.doc
29
"17La fermentación es una de las operaciones más chocantes y más extraordinarias de
todas las que la química nos presenta"
Hace apenas un siglo, Pasteur demostró que la fermentación se produce por medio de
las levaduras cuando éstas viven sin aire, por supuesto que se puede hacer vino sin
conocer todos los mecanismos de la fermentación, pero cuando estos mecanismos se
conocen y se comprenden es más fácil seguirlos, reproducirlos y dirigirlos.
"18La fermentación es una correlación de la vida, y son las levaduras, hongos
microscópicos unicelulares, las que descomponen el azúcar en alcohol y gas
carbónico".
2.6.- Las Levaduras
“19La vinificación, industrial de la transformación de un producto de la tierra, de un
fruto, en una bebida fermentada, no es una industria de fermentación banal. Escapa a
las reglas industriales. El vinicultor no es dueño de la composición de la materia
prima, ni de las cepas, ni de las regiones, ni del estado de maduración, ni de los
agentes de transformación que habitan en la microflora natural de la uva. El solo
puede modificar las condiciones de esta transformación.
Como ya se ha dicho, las levaduras son los agentes de la fermentación. Se las puede
cultivar como vegetales microscópicos.
17 Citado por Lavoisier 18 Citado por Lavoisier 19 BROCK/ MADIGAN, “Microbiología”, sexta edición.1991. Prentice Hall Hispanoamericana México. Pg. 120
30
Se encuentran naturalmente en el hollejo de la uva. El suelo es su principal hábitat en
invierno, se encuentran en la capa superficial de la tierra. En verano, por medio de
los insectos y del polvo que levantan los arados, son transportados hasta el fruto. La
distribución de las levaduras se produce al azar. No hay, por lo tanto, levaduras
específicas de la uva, ni mucho menos de las cepas.
Existe un gran número de especies de levaduras que se diferencian por su aspecto,
sus propiedades, sus modos de reproducción y por la forma en la que transforman el
azúcar.
Las levaduras del vino pertenecen a una docena de géneros, cada uno dividido en
especies. Las especies más extendidas son Saccharomyces ellipsoideus, Kloeckera
apiculata y Hanseniaspora uvarum, las cuales representan por sí solas el 90% de las
levaduras utilizadas para la fermentación del vino.
Como todos los seres vivos, las levaduras tienen necesidades precisas en lo que se
refiere a nutrición y al medio en que viven. Son muy sensibles a la temperatura,
necesitan oxígeno, una alimentación apropiada en azúcares, en elementos minerales
y en sustancias nitrogenadas.
Las levaduras tienen ciclos reproductivos cortos, lo que hace que el inicio de la
fermentación sea tan rápido, pero así como se multiplican, pueden morir por la falta
o el exceso de las variables mencionadas.”
31
2.7.- Enzimas
“20Cualquiera de las numerosas sustancias orgánicas especializadas compuestas por
polímeros de aminoácidos, que actúan como catalizadores en el metabolismo de los
seres vivos.
Con su acción, regulan la velocidad de muchas reacciones químicas implicadas en
este proceso. El nombre de enzima, que fue propuesto en 1867 por el fisiólogo
alemán Wilhelm Kühne (1837-1900), deriva de la frase griega en zymç, que significa
'en fermento'. En la actualidad los tipos de enzimas identificados son más de 700.
Las enzimas se clasifican en varias categorías: hidrolíticas, oxidantes y reductoras,
dependiendo del tipo de reacción que controlen. Las enzimas hidrolíticas aceleran las
reacciones en las que una sustancia se rompe en componentes más simples por
reacción con moléculas de agua. Las enzimas oxidativas, conocidas como oxidasas,
aceleran las reacciones de oxidación, y las reductoras las reacciones de reducción en
las que se libera oxígeno. Otras enzimas catalizan otros tipos de reacciones.
Las enzimas se denominan añadiendo asa al nombre del sustrato con el cual
reaccionan.
La fermentación alcohólica y otros procesos industriales importantes dependen de la
acción de enzimas, sintetizadas por las levaduras y bacterias empleadas en el proceso
de producción. Algunas enzimas se utilizan con fines médicos. En ocasiones
20"Enzima," Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2000. © 1993-1999 Microsoft Corporation.
32
son útiles en el tratamiento de zonas de inflamación local; la tripsina se emplea para
eliminar sustancias extrañas y tejido muerto de las heridas y quemaduras.”
2.8.- “21PARAMETROS PARA LA FERMENTACION ALCOHOLICA
2.8.1.- Temperatura
La temperatura es un factor preponderante para la vida de las levaduras, no se
desarrollan bien más que en una escala de temperaturas relativamente corta, hasta 30º
C como máximo y por debajo de 13 ó 14º C el inicio de la fermentación de una
vendimia es prácticamente imposible.
Las temperaturas máximas y mínimas dependerán de la especie de levadura que se
use, si es resistente o no y cual es la temperatura óptima para su desarrollo. También
se deberá manejar la temperatura dependiendo del vino que se quiera obtener. Si se
quiere obtener un vino con baja graduación alcohólica, se deberá hacer una
fermentación a alta temperatura, por el contrario, si se quiere obtener un vino con
alta graduación alcohólica se deberá proceder a una fermentación a baja temperatura.
En general, la temperatura ideal para la vinificación en tinto se sitúa entre los 25 y
los 30º C, en función de la necesidad de conseguir una fermentación suficientemente
rápida, una buena maceración y evitar el cese de fermentación. Para la vinificación
en blanco la temperatura recomendada es más baja, alrededor de los 20º C.
21 http://www.monografias.com/trabajos10/anvi/anvi.shtml
33
La temperatura crítica de la fermentación es el grado por encima del cual las
levaduras ya no se reproducen y acaban muriendo, lentificando y deteniendo la
fermentación. Es muy difícil decir cual es el límite exacto, sin embargo, es posible
indicar una zona peligrosa que depende de la aireación, la riqueza del mosto, los
factores nutritivos de las levaduras y la naturaleza de las mismas. En regiones
templadas, la temperatura crítica se fija, generalmente, por encima de los 32º C; en
regiones más cálidas puede ser un poco más alta. Esto no significa que cuando un
tanque alcance estas temperaturas su fermentación se vea ya comprometida y que,
forzosamente, deba detenerse, pero si indica que hay peligro de detención y que hay
que intervenir a tiempo para evitar ese peligro.
2.8.2.- Influencia de la Aireación
Es importante mencionar que el punto de la aireación en lo que fermentación
alcohólica se refiere, nos referimos únicamente a la reproducción de las levaduras.
Las levaduras necesitan oxígeno para multiplicarse. En ausencia completa de aire en
un mosto, se producen sólo algunas generaciones y su reproducción se detiene.
La vinificación se conduce, normalmente, al abrigo del aire y el oxígeno es entonces
el factor que limita la multiplicación de las levaduras. La rapidez del arranque de la
fermentación depende de las condiciones de aireación. Generalmente con los trabajos
previos a la fermentación (estrujado, despalillado, bombeo, etc.) se asegura una
primera aireación útil para el arranque. La aireación se realiza bien por contacto
continuo con el aire, por la operación de remontado. Para evitar el cese de la
fermentación por asfixia de las levaduras se necesita airear cuando se opera en
depósito cerrado y más cuanto mayor sea el contenido de azúcar de la vendimia.
34
Otro tipo de aireación conocida es el desmontado que es una práctica antigua y desde
siempre muy recomendada. Consiste en sacar mosto en fermentación a través de una
espita colocada en la parte inferior de la cuba, dejándolo caer desde cierta altura a
una cubeta o cubo. La fuerza de la caída produce una emulsión que facilita la
disolución del oxígeno. También se recomienda dejar correr el mosto a lo largo de
una plancha, para aumentar la superficie de contacto con el aire.
2.8.3.- Necesidades Nutritivas
A las levaduras les es totalmente necesario encontrar ciertos alimentos en el mosto
donde se desarrollan. Sus necesidades de azúcar, minerales y vitaminas son
fácilmente satisfechas, pero los mostos están peor provistos de sustancias
nitrogenadas asimilables.
Las levaduras de vinificación están constituidas por un 25 a un 60% de sustancias
nitrogenadas. Por lo que para desarrollarse y multiplicarse necesitan encontrar en el
medio en que viven suficiente nitrógeno asimilable.
El nitrógeno amoniacal (catión amonio) es el primer alimento nitrogenado
consumido por las levaduras, le siguen ciertos aminoácidos libres, como el ácido
glutámico. En treinta y seis horas de fermentación, las levaduras agotan literalmente
el nitrógeno asimilable del mosto, así como también otros factores nutritivos.
35
La vendimia puede ya de por sí ser pobre en nitrógeno asimilable, debido a una
excesiva maduración o un índice elevado de podredumbre, que agota los elementos
nitrogenados.
La adición de nitrógeno amoniacal en forma de sal de amonio es indispensable en
algunos casos y nunca está contraindicado, ya que si las levaduras se benefician, las
bacterias no la utilizan. Añadiendo a una vendimia de 10 a 20 gramos de fosfato
amónico por hectolitro, casi siempre aumentan las colonias de las levaduras y se
acelera la fermentación.
En los mostos ricos (vinos licorosos o similares), esta adición permite que la
fermentación alcance un grado de alcohol más elevado.
Si se decide enriquecer la cosecha con nitrógeno amoniacal, la adición debe hacerse
preferentemente al iniciarse la fermentación. El nitrógeno adicionado de este modo
es íntegramente consumido por las levaduras. Son indispensables una disolución
previa y una buena mezcla. Si se efectúa la adición al segundo día de fermentación,
las levaduras sólo utilizan dos tercios;’después de cuatro días, sólo la mitad, y hacia
el término de la fermentación, apenas un tercio. Si se agrega para reavivar una
fermentación perezosa o para reactivar una fermentación detenida, la adición debe
ser pequeña, no sobrepasando los 10 g por hectolitro.
2.8.4.- Influencia de la Acidez
Las levaduras hacen fermentar mejor los azúcares en un medio neutro o poco ácido.
Cuando una fermentación se detiene no se debe a una falta de acidez, sino a un
36
exceso de temperatura que asfixia las levaduras. Sin embargo, una acidez débil puede
convertir en muy graves las consecuencias de esa detención, pues las bacterias de
enfermedades se desarrollan más fácilmente cuanto mayor es el pH. La acidez debe
ser tal que no favorezca el desarrollo de las levaduras, pero que perjudique a las
bacterias peligrosas en caso de cese de la fermentación.”
2.8.5.- El Vino
“22El vino como tal no es más que el producto de la fermentación del mosto de la
uva, siempre reuniendo los requisitos o parámetros establecidos para la fermentación
alcohólica, como ° brix, temperatura, acidez, presencia de nutrientes, etc. Puede
obtenerse vinos a partir de la fermentación alcohólica de los mostos de cualquier otra
fruta, regulando los mismos parámetros. En este caso, estos serán vinos de otras
frutas, poniéndose en primer lugar la palabra vino y a continuación el nombre de la
fruta utilizada en el proceso, como vino de frutilla, vino de banano, vino de pepino,
etc”.
2.9.- “23FERMENTACION ACETICA
La formación de ácido acético resulta de la oxidación del alcohol por la bacteria del
vinagre (acetobacter aceti) en presencia del oxígeno del aire.
La formación de ácido acético resulta de la oxidación del alcohol por la bacteria del
vinagre en presencia de oxígeno del aire. Esta bacteria, a diferencia de las levaduras
22 VALDEZ, Imeldo, “Guías de Tecnología de Bebidas y Licores”, 1999.Tomo II 23 RODHES, D/ FLETCHER, L, “Principios de microbiología Industrial”
37
productoras de alcohol, requiere un suministro generoso de oxígeno para su
crecimiento y actividad.
El cambio que ocurre es descrito generalmente por la siguiente ecuación:
“24 C2H5OH + O2 + Acetobacter aceti CH3COOH + H2O ”
Alcohol + Oxígeno + Bacteria acética Acido acético + agua
El número de bacterias acéticas usualmente presente en el jugo fermentado es
pequeño y a menudo son del tipo indeseable o inactivo. Por lo tanto, debe ser
añadido un iniciador adecuado para suministrar la clase apropiada de bacterias y
producir las condiciones favorables para su crecimiento y actividad.
El mejor medio para prevenir su crecimiento y actividad de organismos indeseables
es añadir vinagre fuerte, no pasteurizado al jugo fermentado después de que se ha
completado la fermentación alcohólica. La adición de este vinagre inocula
fuertemente a la sidra dura con bacterias de vinagre.
La bacteria del vinagre crece en el líquido y en la superficie expuesta al aire. Ellas
pueden formar una película, grisácea, brillante y gelatinosa. La película no siempre
se forma, algunas clases de organismos crecen solamente en el líquido y no en la
superficie. Si la película no es disturbada, el líquido permanece más bien claro hasta
que es convertido en vinagre.
24 RODHES, D/ FLETCHER, L, “Principios de microbiología Industrial”
38
La rapidez de transformación del alcohol a ácido acético, depende de la actividad del
organismo, la actividad de alcohol presente, la temperatura y la cantidad de
superficie expuesta por unidad de volumen. A una temperatura favorable de 80 °F, el
factor limitante, puede ser el área superficial expuesta. El tiempo requerido para el
proceso lento, en barril, es de alrededor de tres días o más.
Después que la fermentación acética se ha completado, el vinagre no debe ser
expuesto al aire debido a que puede sufrir una oxidación adicional a bióxido de
carbono y agua, reduciendo el vinagre rápidamente a una condición de baja calidad.
Para evitar esta situación el vinagre deberá ser colocado en recipientes
completamente llenos y fuertemente sellados. Posteriormente el producto se lo puede
pasteurizar.”
2.9.1.- “25Bacterias Acéticas
Las bacterias del ácido acético están comprendidas en un grupo de bacilos mótiles,
aerobios, Gram-negativos que llevan a cabo una oxidación incompleta de los
alcoholes, originando la acumulación de ácidos orgánicos como productos finales.
Con el etanol como sustrato, se produce el ácido acético; de aquí se derivó el nombre
común para estas bacterias. Otra propiedad es la tolerancia relativamente alta a las
condiciones ácidas; la mayor parte de las cepas se pueden desarrollar a valores de pH
inferiores a 5. Esta tolerancia a los ácidos es indispensable para un organismo que
produce grandes cantidades de ácido. El nombre del género Acetobacter se utilizó
originalmente para abarcar a todo el grupo de bacterias del ácido acético, pero ahora 25 BROCK/ MADIGAN, “Microbiología”, sexta edición.1991. México. México. Pg. 819
39
ha quedado claro que las bacterias definidas como del ácido acético son un conjunto
heterogéneo que comprende organismos perítricos y flagelados polarmente. Los
organismos con flagelos polares están relacionados con las pseudomonadasm
difiriendo principalmente en su tolerancia a los ácidos y en su incapacidad para llevar
a cabo la oxidación total de los alcoholes. Ahora estos organismos se clasifican en el
género Gluconobacter. Todas las bacterias del ácido acético se agrupan
filogenéticamente con las bacterias púrpura.
El género Acetobacter comprende los organismos con flagelo perítrico; no tienen
relación definida con otros bacílos Gram-negativos. Además de su flagelación,
Acetobacter difiere de Gluconobacter en que es capaz de oxidar además el ácido
acético para formar C02. Esta diferencia en la capacidad para oxidar ácido acético se
relaciona con la presencia del ciclo del ácido cítrico. Gluconobacter, que carece de
un ciclo de ácido cítrico, es incapaz de oxidar ácido acético, mientras que el
Acetobacter que tiene el ciclo puede oxidarlo. Los gluconobacter se denominan en
ocasiones oxidantes bajos; y los acetobacter, sobreoxidantes.
Las bacterias ácido - acéticas se encuentran en asociación con jugos alcohólicos, y es
probable que se originen en flores y frutas ricas en azúcares, donde una fermentación
alcohólica mediada por levaduras es común. Las bacterias pueden a menudo aislarse
de los jugos de fruta alcohólicos, como la sidra o vino. Las colonias de bacterias de
ácido acético pueden reconocerse en placas de agar-CaCO3 que contienen etanol; el
ácido producido origina una dilución y aclaramiento del CaCO3 insoluble. Los
cultivos de las bacterias ácido - acéticas se emplean en la elaboración comercial de
vinagre.
40
Además del etanol, estos organismos realizan una oxidación incompleta de dichos
compuestos orgánicos como alcoholes y azúcares superiores. Por ejemplo, la glucosa
es oxidada solo a ácido glucónico, la galactosa a ácido galactónico, la arabinosa a
ácido arabónico y etc. Esta propiedad de baja oxidación se explota en la fabricación
del ácido ascórbico (vitamina C). El ácido ascórbico puede formarse a partir de
sorbosa, pero sorbosa es difícil de sintetizar en forma química. Sin embargo, es fácil
obtenerla en forma microbiológica las bacterias ácido-acéticas, que oxidan sorbitol
( un alcohol azúcar de fácil disposición) solo a sorbosa, un proceso llamado
bioconversión. El empleo de las bacterias ácido-acéticas hace económica la
fabricación del ácido ascórbico.
Otra propiedad interesante de las bacterias ácido - acéticas es su capacidad para
sintetizar celulosa. La celulosa formada no difiere en forma importante de vegetal,
pero en lugar de ser parte de la pared celular, la celulosa bacteriana se forma como
una matriz fuera la pared y las bacterias se encuentran enclavadas en la gran masa de
microfibrillas. Cuando estas especies de bacterias ácido - acéticas crecen en un vaso
inmóvil, forman una película en la superficie de celulosa en la que las bacterias se
desarrollan. Ya que estas bacterias son aerobios obligados, la capacidad de formar
una película puede ser un medio por el cual los organismos aseguran su permanencia
en la superficie del líquido, donde se encuentra disponible con facilidad el oxígeno.”
41
2.9.2.- El Vinagre
“26Puede definirse como vinagre al condimento obtenido a partir de sustancias
azucaradas por fermentación alcohólica seguida de fermentación acética.
Pudiéndose definir también como el producto de la acetificación de un vino cuya
concentración alcohólica se encuentre por debajo de 13 °GL, a partir de la acción de
la acetobacter aceti en un medio aeróbico.
La composición del vinagre depende en parte de la naturaleza de la materia prima
fermentada y también de las condiciones de fabricación, conservación y maduración.
El vinagre puede obtenerse a partir de todos los productos capaces de producir etanol
por fermentación: frutos como: manzanas, uvas, peras, melocotones, ciruelas, higos,
naranjas, frutillas, moras, pepinos, bananos, etc.. Miel, jarabes azucarados, vinos,
cervezas, etc.”.
26 VALDEZ, Imeldo, Guías de Tecnología de Bebidas y Licores, 1999.Tomo II
42
CAPITULO III
DESARROLLO DEL PROTOTIPO
43
CAPITULO III
DESARROLLO DEL PROTOTIPO
3.1.- CONSIDERACIONES PRELIMINARES AL PROTOTIPO
EL FERMENTADOR
3.1.1.- Definición Operativa
“27Contenedor en el que se mantiene un medio ambiente favorable para la operación
de un proceso biológico deseado.
Los fermentadores industriales se pueden dividir en dos clases principales, para
procesos anaeróbicos y para procesos aeróbicos.
Los fermentadores anaeróbicos requieren poco equipo especial, excepto para la
remoción del calor generado durante la fermentación, en tanto que los fermentadores
aeróbicos requieren equipo mucho más elaborado para asegurar la mezcla y la
aireación adecuada que se debe obtener.”
27 BROCK/ MADIGAN, “Microbiología”, sexta edición.1991. México. Pg. 379
44
3.1.2.- “28Construcción
Los fermentadores a gran escala se fabrican casi siempre de acero inoxidable. Dicho
fermentador prácticamente un cilindro grande, cerrado por arriba y en el fondo,
dentro del cual se han ajustado varios tubos y válvulas. Debido a que la esterilización
del medio de cultivo ya que la eliminación del calor es vital para el éxito de la
operación, generalmente el fermentador tiene una cubierta externa de enfriamiento, a
través de la cual se hace pasar o vapor o agua de enfriamiento. En el caso de
fermentadores muy grandes el intercambio de calor a través de la cubierta, es
insuficiente de modo que hay que adaptar serpentines internos, a través de los cuales
se conduce vapor o agua de enfriamiento.
Una parte importante del fermentadores el sistema de aireación. Con el equipo a gran
escala, la transferencia de oxígeno del gas al líquido es un proceso muy difícil y se
deben tomar precauciones muy elaboradas para asegurar una aireación adecuada. El
oxígeno es poco soluble en agua y un fermentador con una gran población
microbiana tiene una tremenda demanda de oxígeno para el cultivo. Se utilizan dos
instalaciones diferentes para asegurar la adecuada aireación: Un dispositivo de la
aireación que se denomina aspersor o difusor, y un dispositivo de agitación llamado
impulsor . El aspersor es un dispositivo, con frecuencia un anillo o una tobera
metálicos con una serie de orificios, a través de los cuales se puede hacer pasar al
fermentador aire a una presión elevada. El aire entra al fermentador como una serie
de burbujas pequeñísimas, de las cuales el oxígeno pasa al líquido por difusión.
28 BROCK/ MADIGAN, “Microbiología”, sexta edición.1991. México. Pg. 380
45
Un buen sistema de aspersión debe asegurar que las burbujas sean de tamaño muy
pequeño, de modo que la disolución del oxígeno de la burbuja en el seno del líquido
pueda efectuarse con facilidad.
En fermentadores pequeños puede bastar un sólo aspersor para asegurar una
aireación adecuada, pero en fermentadores de tamaño industrial, es indispensable la
agitación del fermentador por medio de un impulsor. La agitación logra dos cosas:
mezcla las burbujas del gas entre el líquido; y mezcla el organismo entre el liquido,
asegurando de este modo un acceso uniforme de las células microbianas a los
nutrientes. Uno de los agitadores más comunes es una hoja plana o un disco plano,
sujetos a una flecha central, que gira a alta velocidad mediante una flecha conectada
a un motor. Para asegurar una mezcla más efectiva se instalan deflectores en forma
vertical a lo largo del diámetro interno del fermentador. A medida que el impulsor
agita el liquido, pasa los deflectores y es roto en porciones pequeñas. La dinámica de
fluidos en los fermentadores es extremadamente compleja, pero es importante que el
microbiólogo industrial la comprenda debido a que del diseño efectivo y la operación
de un fermentador dependen una mezcla eficaz.
La flecha del impulsor está conectada al motor por una flecha de conducción que
debe penetrar en el fermentador desde fuera.
Por la necesidad de mantener esterilidad, es vital que el sello que conecta la flecha
con el motor esté dispuesto de tal modo que no permita el paso de contaminantes.
46
Para cada proceso biotecnológico, el sistema de contención más apropiado debe
diseñarse para brindar el mejor medio ambiente, optimizado para el crecimiento
celular y actividad metabólica.”
3.1.3.- Equipos accesorios.
• Válvulas de seguridad
• Manómetros
• Válvulas de control
• Tuberías
• Control de temperatura
• Control de pH
• Control de espumas
• Puntos de muestreo
3.1.4.- Tipos de fermentador.
• Crecimiento en suspensión.
• Crecimiento con soporte.
En el crecimiento en suspensión los organismos están sumergidos y dispersados en
el medio nutritivo y su movimiento sigue al del medio.
En los sistemas con soporte los organismos crecen como una monocapa o película
sobre una superficie en contacto con un medio nutritivo.
47
En la práctica, sin embargo, los sistemas en suspensión poseen una película de
organismos en la superficie del contenedor y en sistemas con soporte, encontramos
organismos dispersos en el medio nutritivo.
3.1.5.- “29Descripción de puntos considerados como los criterios más
importantes para el diseño de un fermentador :
• El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante numerosos
días, así como para las operaciones de más larga duración.
• Se debe proporcionar un sistema adecuado de aireación y agitación para cubrir
las necesidades metabólicas de los microorganismos.
• El consumo de energía debe ser tan bajo como sea posible.
• El fermentador debe tener un sistema para la toma de muestras.
• Debe existir un sistema para el control de la temperatura.
• Las pérdidas por evaporación no deben ser excesivas.
• El diseño del tanque debe ser tal que las operaciones laborales durante el
funcionamiento, recolección, limpieza y mantenimiento sean mínimas.
29 http://nostoc.usal.es/sefin/MI/tema12MI.html
48
• El tanque debe ser versátil para la aplicación de diversas modalidades de
fermentación.
• Las superficies internas del tanque deben ser lisas, utilizando, lo menos posible,
soldaduras.
• La geometría del fermentador debe ser similar a otros tanques más pequeños o
mayores de la planta o a los de la planta piloto para poder reproducir procesos a
diferentes escalas.
• Deben emplearse los materiales más baratos que proporcionen resultados
satisfactorios.
• Debe existir un servicio adecuado de repuestos para el fermentador.
El mantenimiento de un ambiente aséptico y unas condiciones aeróbicas son,
probablemente, los dos puntos de mayor relevancia que hay que considerar.
Los fermentadores más ampliamente utilizados a nivel industrial están provistos de
mecanismos de agitación, dispersión y aireación así como de sistemas para el control
de la temperatura, pH y formación de espuma.”
49
3.2.- “30FACTORES FISICO – QUIMICOS QUE AFECTAN AL
RENDIMIENTO DE LAS FERMENTACIONES INDUSTRIALES
3.2.1.- Oxígeno:
Uno de los factores más críticos en la operación de fermentaciones a pequeña y gran
escala es el suministro de un intercambio de gases adecuado. El oxígeno es el
sustrato gaseoso más importante para el metabolismo microbiano y el anhídrido
carbónico es el producto metabólico más importante. El oxígeno no es un gas muy
soluble ya que una solución saturada de oxígeno contiene aproximadamente 9 mg / L
de este gas en agua. Debido a la influencia de los ingredientes del cultivo, el
contenido máximo de oxígeno realmente es más bajo de lo que debería ser en agua
pura. El suministro se logra pulverizando aire en el fermentador durante el proceso.
La ley de Henry describe la solubilidad del oxígeno en soluciones de nutrientes en
relación a la presión parcial del oxígeno en la fase gaseosa:
P0
C = ------
H
En esta ecuación C es la concentración de O2 de la solución de nutrientes a
saturación, P0 es la presión parcial del gas en la fase gaseosa y H es la constante de
Henry que es específica para cada tipo de gas.
30 http://nostoc.usal.es/sefin/MI/tema12MI.html
50
A medida que aumenta la concentración de O2 en la fase gaseosa, aumenta la
proporción de O2 en la solución de nutrientes. En consecuencia, la presión más alta
de O2 se consigue durante la aireación con oxígeno puro. Comparado con el valor
obtenido al utilizar aire (9 mg O2/L), en agua se disuelven 43 mg O2/L cuando se
utiliza oxígeno puro. Otra característica es que a medida que aumenta la temperatura
desciende la solubilidad del oxígeno.
Una vez disuelto el O2 , éste tiene que transferirse desde la burbuja de gas a cada
célula individual. Para ello deben ser superadas varias resistencias parcialmente
independientes:
a.- La resistencia dentro de la película de gas a la interfase.
b.- La penetración de la interfase entre la burbuja de gas y el líquido.
c.- Transferencia desde la interfase al líquido.
d.- Movimientos dentro de la solución de nutrientes.
e.- Transferencia a la superficie de la célula.
En las fermentaciones que se llevan a cabo con organismos unicelulares como
bacterias o levaduras, el factor más importante que controla la velocidad de
transferencia es la resistencia en la interfase entre la burbuja de gas y el líquido. Las
células microbianas próximas a la burbuja de gas pueden absorber directamente el
O2 a través de la interfase aumentando la transferencia del gas a estas células. En los
aglomerados de células o en las bolitas de micelio, la transferencia de gas dentro del
aglomerado puede ser un factor limitante.
51
Por último indicar la concentración crítica de oxígeno que es el término utilizado
para expresar el valor de la velocidad específica de absorción de oxígeno que permite
la respiración sin impedimentos. Esta concentración crítica de oxígeno suele tener
unos valores concretos para cada microorganismo oscilando de forma general entre
el 5% y el 25% de los valores de saturación de oxígeno en los cultivos.
3.2.2.- TEMPERATURA :
La temperatura es otro de los parámetros esenciales para el éxito de una
fermentación. Los microorganismos que crecen a una temperatura inferior a la
óptima tienen retardado su crecimiento y por lo tanto reducida la producción celular,
es decir su productividad. Por otro lado, si la temperatura es demasiado alta, pero no
letal, se puede inducir una respuesta de estrés al choque térmico con la consiguiente
producción de proteasas celulares que ocasionan una disminución en el rendimiento
de los productos proteicos. A fin de obtener rendimientos óptimos, las
fermentaciones deben ser llevadas a cabo en un margen estrecho de temperatura y a
ser posible constante.
La velocidad de producción de calor debida a la agitación y a la actividad metabólica
de los microorganismos no se ve compensada por las pérdidas de calor que resultan
de la evaporación, por lo que se debe recurrir a sistemas de refrigeración. Dentro de
éstos, los más utilizados en las fermentaciones industriales son las camisas de agua.
52
3.2.3.- pH :
La mayor parte de los microorganismos crecen óptimamente entre pH 5,5 y 8,5. Pero
durante el crecimiento en un fermentador, los metabolitos celulares son liberados al
medio, lo que puede originar un cambio del pH del medio de cultivo. Por lo tanto se
debe controlar el pH del medio de cultivo y añadir un ácido o una base cuando se
necesite para mantener constante el pH. Por supuesto que esta adición del ácido o
base debe ser mezclada rápidamente de tal manera que el pH del medio de cultivo
sea el mismo en todo el fermentador.
3.3.- AGITACION
La agitación es la operación que crea o que acelera el contacto entre dos o varias
fases. Una fermentación microbiana puede ser considerada como un sistema de tres
fases, que implica reacciones líquido-sólido, gas-sólido y gas-líquido.
1.- La fase líquida contiene sales disueltas, sustratos y metabolitos. Puede existir, en
algunos casos, una segunda fase líquida si existe un sustrato inmiscible en agua
como por ejemplo los alcanos.
2.- La fase sólida consiste en células individuales, bolitas de micelio, sustratos
insolubles o productos del metabolismo que precipitan.
53
3.- La fase gaseosa proporciona un reservorio para el suministro de oxígeno, para la
eliminación del CO2 o para el ajuste del pH con amonio gaseoso.
Una adecuada agitación de un cultivo microbiano es esencial para la fermentación ya
que produce los siguientes efectos en las tres fases:
1.- Dispersión del aire en la solución de nutrientes.
2.- Homogeneización, para igualar la temperatura, pH y concentración de nutrientes,
en el fermentador.
3.- Suspensión de los microorganismos y de los nutrientes sólidos.
4.- Dispersión de los líquidos inmiscibles.
Bajo estas premisas se podría concluir que cuanto mayor sea la agitación, mejor será
el crecimiento. Sin embargo, la agitación excesiva puede romper las células grandes
e incrementar la temperatura lo que ocasiona un descenso en la viabilidad celular.
Por lo tanto, se debe conseguir un balance entre la necesidad del mezclado y la
necesidad de evitar el daño celular.
Los diferentes tipos de agitación que se utilizan en las fermentaciones se incluyen
dentro de las siguientes clases:
54
1.- Agitadores rotativos, los cuales tienen un sistema interno mecánico de agitación.
2.- Columnas de burbujas, la agitación se realiza mediante la introducción de aire a
sobrepresión.
3.- Sistema aero-elevado (airlift), que pueden tener un circuito interno o externo. La
mezcla y circulación de los fluidos son el resultado de las corrientes de aire
introducido, las cuales causan diferencias en la densidad dentro de las diferentes
partes del fermentador.
De estos tres tipos el más utilizado es el primero ya que es más flexible en las
condiciones de operación, es más fácil de conseguir comercialmente, provee una
eficiente transferencia de gases a las células y es el tipo con el que se tiene más
experiencia.”
55
3.4.- DESCRIPCIÓN GENERAL
El prototipo consta de un cuerpo interno de acero inoxidable de 22.5 cm. de
diámetro, con una capacidad de 19 litros ; forrado con una chaqueta externa de 27.8
cm de diámetro, con una capacidad de 9.5 litros, una tapa que se cierra
herméticamente mediante 3 mariposas, en dicha tapa se encuentra el motor del
agitador el cual en la parte inferior que esta en contacto con el cilindro interno se une
con una varilla de acero inoxidable con su respectiva hélice de agitación mediante un
matrimonio.
Externamente el tanque cuenta con cuatro llaves de bola de 3/8 de pulgada , dos de
ellas son destinadas a entrada y salida de liquido en la chaqueta, una que es destinada
a la obtención de muestras del tanque interno y una de desfogue de la chaqueta.
Así mismo, consta de una lámina externa de acero inoxidable la cual está fijada
mediante tornillos al cuerpo del tanque, en dicha plancha se encontrará el motor y el
filtro de aire, los cuales estarán conectados mediante una manguera transparente de
0.5 cm de diámetro y que a la salida respectiva del filtro se conectará al tubo interno
que pasa por el tanque.
Internamente el tanque consta de un tubo de acero inoxidable destinado a la
inyección de oxígeno, el cual se conecta el su extremo inferior a un difusor de aire.
En el área inferior de la chaqueta del tanque se encuentran las respectivas resistencias
en número de dos, las cuales están dispuestas internamente en forma paralela.
56
Aparte del tanque encontramos el respectivo tablero de comando del fermentador, el
mismo que está conectado al tanque mediante una conexión de Sockets, y dicho
tablero se encargará de ser el cerebro de funcionamiento del tanque fermentador.
3.5.- MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO
3.5.1.- Tanque de acero inoxidable.
Está construido en acero inoxidable de grado alimentario 304 A de 1 mm, está
compuesto de un cuerpo cilíndrico de 43 cm de alto y de 22, 50 cm de diámetro,(ver
plano N °4) sus estructuras laterales están compuestas por cuerpos cóncavos
convexos de igual medida para los dos, solo que en su base cuenta solo con un
orificio de salida para toma de muestras y en la parte superior la abertura para la tapa
correspondiente, su construcción asegura para una presión máxima a soportar de 30
PSI, por las medidas volumétricas, tiene una capacidad máxima de 19.5 litros y para
un trabajo estándar de 16 litros.
3.5.2.- Chaqueta de Acero Inoxidable
De igual manera está compuesto de acero inoxidable de la misma numeración pero
con un espesor de 1,2 mm, esta revistiendo a las paredes internas del tanque a una
distancia de 2,5 cm de forma paralela, la misma que forma la cámara interna
57
(chaqueta)para la circulación de los líquidos transmisores térmicos. ( Ver Plano N° 5
y anexo A.1.1)
Esta estructura está unida al tanque interno por medio de su anillo o cerco lateral
superior, de su base inferior y de las juntas dispuestas a lo largo de toda la cámara
que une a los dos cuerpos, la misma que forma una cámara cilíndrica en la parte
inferior del tanque, con 8 cm. de alto, donde se alojan las resistencias térmicas que
genera el calor para transmitir al resto de la cámara.
3.5.3.- Cuerpo del tanque
Es el que esta conformado por la chaqueta externa en el cual se alojan otros
componentes, tales como, los dos tubos de entrada de agua (parte superior) y dos
de salida, el uno de salida del líquido para muestras o de desalojo del producto
interno y el otro de drenaje de la chaqueta, todos estos 4 tubos son enroscados y de 6
cm de distancia para acoplar las llaves de paso que también son de acero inoxidable,
sobre este también se monta la plancha que contiene el filtro y el motor aireador,
además en su parte superior se aloja la termocupla, una válvula de presión, la entrada
de tubo para aireación.
En este cuerpo ya se puede tener las medidas totales del fermentador desde su base
hasta su tapa, así tenemos 56 cm de alto sin el motor y un diámetro de 27.8 cm. (
Ver anexo A.1.1)
58
3.5.4.- Tapa del fermentador
Este dispositivo está construido de la misma clase de material en 1.4mm de espesor,
tiene una forma circunferencial de un diámetro de 12,8 cm y de 2,2 cm de alto. Tiene
tres orejas distribuidas en forma triangular con una ranura donde se engranan los tres
pernos mariposas para realizar el ajuste y con ello el cierre, la misma que reposa
sobre una base tapizada con un empaque que garantiza el cierre hermético de la tapa.
Este cuerpo sirve además como base para el montaje del motoreductor para el
agitador. ( Ver anexo A.1.3)
3.5.5.- Motor del agitador
Es un motoreductor de 110 V de 1/8 de hp aprox. Con un sistema de reducción de
velocidad tipo caja de piñones el cual también multiplica su fuerza de giro (torque),
hasta arrojar un total de 65 rpm.
En sentido horario., el moto reductor se asienta sobre la parte superior de la tapa y
que se sujeta por medio de 4 tornillos hacia la misma y por una obturación centrada
logra traspasar un eje motriz de 8 cm hacia la parte interna central del tanque, el
mismo que empata con el resto del cuerpo que conforma el eje de la hélice. ( Ver
anexo A.1.3.1)
59
3.5.6.- Placa de filtro y bomba
Esta es una placa de acero inoxidable de 1,2 mm de espesor de 35 cm por 10 cm. La
misma que tiene 4 orificios esquineros para ajustar hacia el cuerpo del tanque y que
permita el desmontaje para efectos de limpieza, sobre esta placa se alojarán el motor
aireador y el filtro, Toda esta estructura está alojada lateralmente al la altura de la
válvula de ingreso. ( Ver anexo A.1.2)
3.5.6.1.- Filtro
Este accesorio tiene una forma cilíndrica de 16.50 cm de alto y de 10 cm de
diámetro, su estructura capsular es transparente de PVC con tapa roscada por
donde se aloja el filtro a la parte interna y empata con un tubo empacado de
caucho para la entrada del aire a filtrar, el filtro propiamente dicho ,es de una
misma morfología con una sección tubular interna por donde ingresa el aire y
se filtra por unas membranas de cartón corrugado hacia las partes laterales del
filtro y que fugan por la tapa superior por medio de un tubo de salida hacia el
tanque fermentador.
3.5.6.2.- Bomba
Este es un motor electromagnético que genera aire por medio de dos ventosas
oscilantes y que empujan hacia fuera por donde se recolectan las dos
60
producciones de aire por medio de un tubo y se dirige hacia el filtro, funciona
a 110 V y tiene la capacidad de trabajar a tiempo continuo.
3.5.7.- Tablero de Control
Esta compuesto de una base fuera de la estructura del tanque, donde se comanda y se
controla el funcionamiento del fermentador. Está montado en una caja de madera
aglomerada de 36 cm X 25.5 cm. Dentro de ella se realizaron las respectivas
conexiones eléctricas para el correcto funcionamiento. Consta de : ( Ver anexo
A.1.7.10)
3.57.1.- Pirómetro.- Corresponde a un controlador digital de rango de 0 a
400 °C, de 96 X 96, de marca Camsco, modelo TC- 96 N al cual se
le conecta una termocupla de tipo J, y comandará mediante un
contactor y su respectiva bobina la resistencia del tanque. ( Ver
anexo A.1.7.10)
3.5.7.2.- Contactor.- El contactor utilizado es uno de 9 A, con una bobina
incluida, dicho elemento funciona con 110 V y 60 HZ, de marca
Siemens. ( Ver anexo A.1.7.2)
3.5.7.3.- Luces leds .- En número de dos, el primero indica si hay paso de
corriente al tablero, y el otro indica si las resistencias están
trabajando. ( Ver anexo A.1.7.10)
61
3.5.7.4- Swiches de control.- En número de 5, uno principal que prende
todo el sistema, luego de derecha a izquierda en vista frontal al
tablero los swiches corresponden a : pirómetro, bomba de aire,
resistencias y agitador. ( Ver anexo A.1.7.10)
3.5.7.5.- Reloj.- Correspondiente a un reloj de pantalla digital, el cual nos
será de utilidad para controlar los tiempos, el mismo que está
ubicado en la parte central del tablero ente los swiches de control.
3.5.7.6.- Termocupla y acople.- Se la menciona aquí porque está conectada
mediante un socket posterior al pirómetro de comando, cabe recalcar
que todo el funcionamiento depende siempre de que la termocupla
esté correctamente conectada al pirómetro y tenga una precisa
lectura de la temperatura dentro del tanque fermentador. El acople
está soldado en la parte superior del tanque bajo la tapa del mismo. (
Ver anexo A.1.6.1)
3.5.8.- Fuente de calor
En número de dos; están montadas en la base inferior del tanque, acopladas por 4
pernos y empacadas herméticamente hacia la misma. Este tiene una capacidad de
1500 Watt y funciona a 110 V cada una. ( Ver anexo A.1.6.3)
62
3.5.9.- CUADRO DE CARACTERISTICAS
TABLA #1 .- “CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO”
PARTE CARACTERISTICAS
Tanque de acero Inoxidable • 43 cm alto y 22.50 cm diámetro.
• Capacidad : 19.5 litros.
• Presión Máxima de trabajo : 30 PSI
Chaqueta de Acero
Inoxidable
• 1.2 mm de espesor.
• 2.5 cm de distancia al tanque interno.
• 8 cm entre tanque interior y chaqueta.
Cuerpo del Tanque • 56 cm de alto y 27.8 cm de diámetro.
Tapa del Fermentador • 1.4 mm de espesor.
• 12.8 cm de diámetro y 2.2 cm de alto.
• Forma circunferencial con 3 orejas.
Motor del Agitador • 110 V.
• 1/8 hp aproximadamente.
• 65 r.p.m.
• Eje motriz interno de 8 cm.
Placa de filtro y Bomba de
Acero inoxidable
• 35 x 10 cm y 1.2 mm de espesor.
Filtro • 16.5 cm de alto y 10 cm de diámetro
Bomba • 110 V.
Tablero de Control • 36 cm x 25.5 cm forma de caja
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PARTE CARACTERISTICAS
Pirómetro • 0 – 400 °C de rango.
• 96 X 96 cm
• Camsco Modelo TC – 96 N
Contactor • 110 V.
• 9 A.
• 60 Hz.
• Siemens.
Luces Leds • Estándares pequeñas.
Swiches de Control • Estándares.
Reloj • Estándar digital.
Termocupla y acople • Tipo J.
• Cable blindado.
• Acople soldado en el tanque
Resistencias • 110 V.
• 1500 Watts cada una
Fuente : Investigación propia
Elaborado por : Echeverría D- Ríos D.
64
CAPITULO IV
MANTENIMIENTO DEL EQUIPO
65
CAPITULO IV
MANTENIMIENTO DEL EQUIPO
4.1.- MANUAL DE MANTENIMIENTO DEL EQUIPO Se entiende por mantenimiento a todas las acciones que directa o indirectamente se
realicen sobre el equipo, de tal manera que siempre se encuentre funcionando de
manera óptima y eficiente.
Todas estas acciones permitirán reducir averías y por ende mayor vida útil del
equipo, esto mediante actividades que se describirán más adelante.
En realidad este fermentador cuenta con una construcción bastante sencilla pero
con altas probabilidades de fallar si no es manejado correctamente, de lo contrario es
muy seguro, ya que su sistema de construcción es dependiente de un sistema
eléctrico en un 90 % y de tipo en serie, de modo que si este falla, el resto también
fallará.
Para entender mejor esto se dividirá al equipo en subsistemas generales :
• Sistema mecánico.
• Sistema eléctrico.
• Sistema físico.
66
4.1.1.- SISTEMA MECÁNICO
Está constituido por el conjunto de accesorios que componen el sistema de agitación
o movimiento de carga interna en fermentación, la descripción de estos componentes
se encuentra en el capítulo anterior pero a groso modo se nombrarán sus partes: así
tenemos, moto reductor, eje agitador, hélice agitador, prisioneros y tapa.
Este conjunto en funcionamiento puede ocasionar graves daños si no se lo instala
correctamente o si a su vez a sufrido golpes que ocasionen descentrado en su giro;
así entonces si el eje central se desvía puede ocasionar choques contra la termocupla
ocasionando destrozos, de la misma manera puede chocar contra el tubo de aire o el
revestimiento interno del tanque.
Para evitar esto se recomienda tomar las siguientes medidas:
4.1.1.1.- Mantenimiento Preventivo del sistema mecánico:
• Previo su uso, se debe constatar que su fuerza de giro este bien y que no este
descentrado, simultáneamente que no produzca sonidos de roce o resecamiento
en la caja reductora del motor, el ruido emitido debe ser normal, cualquier indicio
de fallo comunicar su estado.
• No estropear exageradamente el cable que alimenta la energía eléctrica.
67
• Con respecto al funcionamiento del motor, verificar que el mismo no sufra
sobrecargas respecto al tiempo y densidad del líquido agitado, para ello se
inspeccionará su temperatura y habrá que tomar en cuenta las variaciones de
voltaje.
• Lavar el equipo con materiales y sustancias indicadas en el punto referente a
limpieza; y en el momento de hacerlo evitar que se produzcan golpes que
descentren el eje. Posterior a ello ensamblarlo, una vez que se haya secado
naturalmente.
4.1.1.2.- Mantenimiento Correctivo del sistema mecánico
En caso de constatar el fallo se procederá a reportar la situación a la persona
encargada y luego tomar las medidas correctivas según el caso del daño, así:
• Si el problema es una emisión de ruidos se procederá a desmontar el motor,
revisar si la caja reductora está lubricada con grasa, si es necesario solo se
engrasará o se procederá a realizar un lavado completo y un total engrasado.
• Si el eje está descentrado, se procederá a rectificarlo de la siguiente manera:
1. Se encenderá el motor sobre una base de manera que quede horizontalmente,
68
2. Luego con un marcador se le aproximará hasta que se produzca el mínimo
roce, esto tanto en la proximidad al agitador y a su base, ello indicará donde
se dirige el desvío,
3. Se comprobará la misma posición del desvío con el marcador en los dos
extremos.
4. Una vez conseguido esto, apagar el motor y aplicar una fuerza a la altura
del agitador en sentido contrario a las marcas registradas, esta fuerza debe ser
leve,
5. Volver a encender y comprobar su buen funcionamiento,
6. De no ser así volver a repetir todo lo señalado hasta lograr centrar.
• Existen zonas que han sido esmaltadas para evitar oxidaciones; pero si se
presenta dicho fenómeno volver a esmaltar inmediatamente para evitar su
progreso oxidativo, previo una limpieza.
4.1.2.- SISTEMA ELECTRICO
Es el sistema más delicado, ya que de su buen funcionamiento depende el resto de
funciones; para un mejor entendimiento se describirá su funcionamiento que es en
cascada o en serie exceptuando la bomba de aire.
Por ejemplo un perfecto estado del fusible master permite el total paso de energía.
Este provoca el encendido del pirómetro, el mismo que trabaja cuando su
69
termocupla se encuentra en buen estado o bien conectado, de lo contrario emite
lecturas erróneas y no permite trabajar al pirómetro ya calibrado. Al suceder esto,
no se accionan los encendidos y apagados automáticos que ordenan al contactor
(revisar capitulo de descripción) cerrar o abrir paso de energía y por lo tanto quedan
inhabilitados el agitador y las resistencias, a este nivel se habla de un fallo casi total.
Para evitar posibles eventos de daño se hará también mantenimientos regulares de la
siguiente manera:
4.1.2.1.- Mantenimiento Preventivo del sistema eléctrico :
• Antes de preparar el equipo para posteriores fermentaciones, primero se debe
constatar su buen funcionamiento; para ello será necesario conectar a la fuente
eléctrica y encenderlo, también conectar el cable hacia el tanque y el pirómetro y
comprobar su buen funcionamiento calibrando el mismo, luego encender el
motor y las resistencias. La lectura del pirómetro debe ser la real y no números
que sobre pasen los 100 ° C, de ser así conectar firmemente hasta que de lectura
correcta.
• Es importante saber que la fuente a conectar es 110 V., un error aquí puede
ocasionar daños irremediables, por lo tanto verificar el voltaje.
• Comprobado su buen funcionamiento, se recomienda, colocar a la distancia
máxima permisible entre el tanque y la caja de control, además no debe estar bajo
70
las llaves de entrada y salida de líquidos para evitar posibles fugas de los mismos
hacia el tablero, de igual manera hay que evitar la caída de líquidos por
manipulación sobre la caja de control.
• Practicar siempre limpiezas antes y después de su uso, para ello se recomienda
usar una brocha que retire las partículas de polvo y usar un paño húmedo para
remover manchas líquidas que pudieran haber caído.
• Evitar la torsión excesiva de los cables que unen los equipos con el tablero de
control ya que pueden producirse debilitamientos, de igual manera con el cable
de la termocupla.
4.1.2.2.- Mantenimiento Correctivo del sistema eléctrico:
Estos hay que hacerlos dependiendo del tipo de fallo, así:
• Si no hay energía eléctrica en todo el sistema, es probable que se haya quemado
el fusible master, si es el caso cambiarlo inmediatamente por uno de las
características especificadas, recuerde que el pirómetro internamente también
tiene su portafusibles, y en el caso de pasar energía y no arrancar el pirómetro
abrir la caja y revisarlo.
• No olvidar que una lectura errónea del pirómetro marca temperaturas irreales
sobre los 100 ° C, para ello se recomienda revisar el cable conector hasta que se
normalice la lectura.
71
• Si se enciende todo el sistema y no pasa energía al tanque seguramente el
problema se encuentra en el cable principal, revisar su perfecta ubicación y su
conexión, para ello hay unas líneas guías en los sockets.
• Si se llegaran a presentar problemas en los swiches individuales, reemplazarlos
inmediatamente con repuestos de las mismas características.
4.1.3.- SISTEMA FISICO
Está compuesto por toda la estructura metalmecánica, incluido el difusor y sus
accesorios. Estos elementos no corren mayores riesgos de daños excepto los que
afecten las propiedades del material y de su integridad física, tales como golpes por
caídas, ajustes imperfectos. Así se aplican:
4.1.3.1.- Mantenimiento Preventivo del sistema físico:
• Evitar todo tipo de golpes y caídas.
• Nunca encender las resistencias sin agua en la chaqueta, una vez que este llena la
chaqueta, revisar que las llaves superiores estén abiertas, esto es importante para
evitar el soplado del equipo, es decir de reventarlo por presión de vapor; no
olvidar la especificación de las capacidades físicas de la construcción y si sobre
pasa a esto se puede echar a perder por completo todo el tanque.
72
• Nunca dejar sin lavar el equipo después de usarlo, ya que la humedad ataca
con el tiempo al mismo, más aun si se trata de residuos ácidos productos de la
fermentación.
• Seguir el programa de limpieza con los materiales y sustancias recomendadas,
practicar la desinfección con sustancias no corrosivas y abrasivas, como se
indica posteriormente.
• Comprobar que siempre se almacene el equipo en lugares secos, evitando la
humedad que provoca corrosión, especialmente las uniones y soldaduras las
cuales son más susceptibles.
• La máxima capacidad utilizable del equipo, es del 90 %.
• Revisar siempre la limpieza del difusor y sus accesorios, comprobando su buen
estado. Es importante colocar el difusor correctamente, con la disposición de los
orificios hacia la parte superior.
• Siempre colocar con la orientación especificada en el manual de instalación, así
se evitará roces con el agitador y fugas.
• Revisar y limpiar el filtro constantemente, además cerciorarse de su cerrado
hermético para evitar fugas. Verificar que las mangueras estén correctamente
conectadas.
73
4.1.3.2.- Mantenimiento Correctivo del sistema físico:
• Limpiar y desinfectar según recomendaciones.
• Abrir inmediatamente las llaves antes de proseguir el calentamiento.
• En caso de presentar indicios de oxidación limpiar inmediatamente con
materiales apropiados ( lijas finas, cepillos etc).
• Limpiar los orificios del difusor con un hilo metálico o un cepillo fino.
4.1.4.- MANTENIMIENTOS GENERALES
Se deben tomar medidas generales de mantenimiento, como:
• Se recomienda leer el manual de instrucciones antes de utilizar el equipo.
• Guardar y trabajar con el equipo en áreas aisladas de humedad y de sobrecarga de
energía.
• Evitar la humedad en el sistema eléctrico.
74
• Evitar los golpes al equipo y tablero de control.
• Secar el reactor al ambiente antes de guardarlo.
• Verificar siempre el voltaje
• Finalmente consultar cualquier daño grave a sus constructores, ellos
proporcionarán mayor información.
TABLA #2 .- “ESPECIFICACION ELECTRICA”
VOLTAJE 110-120
FRECUENCIA 60 Hz
WATT 3050
Fuente : Investigación propia
Elaborado por : Echeverría D- Ríos D.
75
4.2.- MANUAL DE OPERACIÓN EN PROCESO. 4.2.1.- ARMADO Y MONTAJE DEL EQUIPO Como primera instancia se ha de revisar que el equipo este en perfectas condiciones
y exista el suministro de energía eléctrica con el voltaje especificado, de ser así
conectarlo y comprobar.
Dependiendo del suministro de energía se ha de ubicar el equipo en un lugar
adecuado, si es posible se colocará un material que evite el contacto directo del
tanque con la superficie Ej. Un pedazo de material aislante.
De preferencia que sea un lugar con ventilación o aireación.
El biofermentador debe estar perfectamente limpio y desinfectado con soluciones
que se ha de recomendar posteriormente.
Se procederá a montar el difusor de la siguiente manera:
• Introducir el tubo por la ranura de la parte superior del tanque. ( a31. A.1.1.2 )
• Colocar el difusor y su codo en la posición orientada por las guías. (a.A.1.4.2)
31 “a”. Anexo
76
• Unir con la mano izquierda el difusor y el codo al tubo difusor dentro del tanque,
mientras que con la mano derecha sostenemos el tubo, esta posición será de igual
manera siguiendo la orientación de las guías.
• Introducir hasta el fondo y al tubo, orientarlo con la guía superior del tanque.
• Sostener, colocar y ajustar la válvula superior del tubo. ( a. A.1.5.2)
• Finalmente introducir la manguera proveniente del filtro de aire. ( a. A.1.2.3)
Conectar el socket del agitador correctamente y revisar que la llave inferior del
tanque interno este cerrada.
4.2.2.- LLENADO DE LA CHAQUETA
Es necesario llenar chaqueta con agua para proceder con la transmisión térmica, para
ello es necesario colocar la manguera en uno de los acoples de las entradas
superiores del tanque, cerciorándose que la otra llave este abierta, esta segunda,
indicará el nivel del agua, para posteriormente cerrar el ingreso, se recomienda verter
agua con la finalidad de tener un límite bajo el nivel de las llaves.
77
4.2.3.- LLENADO DEL PRODUCTO A FERMENTAR En está etapa será necesario trabajar con una cantidad mínima de 12 litros, dicha
capacidad es la necesaria para que la termocupla puede registrar por contacto los
cambios de temperatura interna del producto y con una capacidad máxima
recomendada de 17 litros.
Adicionar si fuese necesario productos tales como: azúcar, ácidos o bases,
antiespumantes, nutrientes en el tanque interno antes de proceder a cerrarlo.
4.2.4.- PASTEURIZACIÓN Este proceso consiste en elevar la temperatura interna según los requerimientos del
investigador y del producto a tratar, para ello se recomienda calibrar previamente el
pirómetro hasta la temperatura deseada, de está forma quedan habilitadas las
funciones de encendido de resistencias y agitador las cuales estarán en posición ON
en los swiches que son independientes para cada uno.
Por ningún motivo se podrá abrir la tapa cuando este encendido el agitador, si fuese
necesario esto, primero se apagará el agitador desde su swich y luego se procederá a
abrir.
Para reforzar la agitación se recomienda encender el motor aireador, para que el
suministro de aire aumente el movimiento interno del producto, incrementando así la
eficiencia del trabajo, además será necesario revisar que la llave de paso este abierta.
78
Se sugiere que durante el proceso es necesario la presencia constante de un operador,
que estará responsabilizado de verificar, monitorear y registrar el avance de la
operación hasta lograr el apagado automático de lo programado. En este punto se
estabiliza por si sola la temperatura y se le prolonga por el tiempo asignado a
pasteurizar.
Es de vital importancia que las llaves superiores de la chaqueta estén en posición
abiertas, para que purguen presiones de vapor, esta revisión deberá ser realizada
antes de encender las resistencias.
4.2.5.- ENFRIAMIENTO Esta etapa es netamente manual, el operador debe estar pendiente de todo el trabajo
y de tomar las decisiones apropiadas.
La programación del pirómetro está en función del incremento de temperatura más
no de su descenso, por tanto si se requiere que trabaje el agitador para enfriar se
deberá subir un decimal al pirómetro calibrado, por Ej. 85 °C subir a 95 °C, de esta
forma acciona al agitador, pero será necesario apagar el swiche de la resistencia ya
que por ningún motivo se desea seguir calentando.
Para entonces se habrán colocado las mangueras a las llaves superiores de la
chaqueta, la una estará conectada a una toma de la red de agua potable y la otra
79
conectada hacia el sifón, donde se drenará el agua que ha ganado energía térmica y
es remplazada por otra a menor temperatura.
Una vez logrado esto se podrá observar como sigue la temperatura descendiendo en
el pirómetro hasta llegar a la temperatura final de fermentación, por ejm. 28 °C , en
este momento se suspenderá la circulación del agua y se volverá a calibrar el
pirómetro que será igual a 28 °C.
En este proceso no es necesario disminuir el agua de la chaqueta, puede quedar al
mismo nivel de la entrada y salida de las llaves superiores.
4.2.6.- FERMENTACIÓN Una vez calibrado el pirómetro se puede observar como la temperatura poco a poco
se estabiliza hasta elevarse en unos dos grados por encima de lo programado y deja
de encenderse y apagarse automáticamente el pirómetro, las razones se explicarán
mas adelante.
Es el momento de iniciar las inoculaciones y hacer reajustes necesarios para
finalmente cerrar el tanque.
Luego se procede a encender el agitador y el aireador por el tiempo que recomiende
la teoría de la fermentación, hasta que se consiga la etapa de adaptación y
reproducción del inóculo.
80
De ser necesario, suspender el suministro de oxígeno, se apagará primero el motor
aireador y luego cerrar la llave de paso de aire.
En este momento el agitador dependerá del pirómetro a la temperatura que este
calibrado y será necesario programar cada que tiempo adicional, si se desea agitar y
por que tiempo, para ello se seguirá las instrucciones de cómo operar sin que se siga
funcionando la resistencia (revisar enfriamiento).
Por efectos de liberación de energía por procesos biológicos de conversión de la
materia se observará elevación de temperatura y se tendrá que regular, con los
mismos pasos de la descripción del enfriamiento, hasta llegar a estabilizarlo y así
seguir controlando.
4.2.7.- CONTROLES Para ello se debe tomar muestras por la llave inferior del tanque, con las cantidades
necesarias y requeridas, tanto para acidez, pH, alcohol, etc. Registrar todo en una
tabla diseñada para el efecto.
Este control constante durante la fermentación determinará el momento que se ha
de suspender la fermentación y proseguir con las siguientes operaciones , como
drenado, reposo o postfermentaciones.
81
4.2.8.- LIMPIEZA Para la limpieza del equipo se recomienda el uso de agentes no iónicos compatibles
con cuaternarios catiónicos; para ello proporcionamos la ficha técnica del producto a
utilizar :
DESENGRASANTE BACTERICIDA CH
Producto (2 en 1) con acción jabonosa y desinfectante
4.2.8.1.- Descripción :
Formulación de tipo no iónico (compatible con cuaternarios, catiónicos) de
propiedades excepcionales con ingredientes que atacan la suciedad y las grasas,
actuando de manera sinergizada, con actividad germicida.
Sus ingredientes activos son tensoactivos, humectantes, emulsificantes, defloculantes
y solventes, que separan agresivamente todo tipo de suciedad y amonios
cuaternarios de doble cadena (cuarta generación).
Esta diseñado para actuar en superficies no porosas, saponificando y emulsificando
todo tipo de aceites y grasas animales y vegetales, disolviendo todo tipo de
elementos indeseables y dejando un residual bactericida. La suciedad es separada de
las superficies a tratar y suspendida para ser evacuada con el enjuague final.
4.2.8.2.- Características :
Apariencia: Líquido viscoso color ámbar
pH concentrado : 7
82
Peso especifico : 0,970
Totalmente miscible en agua
Contenido de activo desinfectante 28.000 ppm.
4.2.8.3.- Forma de uso :
En su calidad de desengrasante bactericida, cumple con amplias funciones para el
mantenimiento de equipos, utensilios y pisos de la industria en general.
Se utiliza con inyección a presión con agua fría (si se dispone de caliente mejor), con
cepillos barredores y por inmersión (con movimiento mecánico de la solución para
atacar las sustancias indeseables).Se recomienda antes de realizar la operación de
limpieza, retirar por barrida (sin salpicar la suciedad) u otro procedimiento los
elementos sólidos existentes en la superficie.
4.2.8.4.- Dosificación :
Se aplica 1 parte del producto en 60 partes de agua (1.66 litros del producto en 100
litros de agua), agitando para homogeneizar la solución, obteniendo un residual
bactericida de 465 ppm.
83
4.3.- RECOMENDACIONES GENERALES DEL USO DEL EQUIPO
Para el correcto uso del equipo, es indispensable tomar en cuenta ciertas
recomendaciones, que a continuación se describen :
1.- Verificar que el tablero de control y por ende el fermentador trabajen con 110 V.
2.- Conectar correctamente los sockets de comando en el tablero y en el tanque, para
ello seguir las guías de pintura colocadas.
3.- Acoplar correctamente el difusor y ubicarlo rotando el tubo interior haciéndolo
coincidir con la marca establecida en el tanque y el tubo.
4.- Colocar correctamente las aletas del agitador para que entren sin problema dentro
del tanque y una vez dentro, cerrar bien las mariposas de la tapa del tanque.
5.- Nunca golpear o maltratar la varilla que sostiene el agitador ya que se puede
descentrar la rotación del mismo, causando problemas, al golpear las aletas
contra el tubo de inyección de aire o el difusor. Hay que recalcar que toda la tapa
es una sola pieza que tiene en la parte superior colocado el motor del agitador, la
tapa como tal en la parte central y en la parte inferior la varilla y el agitador; toda
esta pieza se la puede separar desconectando un socket del tanque ubicado en la
placa que contiene el motor de aire y el filtro.
84
6.- Verificar que las mariposas que sostienen la placa de la bomba y filtro estén
correctamente apretadas y no flojas ya que la vibración del motor mueve la placa
y se emite un ruido molestoso.
Dentro de este mismo punto verificar que el filtro este correctamente apretado
con su respectiva abrazadera al límite superior de la placa para evitar que se
extrangule la entrada de aire proveniente de un tubo (t) que une las dos salidas de
la bomba de aire, para ello se colocara a la altura de la guía marcada.
7.- Cerciorarse siempre, que a más de llenar el tanque interno para el trabajo, se haya
llenado la chaqueta externa de agua, ya que hay que tomar en cuenta que las
resistencias se encuentran en la chaqueta y siempre deben trabajar dentro del
agua. De la misma forma trabajar siempre con las válvulas de la chaqueta abierta
para que el vapor salga siempre y evitar una posible soplada del tanque interno
por la presión generada.
8.- Cerciorarse al trabajar, que las válvulas de toma de muestra y de chaqueta que se
encuentran ubicadas en la parte inferior del tanque se mantengan siempre
cerradas, y abrirlas únicamente cuando sea necesario.
9.- Tomar en cuenta ya en la fermentación que el pirómetro tiene un juego de ± 2 °C,
así cuando se apaguen las resistencias la temperatura podrá subir, pero siempre
tomar en cuenta que el pirómetro buscará estabilidad para manejo de
tiempos y temperaturas.
85
10.- En el tablero de control, tomar en cuenta que el swiche del pirómetro debe estar
encendido, ya que este es el que comanda todo el proceso; dicho
comando manejará las resistencias y el agitador de una forma dependiente del
mismo si los swiches de los aparatos antes mencionados trabajan en ON. Si los
comandos trabajan en OFF, se apagarán las resistencias y el agitador de forma
independiente según las necesidades del proceso. Si se desea trabajar
únicamente con el agitador y no con las resistencias, se recomienda subir un
grado decimal a alcanzar en el pirómetro y apagar el swiche correspondiente a la
resistencia.
11.- La bomba de aire trabaja de una forma totalmente independiente y al contrario
de las resistencias y agitador, se la accionará solo cuando se la requiera.
12.- El swiche principal deberá estar prendido para que exista un paso correcto de
corriente a todo el sistema. Las luces leds indicarán paso de corriente y la
segunda si las resistencias están trabajando.
13.- Con respecto al enfriamiento, cerciorarse bien que los acoples estén
correctamente puestos en las llaves de entrada y salida de la chaqueta del
tanque, para posteriormente colocar una manguera de entrada de agua conectada
a la respectiva llave de agua y una de salida colocada en una desagüe o lugar
establecido para el trabajo.
86
14.- Se recomienda trabajar con un ventilador que esté disipando aire continuamente
al motor del agitador.
87
CAPITULO V
FASE EXPERIMENTAL
88
CAPITULO V
FASE EXPERIMENTAL
5.1.- PRACTICAS REALIZADAS Y PROPUESTAS
5.1.1.- Practica # 1 ( Fermentación Alcohólica )
5.1.1.1.- Titulo de la Práctica :
Vino de Pepino
TABLA # 3 .- “Características del pepino”
Fruta : Pepino Dulce
° Brix fruta : ( Prom. 10 ) 11 ° Brix ° Brix Pulpa : 8 ° Brix
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D. 5.1.1.2.- Descripción de la fruta :
“32El pepino dulce o pera-melón (Solanum muricatum) es una especie originaria de
la región andina, donde se cultiva hace varios miles de años. Sin embargo a pesar de
sus buenas cualidades productivas, ha sido un cultivo que no se ha extendido al resto
del mundo.
El fruto de pepino dulce es una baya que se puede consumir como fruta refrescante
o en ensaladas, dependiendo de la variedad o del estado de madurez del fruto.
32 http://www.infoagro.com/hortalizas/pepino_dulce.asp
89
También es posible su consumo en zumos o en postres y platos más elaborados. El
fruto tiene un buen sabor y un gran aroma. En cuanto a sus propiedades nutritivas, el
90% es agua, y además es bajo en calorías y contiene un alto contenido en vitamina
C.
Existen multitud de variedades y cultivares en su zona de origen, lo que da lugar a
frutos de diversas formas, tamaños y colores, y plantas que se pueden adaptar a
diversas condiciones climáticas y de cultivo.
Usos
El pepino dulce se consume principalmente como fruta fresca, aunque hay cultivares
que se consumen en ensalada como el pepino (Cucumis sativus L.). En otros
cultivares el uso depende del momento de recolección. Si se recolecta precozmente
se utiliza en ensaladas, y si se recolecta una vez maduro se consume como fruta
fresca.
Algunos cultivares tienen frutos muy aromáticos, lo que los hace muy aptos para la
preparación de macedonias u postres elaborados. También se incluye en diversas
recetas para salsas, sopas u otros platos. El pepino dulce también puede ser utilizado
en la elaboración de helados, conservas o enlatados. La utilización del pepino dulce
para elaborar zumos tanto solo como mezclado con otras frutas también ha sido
descrita.”
90
5.1.1.3.- Objetivo :
• Obtener vino a partir de pulpa de pepinos dulces
Se obtienen 12 l de pulpa de pepino a un ° Brix inicial de 8; pero se desea partir la
fermentación a 13.5° Brix; por ende se debe agregar azúcar; el reajuste a realizar será
el siguiente :
TABLA # 4 .- “Datos previos al ajuste de azúcar en el pepino”
Cantidad : 12 litros
° Brix Pulpa : 8 ° Brix
° Brix Deseados : 13.5 ° Brix
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
12 kg x 0.08 x X = 12 kg. x 0.135
0.96 x X = 1.62
1.62
X = ----------- = 1.6875 kg de Azúcar
0.96
91
Grafico # 2 .- “Gráfico previo al proceso fermentativo alcohólico del pepino”
12 l de jugo + 1.6875 kg de azúcar ( ° Brix inicial : 13.5 ° B )
° Brix Inicial : 13.5
pH Inicial : 4.8
T ° Inicial : 17 °C
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
5.1.1.4.- Diagrama de flujo :
DESPULPADO
PASTEURIZACION 85 °C X 10´
ENFRIAMIENTO 28 °C
DISOLUCION LEVADURA 28 g A 25 ° C
INOCULACION
LEVADURA 4 %
PROCESO FERMENTATIVO
92
5.1.1.5.- Resultados :
TABLA # 5 : “ Resultados del día # 1 : Martes 22 de Julio ”
Horas 14:20 Inóculo ° Brix ph
1 15:20 - 13 - 2 16:20 - 13 4,8 3 17:20 - 12,6 - 4 18:20 - 12,5 4,8 5 19:20 - 12,4 - 6 20:20 - 12 4,8 7 21:20 - 12 - 8 22:20 - 11,5 4,8 9 23:20 - 11,5 -
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
TABLA # 6 : “ Resultados del día # 2 : Miércoles 23 de Julio ”
Inóculo ° Brix ph
10 0:20 - 11 4,8 11 1:20 - 11 - 12 2:20 - 10 4,8 13 4:20 - 9,3 - 14 6:20 - 9 4,8 15 7:20 - 8 - 16 8:20 - 8 4,8 17 9:20 - 7,8 - 18 10:20 - 7 4,5 19 11:20 - 6,5 - 20 12:20 - 6,5 4,2 21 13:20 - 6,3 - 22 14:20 - 6 4 23 15:20 - 5,8 - 24 16:20 - 5,5 4 25 17:20 - 5 - 26 18:20 - 4,2 4 27 19:20 - 4,2 - 28 20:20 - 4,2 4 29 21:20 - 4,2 - 30 22:20 - 4,2 4
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
93
5.1.1.6.- Gráficos e Interpretaciones :
Grafico # 3 .- “Fermentación del pepino dulce ( ° Brix – Tiempo )”
Fermentación del pepino dulce
0123456789
1011121314
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
Horas
° Br
ix
Brix
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
Interpretación:
• El gráfico es muy claro en indicar que a mayor cantidad de horas que se produce
la fermentación; los grados brix bajan; debido a que las levaduras se encuentran
en un medio tan selectivo permitiendo un gran desarrollo y obviamente se van
nutriendo del azúcar existente en el medio.
• Las lecturas que corresponden desde la hora 26 hasta la 31, indican que la lectura
del grado brix es estable, indicativo que la fermentación alcohólica ha cesado.
94
• La fermentación ha durado un total de 30 horas; en el gráfico observamos 31
puntos ya que el primero corresponde a las condiciones iniciales. Para obtener los
resultados esperados se estabilizó el tanque en todo ese tiempo en 28 °C con
agitación constante y luego de inocular la levadura se prendió la bomba de aire
por un tiempo de 2 horas a más de la agitación, para favorecer el crecimiento de
las levaduras.
Grafico # 4 .- “ Fermentación del pepino dulce ( pH – Tiempo ) ”
Fermentación del pepino dulce
0
1
2
3
4
5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
Horas
pH pH
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
95
Interpretación:
• El gráfico resulta muy descriptivo indicando que las levaduras se nutren del
azúcar y transforman alcohol como producto de la fermentación; por dicho
fenómeno el pH obviamente se acidifica manteniéndose estable al final de la
fermentación.
• Contrario a las lecturas de grados brix, el pH se lo monitoreo cada 2 horas.
• La lectura final de pH tomada en el laboratorio de la universidad con la ayuda
del potenciómetro fue de 4.14.
Grado Alcohólico :
Es importante mencionar que se destiló el mosto fermentado obtenido siendo este
valido como práctica para otro tema de tesis ( destilación ).
La destilación resultó exitosa obteniéndose gran cantidad de alcohol puro destilado
cuya lectura en un litro de destilado fue de una densidad de 0.96 correspondiendo a
34.47 °GL.
96
5.1.2.- Práctica # 2 (Fermentación Alcohólica - Acética)
5.1.2.1.- Titulo de la Práctica :
Vino y vinagre de Frutilla
Primera parte de la práctica :
Vino de Frutilla
TABLA # 7 .- “Características de la frutilla”
Fruta : Frutilla
° Brix fruta : ( Prom. 10 ) 12 ° Brix ° Brix Pulpa : 9,5 ° Brix
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
5.1.2.2.- Descripción de la fruta :
33Frutilla, nombre común de una hierba vivaz de porte bajo de un género de la
familia de las rosáceas y del fruto comestible que produce. La frutilla es nativa de las
regiones templadas de todo el mundo y se cultiva en grandes cantidades, tanto con
fines comerciales como por parte de horticultores aficionados. Las flores blancas se
organizan en cimas y tienen cáliz de cinco piezas hendidas, cinco pétalos
redondeados, numerosos estambres y pistilos. El fruto es el resultado de la
agregación de muchos carpelos secos diminutos sobre un receptáculo pulposo
hipertrofiado de color rojo escarlata. Contiene gran cantidad de ácidos orgánicos y
vitamina C, sustancias minerales y azúcares por lo que es muy apreciado por su
sabor y sus aplicaciones en medicina.
33"Frutilla," Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2000. © 1993-1999 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.
97
Todas las frutillas cultivadas se obtuvieron a partir de cuatro especies principales. La
primera de ellas, la frutilla silvestre o de bosque, es una especie nemoral frágil nativa
de las montañas de América y las Antillas. La frutilla escarlata o fresa de Virginia es
nativa del este de América del Norte y se introdujo en Europa durante el siglo XVII.
La frutilla de playa o fresa de Chile procede de las regiones montañosas del
hemisferio occidental. La última especie se parece a la frutilla silvestre, común en
Europa central, dio origen por hibridación a las variedades europeas de frutos más
gruesos llamados fresones.
En zonas frías, las frutillas suelen plantarse al principio de la primavera, y a
mediados de verano o más tarde en los lugares más calurosos. Las plantas forman el
fruto en la primavera del año siguiente. Hay variedades que producen en otoño una
segunda cosecha de frutos más pequeños. Casi todos los fresales se multiplican a
partir de los estolones que se forman unos dos meses después de la estación de
plantación.
Clasificación científica: las frutillas forman el género Fragaria, de la familia de las
Rosáceas (Rosaceae.) La fresa silvestre es la especie Fragaria vesca; la fresa
escarlata o de Virginia, Fragaria virginiana; la de Chile, Fragaria chilensis; y la
especie común en Europa, también conocida como fresa de Alemania, Fragaria
moschata.
98
5.1.2.3.- Objetivo :
• Obtener vino a partir de pulpa de frutilla
Se obtienen 12 l de pulpa de frutilla a un ° Brix inicial de 9.5; pero se desea partir la
fermentación a 22° Brix; por ende se debe agregar azúcar; el reajuste a realizar será
el siguiente :
TABLA # 8 .- “Datos previos al ajuste de azúcar en la frutilla”
Cantidad : 12 litros
° Brix Pulpa : 9.5 ° Brix
° Brix Deseados : 22 ° Brix
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
12 kg. x 0.095 x X = 12 kg. x 0.22
1.14 x X = 2.64
2.64
X = ----------- = 2.3157 kg de Azúcar
1.14
99
Grafico # 5 .- “Gráfico previo al proceso fermentativo alcohólico de la frutilla”
12 l de jugo + 2.3157 kg de azúcar ( ° Brix inicial : 22 ° B )
° Brix Inicial : 22
pH Inicial : 3.5
T ° Inicial : 15 °C
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
5.1.2.4.- Diagrama de flujo :
DESPULPADO
PASTEURIZACION 85 °C X 10´
ENFRIAMIENTO 28 °C
DISOLUCION LEVADURA 28 g A 25 ° C
INOCULACION
LEVADURA 4 %
PROCESO FERMENTATIVO
100
5.1.2.5.- Resultados :
TABLA # 9 : “ Resultados del día # 1: Miércoles 30 de Julio ”
Horas 13:40 Inóculo ° Brix ph 2 15:40 - 21 3.5 4 17:40 - 21 3.5 6 19:40 - 21 3.5 8 21:40 - 21 3.5
10 23 :40 - 21 3.5 Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
TABLA # 10 : “ Resultados del día # 2 : Jueves 31 de Julio ”
Horas Inóculo ° Brix ph 12 01:40 - 20 3.5 14 03:40 - 20 3.5 16 05:40 - 20 3.5 18 07:40 - 20 3.5 20 09:40 - 20 3.5 22 11:40 - 20 3.5 24 13:40 - 20 3.5 26 15:40 - 20 3.5 28 17:40 - 20 3.5 30 19:40 - 20 3.5 32 21:40 - 19.5 3.5 34 23 :40 - 19.5 3.5
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
TABLA # 11 : “ Resultados del día # 3 : Viernes 1 de Agosto ”
Horas Inóculo ° Brix ph 36 01:40 - 19 3.5 38 03:40 - 19 3.5 40 05:40 - 19 3.5 42 07:40 - 19 3.5 44 09:40 - 19 3.5 46 11:40 - 19 3.5 48 13:40 - 19 3.5 50 15:40 - 19 3.5 52 17:40 - 19 3.5 54 19:40 - 19 3.5 56 21:40 - 19 3.5 58 23 :40 - 18.5 3.5
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
101
TABLA # 12 : “ Resultados del día # 4 : Sábado 2 de Agosto ”
Horas Inóculo ° Brix ph 60 01:40 - 18.5 3.5 62 03:40 - 18.5 3.5 64 05:40 - 18 3.5 66 07:40 - 18 3.5 68 09:40 - 18 3.5 70 11:40 - 18 3.5 72 13:40 - 18 3.5 74 15:40 - 18 3.5 76 17:40 - 18 3.5 78 19:40 - 17.5 3.5 80 21:40 - 17 3.5 82 23 :40 - 17 3.5
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
TABLA # 13 : “ Resultados del día # 5 : Domingo 3 de Agosto ”
Horas Inóculo ° Brix ph 84 01:40 - 16 3.5 86 03:40 - 15.5 3.5 88 05:40 - 15 3.5 90 07:40 - 14.5 3.5 92 09:40 - 14 3.5 94 11:40 - 14 3.5 96 13:40 - 13 3.5 98 15:40 - 13 3.5
100 17:40 - 13 3.5 102 19:40 - 13 3.5 104 21:40 - 13 3.5 106 23 :40 - 13 3.5
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
TABLA # 14 : “ Resultados del día # 6 : Lunes 4 de Agosto ”
Horas Inóculo ° Brix ph 108 01:40 - 13 3.5 110 03:40 - 12.5 3.5 112 05:40 - 12.3 3.5 114 07:40 - 12 3.5 116 09:40 - 12 3.5 118 11:40 - 12 3.5 120 13:40 - 12 3.5 122 15:40 - 12 3.5 124 17:40 - 11.5 3.5 126 19:40 - 11.5 3.5 128 21:40 - 11 3.5 130 23 :40 - 11 3.5
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
102
TABLA # 15 : “ Resultados del día # 7 : Martes 5 de Agosto ”
Horas Inóculo ° Brix ph 132 01:40 - 11 3.5 134 03:40 - 11 3.5 136 05:40 - 10.5 3.5 138 07:40 - 10.5 3.5 140 09:40 - 10 3.5 142 11:40 - 10 3.5 144 13:40 - 10 3.5 146 15:40 - 9.5 3.5 148 17:40 - 9.5 3.5 150 19:40 - 9.5 3.5 152 21:40 9.5 3.5 154 23:40 9.5 3.5
5.1.2.6.- Gráficos e Interpretaciones :
Gráfico # 6 .- Fermentación de frutilla ( ° Brix – Tiempo )
Fermentación de frutilla
0369
1215182124
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Horas
° B
rix
° Brix
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
103
Interpretación:
• El gráfico es muy claro en indicar que a mayor cantidad de horas que se produce
la fermentación; los grados brix bajan; debido a que las levaduras se encuentran
en un medio tan selectivo permitiendo un gran desarrollo y obviamente se van
nutriendo del azúcar existente en el medio.
• Las lecturas que corresponden desde la hora 146 hasta la 154, indican que la
lectura del grado brix es estable, indicativo que la fermentación alcohólica ha
cesado.
• La fermentación ha durado un total de 154 horas; el gráfico está elaborado
tomado como mínimo escala de 10 horas. Para obtener los resultados esperados
se estabilizó el tanque en todo ese tiempo en 28 °C con agitación constante y
luego de inocular la levadura se prendió la bomba de aire por un tiempo de 2
horas a más de la agitación para favorecer el crecimiento de las levaduras.
104
Gráfico # 7 .- “ Fermentación de frutilla ( pH – Tiempo ) ”
Fermentación de frutilla
0
1
2
3
4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
pH
Hor
as
pH
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
Interpretación:
• El gráfico resulta muy descriptivo indicándonos que las levaduras se nutren del
azúcar y transforman alcohol como producto de la fermentación; por dicho
fenómeno el pH obviamente se acidifica manteniéndose estable al final de la
fermentación.
• Contrario a las lecturas de grados brix, el pH se lo monitoreo cada 2 horas.
• La lectura final de pH tomada en el laboratorio de la universidad con la ayuda
del potenciómetro fue de 3.51.
105
5.1.2.7.- Segunda parte de la práctica :
Vinagre de Frutilla
TABLA # 16 : “ Resultados del mosto fermentado de frutilla ”
Fruta : Frutilla ° Brix mosto obtenido 9 ° Brix
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
5.1.2.8.- Objetivo : • Obtener vinagre a partir del mosto de frutilla obtenido de la fermentación
alcohólica
Grafico # 8 .- “Gráfico previo al proceso fermentativo acético de la frutilla”
6 l de mosto fermentado y filtrado ( ° Brix inicial : 9 ° B )
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
5.1.2.9.- Diagrama de flujo :
FILTRACION DEL MOSTO
CALENTAMIENTO DEL MOSTO 30 °C ADICION DE VINAGRE AL MOSTO 15 % INOCULACION DE BACTERIAS ACETICAS 360 ml
PROCESO FERMENTATIVO
• ° Brix Inicial : 9 • pH Inicial : 3.5 • T ° Inicial : 15 ° C
106
5.1.2.10.- Resultados :
TABLA # 17 : “ Procedimiento del día # 1 : Miércoles 6 de Agosto”
Horas de proceso Hora Procedimiento 0 12 : 30 Inóculo + mosto ( M # 1 )
Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
TABLA # 18 : “ Procedimiento del día # 2 : Jueves 7 de Agosto”
Horas de proceso Hora Procedimiento 12 00 : 30 Muestra # 2 24 12 :30 Muestra # 3
Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
TABLA # 19 : “ Procedimiento del día # 3 : Viernes 8 de Agosto ”
Horas de proceso Hora Procedimiento 36 00 : 30 Muestra # 4 48 12 :30 Muestra # 5
Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
TABLA # 20 : “ Procedimiento del día # 4 : Sábado 9 de Agosto ”
Horas de proceso Hora Procedimiento 60 00 : 30 Muestra # 6 72 12 :30 Muestra # 7
Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D. Tabla de Resultados :
TABLA # 21 .- “RESULTADOS ANALIZADOS EN LABORATORIO”
Muestra Horas Alcohol ( mg/100g ) Acido Acético ( % )
1 0 0.13 0.789 2 12 0.10 0.7847 3 24 0.09 0.7847 4 36 0.09 0.8008 5 48 0.09 0.7965 6 60 0.07 0.8065 7 72 0.04 0.8148
Fuente : Labolab. Informe de Resultados. Dr. Oscar Luzuriaga Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
107
5.1.2.11.- Gráficos e Interpretación
Gráfico # 9 .- “Fermentación acética ( mg / 100 g Alcohol – Tiempo )”
Fermentación Acética de la Frutilla
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0 20 40 60 80
Horas
Alc
ohol
( m
g/10
0g )
Alcohol ( mg/100g )
Fuente : Labolab. Informe de Resultados. Dr. Oscar Luzuriaga Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
Interpretación:
• El gráfico resulta muy descriptivo indicándonos que el contenido de alcohol
expresado en mg/100 g decrece conforme aumenta el número de horas en la
fermentación acética, esto quiere decir que el proceso de acetificación en el
medio aeróbico es efectivo oxidando el alcohol presente en el vino de frutilla a
ácido acético.
108
Gráfico # 10 .- “ Fermentación acética ( % Ac. Acético – Tiempo ) ”
Fermentación Acética de la Frutilla
0.780.7850.790.7950.8
0.8050.810.8150.82
0 20 40 60 80Horas
% A
. Acé
tico
Acido Acético ( % )
Fuente : Labolab. Informe de Resultados. Dr. Oscar Luzuriaga Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
Interpretación:
• El gráfico resulta muy descriptivo indicándonos que el contenido de ácido acético
expresado en % se incrementa conforme aumenta el número de horas en la
fermentación acética, esto quiere decir que el proceso de acetificación en el
medio aeróbico es efectivo oxidando el alcohol presente en el vino de frutilla a
ácido acético.
.
109
5.1.3.- Práctica # 3 (Fermentación Alcohólica)
5.1.3.1.- Titulo de la Práctica :
Vino de Banano
TABLA # 22 .- “Características del banano”
Fruta : Banano
° Brix fruta : ( Prom. 10 ) 23 ° Brix ° Brix Pulpa : 13.9 ° Brix
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
5.1.3.2.- Descripción de la fruta:
Banano, nombre común de las especies de un género tropical de plantas herbáceas
de porte arbóreo que producen un fruto llamado banana o plátano. Las especies de
este género son originarias del Sureste asiático, pero ahora se cultivan mucho en
todos los países tropicales por sus frutos, fibras y hojas. El banano es una planta
herbácea de gran tamaño, provista de una raíz perenne, o rizoma, a partir de la cual
se perpetúa por medio de brotes. En el trópico, el tallo es anual: muere cuando
madura el fruto y brota de nuevo a partir de las yemas del rizoma. Estos tallos o
yemas son el medio normal de propagación y creación de nuevas plantaciones; el
desarrollo es tan rápido que el fruto suele estar maduro diez meses después de la
plantación de los brotes. El tallo adulto mide entre 3 y 12 m de altura y está
rematado por una copa de grandes hojas ovales de hasta 3 m de longitud
caracterizadas por un peciolo y un nervio central fuertes y carnosos. Las flores se
disponen en espiral a lo largo de grandes espigas que brotan del centro de la copa
foliar; las femeninas ocupan la base de la espiga y las masculinas el ápice.
110
La longitud del fruto oscila entre 10 y 30 cm; un racimo pesa 11 kg por término
medio, pero no es raro que algunos superen los 18 kg. Cada tallo fructifica una vez,
muere y da lugar a varios brotes, de los que fructifican dos o tres.
El fruto de la especie llamada plátano maduro que se emplea para cocinar, es mayor,
más basto y menos dulce que el de las variedades que suelen consumirse en crudo.
La parte comestible del plátano contiene por término medio un 75% de agua, un
21% de hidratos de carbono y un 1% de grasas, proteínas, fibra y cenizas. Las hojas
y tallos tienen abundantes fibras que se usan en la fabricación de papel y cuerdas.
De una de las especies de este género se extrae el cáñamo de Manila.
Clasificación científica: el banano pertenece al género Musa, de la familia de las
Musáceas (Musaceae). Los plátanos maduros, también llamados macho, son de la
especie Musa paradisiaca. El cáñamo de Manila se extrae de Musa textilis.34
34"Banano," Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2000. © 1993-1999 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.
111
5.1.3.3.- Objetivo :
• Obtener vino a partir de banano.
Se obtienen 14 l de pulpa de banano a un ° Brix inicial de 13.9 ; pero se desea partir
la fermentación a 19.9° Brix; por ende se debe agregar azúcar; el reajuste a realizar
será el siguiente :
TABLA # 23 .- “Datos previos al ajuste de azúcar en el banano”
Cantidad : 14 litros
° Brix Pulpa : 13.9 ° Brix
° Brix Deseados : 19.9 ° Brix
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
14 kg. x 0.139 x X = 12 kg. x 0.199
1.946 x X = 2.388
2.388
X = ----------- = 1.22 kg de Azúcar
1.946
112
Grafico # 11 .- “Gráfico previo al proceso fermentativo alcohólico del banano”
14 l de jugo + 1.22 kg de azúcar ( ° Brix inicial : 19.9 ° B )
° Brix Inicial : 19.9
pH Inicial : 5.2
T ° Inicial : 17 °C
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D.
5.1.3.4.- Diagrama de flujo :
DESPULPADO
PASTEURIZACION 85 °C X 10´
ENFRIAMIENTO 28 °C
DISOLUCION LEVADURA 28 g A 25 ° C
INOCULACION
LEVADURA 4 %
PROCESO FERMENTATIVO
113
5.1.3.5.- Resultados :
TABLA # 24 : “ Resultados del día # 1 : Domingo 10 de Agosto ”
Horas 19:00 Inóculo ° Brix pH 1 20:00 - 16.8 4.5 3 23:00 - 16.7 4.5
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
TABLA # 25 : “ Resultados del día # 2 : Lunes 11 de Agosto”
Horas Inóculo ° Brix pH 6 02:00 - 16.5 4.4 9 05:00 - 15 4.4
12 08:00 - 14 4.4 15 11:00 - 13.2 4.4 18 14:00 - 12 4.2 21 17:00 - 11,2 4.2 24 20:00 - 9.8 4.2 27 23:00 - 8 4.1
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
TABLA # 26 : “ Resultados del día # 3 : Martes 12 de Agosto ”
Horas Inóculo ° Brix pH 30 02:00 - 8 4.1 33 05:00 - 8 4.1 36 08:00 - 7.5 4.1 39 11:00 - 7.3 4.1 42 14:00 - 7 4.1 45 17:00 - 7 4.1 48 20:00 - 6.9 4.1 51 23:00 - 6.9 4.1
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
TABLA # 27 : “ Resultados del día # 4 : Miércoles 12 de Agosto ”
Horas Inóculo ° Brix pH 54 02:00 - 6.8 4.1 57 05:00 - 6.8 4.1 60 08:00 - 6.5 4 63 11:00 - 6.0 4 66 14:00 - 5.2 4 69 17:00 - 4.8 4 72 20:00 - 4.8 3.9 75 23:00 - 4.5 3.9
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
114
TABLA # 28 : “ Resultados del día # 5 : Jueves 13 de Agosto ”
Horas Inóculo ° Brix pH
78 02:00 - 4.5 3.9 81 05:00 - 4.5 3.9
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
5.1.3.6.- Gráficos e Interpretación:
Gráfico # 12.- “Fermentación del banano ( ° Brix – Tiempo ) ”
Fermentación del Banano
0
3
6
9
12
15
18
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Horas
° Br
ix
° Brix
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
Interpretación:
• El gráfico es muy claro en indicar que a mayor cantidad de horas que se produce
la fermentación; los grados brix bajan; debido a que las levaduras se encuentran
en un medio tan selectivo permitiendo un gran desarrollo y obviamente se van
nutriendo del azúcar existente en el medio.
115
• Las lecturas que corresponden desde la hora 72 hasta la 81, indican que la lectura
del grado brix es estable, indicativo que la fermentación alcohólica ha cesado.
• La fermentación ha durado un total de 81 horas; el gráfico está elaborado tomado
como mínimo escala de 10 horas. Para obtener los resultados esperados se
estabilizó el tanque en todo ese tiempo en 28 °C con agitación constante y luego
de inocular la levadura se prendió la bomba de aire por un tiempo de 2 horas a
más de la agitación para favorecer el crecimiento de las levaduras.
Gráfico # 13.- “ Fermentación del banano ( pH – Tiempo ) ”
Fermentación del Banano
0
1
2
3
4
5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Horas
pH pH
Fuente : Investigación propia. Elaborado por : Echeverría D. – Ríos D
116
Interpretación:
• El gráfico resulta muy descriptivo indicándonos que las levaduras se nutren del
azúcar y transforman alcohol como producto de la fermentación; por dicho
fenómeno el pH obviamente se acidifica manteniéndose estable al final de la
fermentación.
• La lectura final de pH tomada con un potenciómetro particular fue de 3.91.
117
CAPITULO VI
CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
118
CAPITULO VI
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1.- CONCLUSIONES
• Luego de realizar todas las investigaciones, referentes a los fenómenos de las
fermentaciones alcohólica y acética como de sus necesidades y requerimientos,
se procedió a investigar la construcción del equipo que pueda satisfacer dichos
requerimientos.
Finalmente se logró construir el equipo final, el cual previo a investigaciones y
fundamentos aplicados logró cumplir con el objetivo general planteado; es decir
con este equipo se consiguió realizar todas las etapas de la fermentación
alcohólica – acética de una forma eficiente y sobre todo didáctica.
• Aplicando las técnicas recomendadas para la construcción de biofermentadores,
tales como: principios, relaciones, materiales, etc, se logró construir el equipo
con una total seguridad tanto en el funcionamiento, como en alcanzar los
resultados propuestos.
119
• En la fase experimental del funcionamiento del fermentador, se llegaron aplicar
correctamente las condiciones adecuadas para obtener productos finales como
vino y vinagre.
• Una vez realizada la fase experimental, se realizó finalmente en forma detallada
todo el conjunto de aspectos que implican el correcto funcionamiento del equipo,
tales como manual de mantenimiento, manual de uso de equipo para cada etapa y
recomendaciones de uso del mismo.
• Durante la fase de construcción del equipo, y previo a la determinación de sus
características y propiedades, se procedió a conseguir los materiales y accesorios
mas adecuados, los mismos que ofrezcan seguridad tanto en su funcionamiento
como en lo alimentario y que guarde una relación económicamente razonable con
la inversión.
• En la fase experimental, se llegaron a aplicar las condiciones para cada
fermentación (alcohólica y acética).
• Con la construcción y puesta en marcha del prototipo, se pudieron realizar todas
las etapas de la cadena fermentativa (alcohólica y acética), el mismo que por la
naturaleza de su diseño aislado y hermético, evita la manipulación y contacto
con agentes contaminantes.
120
• Al final de cada práctica en la fase experimental, se llegaron a obtener productos
de calidad, pegándose a las características de este tipo de productos que refiere la
teoría.
• El manejo del fermentador, en cuanto a parámetros se refiere, cambiará
dependiendo del sustrato con el que se trabaje; es decir los rangos de trabajo para
la fermentación serán los mismos; lo que cambiará será el manejo de los rangos
de temperatura con el pirómetro ya que la transferencia de calor cambiará según
el grado de viscosidad del producto a fermentar.
• Es importante mencionar que mediante los sentidos se pueden percibir los
cambios que se producen en la fermentación alcohólica, tales como :
• Apreciación de un burbujeo en el líquido de fermentación, similar al agua
hirviendo y que no es mas que el escape del CO2.
• Aumento de temperatura en el seno del líquido, debido a la energía que se libera
producto de la reacción exotérmica provocada por la fermentación.
• Disminución de la densidad del líquido que se aproxima a la del agua en la
medida que se produce la fermentación.
• Disminución del grado brix y aumento del grado alcohólico en el medio.
121
• El monitoreo en la fermentación debe ser constante.
• En la fermentación acética el contenido de alcohol expresado en mg/100 g
decrece conforme aumenta el número de horas en la fermentación, esto quiere
decir que el proceso de acetificación en el medio aeróbico es efectivo oxidando el
alcohol presente en el vino de frutilla a ácido acético.
• En la fermentación acética el contenido de ácido acético expresado en % se
incrementa conforme aumenta el número de horas en la fermentación, esto quiere
decir que el proceso de acetificación en el medio aeróbico es efectivo oxidando el
alcohol presente en el vino de frutilla a ácido acético.
122
6.2.- RECOMENDACIONES
• Antes de utilizar el equipo, se recomienda leer todo lo referente al manual de
mantenimiento general del equipo, manual de operación en proceso y
recomendaciones generales del uso de equipo.
• De igual manera, es muy importante tener un sustento teórico de los fenómenos
de las fermentaciones alcohólica y acética, para así realizar una correcta fase
experimental llevada de la mano con un correcto conocimiento teórico.
• Se recomienda ser cuidadosos durante el uso y almacenaje del equipo, para
evitar daños en la integridad tanto física, eléctrica y mecánica.
• Operar correctamente, aplicando las buenas prácticas de manufactura (BPM) en
cada proceso.
• Se recomienda implementar equipos auxiliares o de asistencia en los laboratorios
o planta de alimentos en la universidad, tales como: Refractómetros, balanzas,
potenciómetros, medidor de ppm, alcoholímetros, cubas y recipientes, tamices y
equipos de filtración, agua filtrada, reactivos, etc.
123
• Se recomienda estabilizar el proceso fermentativo a una temperatura constante;
sea entre 24 y 32° C para la fermentación alcohólica y de 27 y 30 ° C para la
fermentación acética, recomendando estandarizar y tratar de mantener la
temperatura lo mas estable posible ( 28 °C en fermentación alcohólica y 30° C en
fermentación acética) para mayor efectividad y rapidez en el proceso.
• Se recomienda monitorear la fermentación alcohólica cada hora tomando lecturas
de los °Brix con la ayuda de un refractómetro o brixómetro.
• Se recomienda la lectura del pH cada 2 horas en la fermentación alcohólica, y
para obtener datos reales se recomienda el uso de un phmetro o potenciómetro,
sin embargo se puede tomar las lecturas con bandas de pH aunque proporcionen
un dato muy aproximado mas no exacto.
• Si se va a fermentar una fruta cuya pulpa resulte espesa y espumante, se
recomienda el uso de antiespumante en el proceso, tales como : aceites minerales
que rompen la tensión superficial evitando la formación de espuma.
• Al trabajar con pulpa espumante se recomienda limpiar constantemente los
excesos de espuma que pueden salir por la boca superior del fermentador; así
mismo se recomienda no olvidar cerrar la válvula de entrada de aire para evitar
que la espuma ingrese por la manguera obstruyendo el paso de aire e incluso
dañar al filtro.
124
• Se recomienda utilizar mostos filtrados y lo menos densos posibles para que el
proceso fermentativo sea mas veloz, así como la transferencia de calor sea mas
efectiva.
• Se recomienda realizar prácticas concatenadas con los equipos donados a la
universidad, así por ejemplo: una práctica destinada a la fermentación alcohólica
seguida de una práctica destinada a la destilación (tema de otra tesis).
125
CAPITULO VII
BIBLIOGRAFIA
126
CAPITULO VII
BIBLIOGRAFIA
• BROCK/ MADIGAN, “Microbiología”, sexta edición.. Prentice Hall Hispanoamericana México. 1991.
• VILLE, Claude, “Biología General”, Ed. Arausa, España, 1985. • RODHES, D/ FLETCHER, L, “Principios de microbiología Industrial”,
Editorial Acribia. Zaragoza – España.
• VALDEZ, Imeldo, “Guías de Tecnología de Bebidas y Licores”, Editorial
Ejército Rebelde. La Habana - Cuba 1978 Tomo I.
• DESROSIER, Norman, “Métodos de Conservación de alimentos”, Editorial
Continental, México, 1976.
• KIMBALL, John, “Biología” , Ed. Addison - Wesley Iberoamericana USA,
1986.
• Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2000. © 1993-1999 Microsoft Corporation.
Reservados todos los derechos.
127
• http://nostoc.usal.es/sefin/MI/tema12MI.html
• http://www.monografias.com/trabajos10/anvi/anvi.shtml • http://www.infoagro.com/hortalizas/pepino_dulce.asp
• http://www.arrakis.es/~rfluengo/fermentacion.html • http://www.verema.com/opinamos/tribuna/articulos/levaduras02.htm • http://www.verema.com/opinamos/tribuna/articulos/levaduras03.htm • http://www.aulafacil.org/Vino/Lecc-8.htm • http://alfinal.com/monografias/vinoelaboracion.shtml • http://www.camsco.com.tw/pro12.htm • http://www.siemens.com.ar/sieenergia/transm_energia/pdf_energia/media/3tl8.pd
f. • http://www2.cbm.uam.es/jlsanz/Docencia/Resumenes%20G-II/II-
36%20Fermentaciones.doc
128
A
N
E
X
O
S
129
A.- FOTOGRAFIAS :
A.1.- PARTES DEL EQUIPO :
A.1.1.- Tanque interno, chaqueta, cuerpo
1 2 3
A.1.2.- Placa de filtro y bomba
1 2 3
130
A.1.3.- Motor, tapa y agitador
1 2 3
A.1.4.- Difusor, tubo de inyección de aire armado
1 2 3
A.1.5.- Válvulas de agua y de aire
1 2
131
A.1.6.- Boca del tanque, termocupla e ingreso del eje, placa de resistencia
1 2 3
A.1.7.- Construcción del tablero, conexión eléctrica general, contactor –
pirómetro, resistencias, bomba, swiches de control
1 2
3 4
132
5 6
7 8 9
10 11
133
A.2.- EQUIPO COMPLETO Y EN FUNCIONAMIENTO, PRACTICAS
1
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5 6
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