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Producción de compuestos oxigenados
(del metabolismo energético)
Prof. Rogelio Valadez Blanco
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Principales productos
• Etanol, butanol, acetona
• Potencial económico importante
• Etanol: Producto más conocido y de mayor escala.
– Industria de bebidas
– Biocombustible
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Cerveza
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Industria cervecera
Concepto Costo (millones de dls) Porcentaje (%)
Malta 610 11.1
Otros granos 188 3.4
Lúpulo 49 0.9
Salarios directos 860 15.7
Envase y embalaje 2,500 45.6
Combustibles y servicios
80 1.5
Transportación 360 6.6
Equipos y modernización
600 11.0
Promoción 230 4.2
TOTAL 5477 100.0
• 160 millones de barriles (31 gal por barril)
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Industria de bebidas: Cerveza
• Tecnología de enzimas y microorganismos
• Germinación de cebada – malteado
(proceso enzimático)
– Incubación de 2 a 6 días
– Formación de α y β amilasas, y proteasas
– Secado de los granos
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Elaboración de cerveza
• Preparación del medio: mosto de cerveza
– Levaduras sólo pueden utilizar azúcares simples y a.a. como nutrientes.
–Mezcla acuosa de malta + almidón (tibia o caliente)
–Mezcla compleja: sustratos + enzimas
–Hidrolizar proteínas y carbohidratos de la mezcla
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Mosto de cerveza
• No es deseable causar la hidrólisis total.
• Es importante la formación de oligómeros que le dan sabor y cuerpo a la cerveza. :
– Dextrinas
– Péptidos
– Peptonas
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Hidrólisis de biopolímeros
• Se requieren varios intervalos temperatura-tiempo para activar las diferentes enzimas relevantes para la hidrólisis
• Producto final: mezcla de nutrientes para la fermentación con levadura y con componentes de sabor
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Hidrólisis de la malta
Enzima Sustrato (o enlace) atacado
Productos de la hidrólisis
Temperatura de máxima actividad (°C)
α-Amilasa Almidón (todos los enlaces)
Fragmentos largos de dextrinas, amilosa
70-75
-Amilasa Amilosa (enlaces -1,4)
Maltosa 57-65
Proteasas Proteínas Amino ácidos, peptonas pequeñas
50
Peptonas grandes 60
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Pre-tratamiento de fermentación
Una vez realizada la hidrólisis, el mosto
• Se clarifica
• Se hierve y
• Se le añade lúpulo
– Contribuye al sabor, aroma y color de la cerveza
– Acción antibacterial
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Fermentación
• El mosto esterilizado se enfría y se inocula con una cepa específica de S. cerevisiae
• Etapa 1. Crecimiento celular:
– Cultivo en condiciones de aireación
• Etapa 2. Producción de etanol y CO2
– Etapa en condiciones anaerobias
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Tratamiento final
• Para la obtención del producto final se realizan los procesos de:
–Clarificado
–Pasteurizado
–Añejado
– Envasado
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PRODUCCIÓN DE VINO
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PRODUCCIÓN DE VINO
• Para la producción de vino se requiere cualquier fruto maduro o extracto vegetal
• Estrictamente el vino es el producto fermentado de la uva
• Debe contener 12-30% azúcar
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Inóculo
• Puede ser levadura silvestre – inoculación espontánea – en la piel de la fruta
• Cepa seleccionada
• Previo a la inoculación el jugo es pasteurizado
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Fermentación
• Etapa aerobia de crecimiento celular hasta concentración de biomasa deseada
• Etapa anaerobia (fermentación): producción de etanol (7-15%) y CO2
• Algunos ácidos grasos producidos son degradadados por bacterias en la etapa de post-fermentación: buquet del vino
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Fermentación
• Temperaturas de fermentación:
– Vinos blancos: 8-14°C
– Vinos tintos: 25-30 °C
• Inhibidores de la fermentación:
– Alcohol en concentraciones mayores a 16%
– Lípidos
– Levaduras asesinas
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Tipos de productos
• Depende del fruto usado
– Variedad de uvas, chabacano, duraznos
• La cepa de levadura y bacterias usadas
• Fortificación (adición de alcohol)
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Industria vinícola
• Producción de vino
– Europa: 80%
– América: 15%
• Rango amplio de tamaño de compañías:
– Empresas familiares
– Empresas de gran escala
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Procesos post-fermentación
• Calentamiento
• Enfriamiento
• Añejamiento
• Clarificación
• Envase
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Evaluación del vino
• Carácter – Acidez
– Dulzor
– Amargor
– Astringencia (debido a taninos)
• Apariencia – Claridad
– Color
• Olor, aroma y bouquet, sabor (medida compleja)
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Diagrama elaboración licores
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Producción de oxiquímicos
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Producción de oxiquímicos a partir de fuentes renovables
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Producción de bioetanol
• Usado previo a la Segunda Guerra Mundial
• La industria petrolera en 1945 desplazó al bioetanol
• Los incrementos actuales en el precio del petróleo causaron un resurgimiento de la producción de bioetanol
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Características del combustible
1. Producto líquido, fácil de transportar
2. Capacidad calorífica por galón es alta (2/3 de gasolina)
3. Puede mezclarse hasta 10% con gasolina sin cambio en el comportamiento del motor)
4. Puede mejorar el octanaje de gasolinas sin plomo
5. Reemplazo de importaciones de petróleo
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Materias primas
• Azúcares: jugo de caña, casava, melazas
• Almidones (granos de cereal)
• Madera
• Residuos de agricultura: trigo, maíz
• Residuos industriales, forestales y urbanos
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Selección de fuente de carbono
• Materiales refinados: sustrato más fermentable y puro, pero más caro
• Uso de residuos: material barato pero más heterogéneo (puede aumentar considerablemente los costos y procesos de pre-tratamiento)
– Ejemplo: Uso de mazorcas de maíz. El pretratamiento constituye cerca del 50% del costo totales del proceso
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Pretratamiento sustrato: Hidrólisis ácida de residuos de maíz
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Producción de etanol a partir de celulósicos
Concepto %
Preparación del sustrato 5.0
Hidrólisis 19.0
Recuperación ácida 29.4
Fermentación y purificación 19.2
Servicios y transporte 27.4
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Proceso industrial típico
• Fermentación por lotes
• Tiempo de fermentación: 50 h
• pH inicial = 4.5
• T = 20-30°C
• Rendimiento de etanol de cerca de 90% del valor de azúcar teórico.
• Concentraciones finales de alcohol: 10-16% v/v
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Áreas de desarrollo
1. Los costos de materias primas son altos
2. La velocidad de reacción es lenta
– Altos requerimientos de volumen de reactor
– Adicionan alrededor de 20 c/gal al costo final
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Áreas de desarrollo
3. Los productos secundarios deben ser recuperados
• Ventas de levaduras como suplemento (alimentación animal) pueden reducir los costos de etanol (22c/gal)
4. La destilación es un proceso energéticamente intensivo, pero eficiente:
• 30% del valor de calor de combustión en el proceso de destilación.
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Procesos biológicos novedosos
• Proceso convencional (lote)
– Baja productividad: 1.8-2.5 g L-1 h-1
– Altos costos fijos y de operación
• Operación a presión reducida
– Volatilización de alcohol durante fermentación
– Reducción de inhibición por producto
• Procesos de configuración continua
• Reciclaje de células y sistemas con vacío
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Procesos biológicos novedosos
• CSTR simple
– Productividad baja: 6 g L-1 h-1
Procesos de configuración continua:
a) Con reciclaje de células
– Alta productividad: 30-40 g L-1 h-1
– Requerimientos de energía y de operación
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Procesos biológicos novedosos
Procesos de configuración continua:
• Con operación al vacío
– 12 veces mayor productividad que CSTR simple: 80 g L-1 h-1
– Alimentación de 33% (w/v)
– 50 mmHg
– Sistema mecánicamente complicado
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Procesos biológicos novedosos
• Uso de bacterias Zymomonas mobilis en lugar de levaduras:
– Mayor velocidad de asimilación de glucosa y de producción de etanol
• Uso de células inmovilizadas
– Mucho mayores productividades volumétricas que cultivos suspendidos
– Vida media de las células es relativamente corto
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Procesos biológicos novedosos
• Fermentadores de torre alta
– Consiste en levadura que flocula fácilmente
– En el reactor se forma un tapón de levaduras en la base (conc. de 50-80 g L-1)
– En lo alto de la torre se tiene un deflector de gran diámetro que retiene las células por sedimentación
– Requiere semanas para estabilización y arranque
– Operación continua puede durar años
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Costos de producción
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Procesos alternativos
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Procesos alternativos