Oxidacion Biológica de Etanol

Instituto Politécnico Nacional[pic 1][pic 2]

Escuela Nacional de Ciencias Biológicas

Ingeniería Bioquímica

Laboratorio de Ingeniería de biorreacción

Grupo: 6IV1

Equipo: 2

•  Bohorquez Gomez Bryan Ernesto
•  Martinez Gonzalez Johan Emmanuel
•  Sandoval Garcia Araceli
•  Sanson Temich Raul
•  Santes Forey Miguel Angel
• Torres Samaniego Dilan Armando

OXIDACIÓN BIOLÓGICA DE ETANOL EN UN REACTOR DE LECHO FIJO.

20 de Octubre de 2022

Introducción

El vinagre es un producto obtenido de la fermentación acética de líquidos alcohólicos, a determinada concentración, proveniente de jugos de frutas sanas y maduras, cereales, vinos o alcohol potable desnaturalizado con vinagre [1]. Es de gran relevancia en la economía mundial y nacional, en el año 2021, el intercambio comercial total de Vinagre y Sucedáneos del Vinagre Obtenidos a Partir del Ácido Acético en México (incluyendo compras y ventas internacionales) fue de US$9.59M [2].

En años recientes, incrementó la importancia de técnicas de inmovilización celular al ser exitosamente aplicadas en procesos industriales tales como la producción de alcohol (etanol, butanol e isopropanol), ácidos orgánicos (incluyendo ácido málico, cítrico, láctico y glucónico), enzimas (celulasas, amilasa, lipasa y otras) y la biotransformación de esteroides para la producción de hormonas, tratamientos de agua, y aplicaciones alimentarias (cerveza, carne, azúcares) [3]. En términos generales, la libertad en movimiento celular se puede restringir de dos maneras: adsorción de células (ya sea entre las mismas células o una superficie sólida de soporte) con enlaces físicos y químicos, o por el atrapamiento de células dentro de los soportes [4].

Poco desarrollo usando estas técnicas se ha aplicado a la industria del vinagre, y hay grandes expectativas en su desarrollo a futuro. En el caso del estudio, usando a Gluconacetobacter spp, microorganismo estrictamente aeróbico es muy importante considerar los mecanismos de resistencia que permitan la transferencia de oxígeno, factor más limitante [5]. Se ha reportado ampliamente en la literatura que la inmovilización imparte una estabilidad especial a la bacteria contra efectos negativos de temperatura, pH, concentraciones de etanol y ácido acético [6], además de evitar el lavado de la población de células. Las técnicas de adsorción reducen los problemas asociados a la difusión de oxígeno y no son afectadas por el escalado.

La intención del desarrollo experimental llevado a cabo en esta práctica es la producción de vinagre por un método industrial utilizando un biorreactor de columna de burbujeo con un difusor de placa porosa a partir de vino Castillo de RIHN (11% alcohol) y vinagre (5% acidez) utilizando a Gluconacetobacter spp inmovilizada en un soporte de viruta de madera de pino para la determinación de parámetros importantes del proceso.

Objetivo

Producir vinagre de vino blanco, por un método industrial a escala de laboratorio, utilizando un biorreactor con células inmovilizadas, determinando parámetros importantes del proceso.

Cálculos:

Nota: La horas con minutos se pasaron a números enteros por lo tanto se hizo la siguiente relación:

  ó  [pic 3][pic 4]

Tabla 1: Datos de muestra por dia

1. Los cálculos para el ajuste de la concentración de la mezcla de reacción.

El medio necesario para que pudieran crecer los microorganismos es de 6% alcohol y 3% de vinagre, por lo tanto se utilizó un vino con 12% de alcohol y vinagre con 5% de acidez, se necesitaba calcular las cantidades de cada reactivo para tener un volumen de 1L.  

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Para el caso del alcohol tenemos que:

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Para el caso del vinagre:

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Pero con los datos obtenidos se hace el ajuste para que nos quede un total de 1L y por tanto quedaría:

Para el caso del vinagre = 0.54 L

Para el caso del alcohol = 0.4545 L

1. El cálculo de la velocidad volumétrica media de reacción (rA).

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De la tabla 1 tomamos estos valores: 

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1. Trazar la gráfica que describa la producción de acidez con respecto al tiempo.

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1. Suponiendo que la velocidad de reacción es de primer orden, calcule el valor de la constante de reacción k y deduzca sus unidades.

• k para % de acidez

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1. Determinar el tiempo óptimo de cosecha

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De acuerdo a la norma, nos indica un valor óptimo de 4% de acidez, por lo cual interpolando ese valor nos dará un valor de:

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Con ese valor obtenido se tuvo que transformar,  dado que la gráfica no permite agregar horas y manejar números decimales, por tanto el valor ya corregido no indico que la hora óptima de cosecha se dio a las

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1. Consultar la NOM para vinagre y clasificar el producto resultante de la práctica de acuerdo a la misma

De acuerdo a la norma “VINAGRE ENVASADO PARA CONSUMO PÚBLICO". N.M.X.-F-122.-1968 nuestro vinagre utilizado en la práctica es de tipo B (Vinagre de alcohol desnaturalizado con vinagre)  

Discusión:

El biorreactor utilizado fue uno con columna de burbujeo que pertenecen a la clase general de reactores multifásicos que constan de tres categorías principales, a saber, el reactor de lecho percolador (lecho fijo o empacado), el reactor de lecho fluidizado y el reactor de columna de burbujas. Las columnas de burbujas son los dispositivos en los que el gas, en forma de burbujas, entra en contacto con el líquido. “El propósito puede ser simplemente mezclar las dos fases o las sustancias se transfieren de una fase a otra, es decir, cuando los reactivos gaseosos se disuelven en líquido o cuando los productos reactivos líquidos se eliminan. La columna de burbujas en la que el gas se alimenta a la columna en la parte inferior y se eleva en el líquido que se escapa por la superficie superior; el gas se consume en mayor o menor medida dependiendo de la intensidad de la transferencia de masa” (Merchán, 2018).

Son útiles para procesos microbiológicos que no requieren una transferencia de oxígeno importante, como en el cultivo de células vegetales. Se han utilizado en la industria química por su, relativamente, bajo costo de capital, configuración simple y reducidos costos de operación debido a los bajos requerimientos energéticos. También se han usado para la producción de vinagre y cerveza en gran escala.(Guevera, 2004)

En este caso el uso que se le está dando al biorreactor está orientado a la producción de vinagre a partir de una mezcla entre vinagre y vino blanco. Por ello un aspecto relevante para iniciar esta discusión es la acidez total del vinagre de vino blanco obtenido, de esta manera los datos que se reportan en la tabla 1 reportan un aumento en la acidez total del vinagre respecto al tiempo.La acidez aquí, indica los gramos de acido acético producidos por litro de medio de cultivo, en este caso estos resultados son acordes con lo que se esperaba, puesto que como bien se menciona en la introducción, la oxidación del etanol a ácido acético forma parte del metabolismo de las bacterias del género Gluconacetobacter, las cuales realizan este proceso en dos pasos, primero oxidando el etanol a acetaldehído mediante la alcohol deshidrogenasa (ADH), seguido por la oxidación de acetaldehído a ácido acético mediante la aldehído deshidrogenasa (ALDH), en cuyo proceso los electrones que se generan en las dos reacciones pasan al oxígeno, siendo este un proceso estrictamente aerobio. Además, un aspecto a resaltar es que la actividad del ADH es estable en las condiciones de etanol, pH y acidez del vino, contrariamente a la ALDH que se muestra sensible a concentraciones elevadas de etanol o cuando el medio se ve empobrecido de oxígeno, pues la oxidación del acetaldehído a ácido acético es inhibida en mayor grado que la oxidación del etanol, debido a las diferentes afinidades que presentan las dos enzimas hacia el oxígeno, provocando en cualquier caso acumulación de acetaldehído que es tóxico para las bacterias. (Mabel, L., 2015). Aunque es necesario recalcar que en las condiciones que se está llevando el proceso en el laboratorio las condiciones son idóneas para el crecimiento del microorganismo en cuestión.

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