Fermentador Casero

I. TEMA: FERMENTADOR SEMI-INDUSTRIAL

II. INTRODUCCIÓN.

Antiguamente el término fermentación hacía referencia a reacciones donde no existía presencia de oxígeno, es decir, en condiciones anaeróbias. No obstante, actualmente el término fermentación se ha extendido y es utilizado para describir cualquier proceso dirigido a la producción de productos a través del uso de microorganismos.

Se puede distinguir cuatro procesos biológicos comercialmente importantes:

 Aquellas reacciones biológicas en las que se consigue células microbianas (biomasa) como producto de interés.

 Aquellas reacciones biológicas en las que se consigue enzimas como productos.

 Aquellas reacciones biológicas en las que se consigue metabolitos como producto.

 Aquellas que modifican un compuesto que se añade a la fermentación.

La fermentación alcohólica o glicólisis corresponde a una transformación enzimática que posee unas 11 etapas. Este proceso es llevado a cabo por una serie de levaduras normalmente de la familia Saccharomyces, por lo general S.cerevisiae y S.bayanus. Durante esta reacción enzimática la glucosa y fructosa presente en el mosto de uva se ve transformada en otras composiciones químicas, las cuales, corresponden a etanol y dióxido de carbono.

1. Objetivos:

Objetivo general:

- Investigar acerca de un fermentador semi-industrial.

Objetivo específico:

- Conocer el proceso biotecnológico de fermentación.

- Elaborar el diagrama de flujo del proceso de fermentación.

- Realizar el diseño de un fermentador semi-industrial.

- Diseñar una guía para la construcción del equipo necesario para este proceso.

2. Revisión de literatura:

DISEÑO DEL FERMENTADOR.

INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS FERMENTATIVOS

PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO DE UN FERMENTADOR

 Selección de una cepa.

 Medio de cultivo, nutrientes, pH, temperatura, condiciones aerobias o anaerobias y contaminación que puede sufrir el medio de cultivo.

 Cinética de crecimiento microbiano.

 Configuración del fermentador.

 Dimensiones del reactor biológico.

 Condiciones de operación.

 Superficie de transmisión de calor y de los dispositivos de mezclado.

 Necesidades de potencia y aireación.

 Diseño mecánico, selección de materiales y dispositivos para el mantenimiento de condiciones asépticas.

 Servicios de manipulación y control.

El proceso fermentativo se encuentra bastante influenciado por las condiciones del medio de cultivo donde tiene lugar la reacción biológica. Los nutrientes, el oxígeno, el nitrógeno, cepa de reacción, microorganismos contaminantes, la temperatura del reactor, el pH etc. son los factores a tener en cuenta a la hora del diseño de un fermentador; ya que, según su elección, el rendimiento y la obtención del producto deseado será mayor o menor.

Convencionalmente el reactor utilizado para las fermentaciones correspondía a reactores en Batch, es decir, en discontinuo, no encontrándose dichas reacciones catalizadas. Actualmente, con objetivo de mejorar el rendimiento de las reacciones bioquímicas se emplean técnicas nuevas de separación, se intenta pasar de operaciones discontinuas a continuas, uso de enzimas en lugar de microorganismos, se busca sustratos más baratos, desarrollo de nuevas configuraciones de fermentadores etc.:

Fermentador de tanque agitado con aireación.

Columna de burbujeo con recirculación forzada.

Fermentador Air-Lift.

Fermentador de lecho fluidizado.

Fermentador de mezcla completa con microorganismos inmovilizados sobre partículas en suspensión. Etc.

En la actualidad, adquiere gran relevancia la catálisis y la catálisis enzimática.

La catálisis es el proceso a través del cual se incrementa la velocidad de una reacción química. El proceso de catálisis implica la presencia de una sustancia que, si bien es cierto, es parte del sistema en reacción, la misma se puede llevar a cabo sin la primera. Ésta sustancia se llama catalizador. Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción, reaccionando, regenerándose y que puede ser recuperado al final de la reacción (el catalizador se fragmenta en pequeñas partículas para acelerar el proceso).

Si retarda la reacción se llama inhibidor.

La catálisis enzimática es una disciplina de la enzimología que estudia los mecanismos de catálisis por los cuales las proteínas o ácidos nucleicos con actividad enzimática pueden favorecer la reacción de ciertos sustratos y su conversión en productos. Este hecho está subordinado a las leyes de la catálisis química convencional: es decir, la existencia de un enzima no permite la aparición de nuevas reacciones, ni va en contra de la termodinámica del proceso; simplemente, acelera su velocidad favoreciendo una ruta de menor coste energético incluyendo en la dinámica de la reacción un estado intermediario de alta energía de modo que el número de moléculas activas, capaces de crear y destruir nuevos enlaces, aumente.

PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO DE UN FERMENTADOR

FERMENTADOR ALCOHÓLICO

Selección de una cepa.

Medio de cultivo, nutrientes, pH, temperatura, condiciones aerobias o anaerobias y contaminación que puede sufrir el medio de cultivo.

En el presente proyecto el producto de interés es el denominado “vino tinto”. El vino tinto (primario salida del fermentador alcohólico) es una sustancia líquida compuesta por una serie de compuestos donde predomina el agua y el etanol; además de incluir otra multitud de sustancias de concentraciones inferiores (ver en anteproyecto características de producto).

Este producto se obtiene de la acción microbiana de unas levaduras, normalmente del género y especie Saccharomyces cerevisae. Esta acción microbiana consiste en la transformación del mosto en vino.

El mosto se diferencia en dos aspectos del vino tinto: primero, el mosto es una mezcla heterogénea entre los hollejos y la pulpa de las uvas tintas; y, segundo, en la composición. La composición del mosto se diferencia de la del vino en la presencia del primero de componentes azucarados; mientras, que en el vino tinto los productos azucarados se han reemplazado por alcohol etílico y gas carbónico.

Esta diferencia es la producida por los microorganismos encargados de la fermentación alcohólica. En el interior de estos microorganismos tienen lugar ciertas reacciones enzimáticas que son las responsables de la transformación de los componentes azucarados (glucosa y fructosa) en etanol y gas carbónico.

Además de liberar al medio otros subproductos como vinil fenoles, etil fenoles, aromas fermentativos y aromas varietales.

Esquema de algunas transformaciones provocadas por las levaduras.

Otra característica importante de la actividad enzimática anteriormente nombrada corresponde a las transferencias de energía, traduciéndose en desprendimientos de calor. Diversos trabajos experimentales indican un desprendimiento entre 24-40 Kcal/mol de azúcar (1 mol-180 g), tomando importancia el valor de 27-28 Kcal/mol.

Una vez conocido el tipo de microorganismo que produce la actividad enzimática y la propia actividad enzimática que tiene lugar en el interior de la levadura, se puede definir las condiciones del medio de reacción.

En primer lugar, el medio de reacción es una mezcla heterogénea compuesta por una sustancia sólida correspondiente al hollejo y una sustancia líquida donde el compuesto predominante es el agua. En dicho medio tendrá lugar la reacción biológica en estudio transformando los componentes del medio.

La cepa seleccionada para llevar a cabo la actividad enzimática corresponde al género Saccharomyces Cerevisae. Se selecciona esta variedad por sus propiedades fisiológicas (aptitud para fermentar).

Convencionalmente en los reactores biológicos no se añadían levaduras para favorecer la fermentación, sino que las levaduras presentes en las uvas eran las únicas encargadas de realizar el trabajo de conversión de los azúcares.

Actualmente, se dispone de las L.S.A (levaduras secas activas). Estas levaduras tienen el objetivo de facilitar el buen desarrollo general de las fermentaciones alcohólicas.

 Fermentación alcohólica regular y completa.

 Ausencia de efectos secundarios nefastos.

 La elaboración de aromas secundarios marcados no presenta importancia, puesto que los aromas desaparecen de 6 a 12 meses.

Las L.S.A corresponden al inóculo activo, preparándose estos en el laboratorio. Deben ser utilizadas mediante un método preciso, siendo este el siguiente:

 Dosis: 10 g/hL (5 g son poco eficaces, 20 son inútiles).

 Rehidratación: Para 100 hL con 10 g/hL, dispersar 1 Kg. De LSA en 10 litros de agua azucarada (alrededor de 50 g/L de sacarosa) a 37 ºC en un recipiente de 20-50 Lts. Esperar 20 min y homogeneizar bien.

 Adición de las levaduras: Incorporar las levaduras reactivadas en 100 hL de mosto o de vendimia mezclando cuidadosamente, por bombeo con material desinfectado.

En principio, las levaduras añadidas (1 millón de levaduras /mL) se reproducen sin producir efectos de fermentación, tomando sustratos del medio para el incremento de la masa volúmica. Esta multiplicación continua durante todo el período de fermentación llegando alcanzar valores entre 25-150 millones de levaduras/mL.

Para multiplicarse

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