Estudio Preliminar de la Factibilidad de Obtención y ...
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IQ-2003-2-13 Estudio Preliminar de la Factibilidad de Obtención y Producción de Vino a Partir de la Fermentación del Lentinus edodes (Hongo Shiitake) SANDRA BIBIANA JIMÉNEZ DÍAZ UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA 2004
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IQ-2003-2-13
Estudio Preliminar de la Factibilidad de Obtención y
Producción de Vino a Partir de la Fermentación del
Lentinus edodes (Hongo Shiitake)
SANDRA BIBIANA JIMÉNEZ DÍAZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA
2004
IQ-2003-2-13
2
Estudio Preliminar de la Factibilidad de Obtención y
Producción de Vino a Partir de la Fermentación del
Lentinus edodes (Hongo Shiitake)
SANDRA BIBIANA JIMÉNEZ DÍAZ
Tesis de grado para optar por el título de
Ingeniero Químico
Asesor
Diana Marcela Tabima
Ingeniero Químico
CoAsesor
Maria Caridad De García
Microbióloga
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA
2004
IQ-2003-2-13
Bogotá, Enero del 2004
Nota de Aceptación
______________________
______________________
______________________
Asesor
CoAsesor
Jurado
Jurado
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A Dios, por permitirme vivir.
A mi madre, Concepción, por que sin su esfuerzo y apoyo no podría
haber llegado hasta aquí.
A mis hermanos Oscar y Adriana, por guiarme y darme ejemplo en
todo momento.
A Gonzalo por ayudarme, apoyarme y estar siempre a mi lado.
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AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos a :
Diana Marcela Tabima, Ingeniero Químico y asesor del proyecto, por su
incondicional ayuda, colaboración y motivación.
Maria Caridad García, Microbióloga, Directora del CIMIC, por su valiosa
orientación en el campo de la microbiología.
Sandra Rincón, Microbióloga, por su paciencia e incondicional
colaboración.
Rubén Fajardo, por su colaboración y apoyo.
Al departamento de Ingeniería Química por el conocimiento compartido.
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TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN............................................................................................12
1 INTRODUCCION...........................................................................14
2 OBJETIVOS ..................................................................................16
2.1 Objetivos Generales.................................................................16
2.2 Objetivos Específicos..............................................................16
3 MARCO TEÓRICO........................................................................17
3.1 Hongo Shiitake .........................................................................17
3.2 Taxonomía del Hongo..............................................................17
3.3 Morfología del Hongo Lentinus edodes .................................20
3.4 Beneficios del Lentinus Edodes .............................................22
3.5 Cultivo del Hongo Lentinus Edodes.......................................24 3.5.1 Medio de Cultivo .................................................................24
3.5.1.1 Estado..........................................................................25 3.5.1.2 pH ................................................................................25 3.5.1.3 Composición química del medio ..................................25
3.5.1.3.1 Agar ..........................................................................26 3.5.1.3.2 Gelrita .......................................................................26
3.5.1.4 Antibióticos ..................................................................27 3.5.1.4.1 Cloranfenicol.............................................................27
3.5.1.5 Esterilidad del medio....................................................28
3.6 Obtención del Mosto...............................................................28
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3.6.1 Mosto ..................................................................................28 3.6.2 Preparación del Mosto ........................................................29 3.6.3 Sólidos Solubles .................................................................29 3.6.4 pH .......................................................................................31 3.6.5 Alcoholes ............................................................................31
3.6.5.1 Etanol...........................................................................33 3.6.6 Mecanismos de la Fermentación Alcohólica .......................34
4 DISEÑO Y METODOLOGÍA EXPERIMENTAL.............................38
4.1 Descripción de los Experimentos...........................................38 4.1.1 Pasos del Procedimiento ....................................................38
4.1.1.1 Extracción del micelio a partir de los Bloques inoculados 39 4.1.1.2 Crecimiento del Micelio................................................40 4.1.1.3 Preparación del mosto .................................................40 4.1.1.4 Fermentación ...............................................................42 4.1.1.5 Cuantificación del alcohol etílico ..................................42 4.1.1.6 Caracterización del medio obtenido.............................44
4.2 Descripción de los Equipos ....................................................45 4.2.1 Cabinas de Flujo Laminar ...................................................45 4.2.2 Equipo de esterilización: Autoclave.....................................46 4.2.3 Incubadora ..........................................................................47
4.2.3.1 Control de la temperatura ............................................47
4.3 Diseño Experimental................................................................48 4.3.1 Variables Totales ................................................................48 4.3.2 Variables y Parámetros del Proceso ...................................49
4.3.2.1 Parámetros Fijos..........................................................49 4.3.2.2 Factores del Proceso ...................................................49
4.3.2.2.1 Tipo de Semilla .........................................................49 4.3.2.2.2 Tipo de Fruta utilizado para la elaboración del mosto 50
4.3.3 Diseño Factorial de dos niveles ..........................................50 4.3.4 Análisis Estadístico .............................................................52
4.3.4.1 Modelo Matemático......................................................53
5 CINÉTICA DE LA REACCIÓN ......................................................55
6 ANÁLISIS ECONOMICO PRELIMINAR .......................................57
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6.1 Selección y Dimensionamiento de los Equipos ....................57 6.1.1 Crecimiento del micelio .......................................................58 6.1.2 Preparación del mosto ........................................................58 6.1.3 Pasteurización del mosto ....................................................59 6.1.4 Fermentador .......................................................................60 6.1.5 Planta de Enfriamiento........................................................62 6.1.6 Filtro de Membrana.............................................................63 6.1.7 Tanque de Almacenamiento de vino...................................64 6.1.8 Línea de Embotellamiento ..................................................64 6.1.9 Bomba de Tornillo ...............................................................64 6.1.10 Precio de los Equipos .........................................................65
6.2 Costos de Capital de Inversión...............................................67
6.3 Costos de Producción .............................................................69
6.4 Precio de Venta ........................................................................72
6.5 Valor Presente Neto .................................................................73 6.5.1 Financiación........................................................................74
7 RESULTADOS ..............................................................................76
7.1 Crecimiento del micelio ...........................................................76
7.2 Fermentación............................................................................76
8 ANÁLISIS DE RESULTADOS ......................................................80
8.1 Obtención del micelio ..............................................................80
8.2 Fermentación............................................................................80
8.3 Cinética de la reacción ............................................................82
8.4 Balance de materia ..................................................................83
8.5 Análisis Financiero ..................................................................84
9 CONCLUSIONES..........................................................................87
ANEXO 1. RESULTADOS....................................................................89
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ANEXO 2. ANÁLISIS DE VARIANZA ..................................................92
ANEXO 3. BALANCE DE MATERIA ...................................................95
ANEXO 4. VALOR PRESENTE NETO (VPN)......................................97
BIBLIOGRAFÍA..................................................................................107
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1: Alcoholes más importantes presentes en los vinos. Tomado de
[14]..................................................................................................................32
Tabla 2: Niveles de los Factores............................................................................51
Tabla 3: Orden de los Experimentos......................................................................52
Tabla 4: Cantidades de uva necesarias para cada capacidad...............................61
Tabla 5: Condiciones en la planta de enfriamiento ................................................63
Tabla 6: Parámetros importantes y costos de los equipos para el
proceso de producción de vino a partir de uva ...............................................66
Tabla 7: Parámetros importantes y costos de los equipos para el
proceso de producción de vino a partir de mosto concentrado.......................66
Tabla 8: Costos de capital de inversión a partir de uva .........................................68
Tabla 9: Costos de capital de inversión a partir de mosto concentrado.................69
Tabla 10: Costos de producción para la producción de vino a partir de
uva..................................................................................................................70
Tabla 11: Costos de producción para la producción de vino a partir
mosto concentrado .........................................................................................71
Tabla 12: Costos administrativos para la producción de vino a partir de
uva..................................................................................................................71
Tabla 13: Costos administrativos para la producción de vino a partir
mosto concentrado .........................................................................................72
Tabla 14: Costos de ventas para la producción de vino a partir de uva.................72
Tabla 15: Costos de ventas para la producción de vino a partir mosto
concentrado ....................................................................................................72
Tabla 16: VPN y TIR a partir de mosto concentrado..............................................74
Tabla 17: VPN y TIR a partir de uva ......................................................................75
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Formación de la grapa de conexión. Tomado de [4].............................19
Figura 2: Corte Esquemático de un Hongo de la Clase Basidiomiceto y
orden de los Agaricales Tomado de [3] .........................................................20
Figura 3: Estructura Química del Cloranfenicol. Tomado de [12].........................28
Figura 4: Ruta de obtención de etanol. Tomado de [6] ........................................34
Figura 5: Transformación de ésteres de los azúcares glucosa o
fructosa. ..........................................................................................................35
Tomado de [16].....................................................................................................35
Figura 6: Equilibrio entre triosas. Tomado de [16] ................................................35
Figura 7: Transformación de el 3-fosfogliceraldehído en ácido 3-
fosfoglicérico Tomado de [16].........................................................................36
Figura 8: Transformación ácido 3-fosfoglicérico a ácido 2-fosfoglicérico
.Tomado de [16]..............................................................................................36
Figura 9: Transformación de acetaldehído en etanol .Tomado de [16]................37
Figura 10: Pasos del procedimiento.......................................................................39
Figura 11: Extracción del micelio ...........................................................................40
Figura 13: Variación de la concentración de Azúcar con respecto al
tiempo.............................................................................................................77
Figura 14: Variación de los grados Brix con respecto al tiempo .........................77
Figura 15: Variación de la concentración de alcohol con respecto al
tiempo.............................................................................................................78
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ESTUDIO PRELIMINAR DE LA FACTIBILIDAD DE OBTENCIÓN Y PRODUCCIÓN DE VINO A PARTIR DE LA
FERMENTACIÓN DEL LENTINUS EDODES (HONGO SHIITAKE)
RESUMEN
En este proyecto se presenta un estudio preliminar de la factibilidad de
obtención y producción de vino a partir de la fermentación del Lentinus
edodes (hongo shiitake).
Se realizó un diseño y una metodología experimental que permitió
obtener una serie de resultados que con llevaron a la obtención de vino
utilizando como microorganismo fermentativo el Lentinus edodes .
Para el escalamiento de la planta, se realizó una selección de equipos
básicos, tomando como base los parámetros más importantes que
cumplieran con las especificaciones requeridas de capacidad,
funcionamiento y las ventajas que ofrecían para el proyecto. A partir de
la cinética de la reacción se estableció el tiempo total de la fermentación
y con este el número de corridas posibles durante el año.
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El análisis financiero comprende todo los aspectos que permitieron
determinar el monto de los recursos necesario para la realización y
operación del proyecto a partir de capacidades de producción (24000
lt/año, 120000 lt/año y 240000 lt/año), además de la materia prima
utilizada (mosto de uva concentrado o la uva como fruto). Esto exigió
determinar para cada una de las posibilidades el periodo de evaluación
del proyecto (15 años), el valor de las inversiones, de los ingresos y de
los costos totales, además de un financiamiento del 60% del capital
total de inversión a una tasa de interés del DTF actual mas 5 puntos
(14%).
A partir de este análisis se pudo determinar cual era la opción de
inversión más adecuada y beneficiosa para las personas interesadas en
invertir en el proyecto.
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1 INTRODUCCION
Debido a la necesidad de los cultivadores de Lentinus edodes (hongo
Shiitake) de expandir su mercado en el exterior y de introducir este
alimento, se generó la idea de producir una bebida alcohólica, del tipo
vino, que utilice este hongo como microorganismo fermentativo,
reemplazando a la levadura Sacharomyce cerevisiae la cual ha sido
utilizada tradicionalmente en la producción de bebidas alcohólicas.
En la realización de este proyecto se espera que la bebida obtenida
conserve las características tanto de prevención sobre diferentes
enfermedades como beneficios para la salud humana, asociadas al
hongo.
Este proyecto permite a los productores de Lentinus edodes abrir el
mercado nacional con un producto como el vino, que es una bebida
alcohólica ampliamente difundida y que es mas aceptada culturalmente
dentro de la población que el hongo como tal.
Por otra parte abre el camino a la utilización de diferentes
microorganismos fermentativos como el Lentinus edodes (hongo
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shiitake), el cual podría ser una fuente de desarrollo de nuevos
productos fermentados que posean propiedades funcionales atractivas
para el consumidor.
En la realización de este proyecto se obtuvo un estudio preliminar de la
factibilidad de la obtención y producción de vino a partir de diferentes
capacidades de producción y de diferentes materias primas es decir a
partir de mosto concentrado de uva o a partir del fruto de uva para que
a partir de este se pueda deducir cuales son las condiciones que
generan el proyecto más rentable .
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2 OBJETIVOS
2.1 Objetivos Generales
- Obtener vino a partir de la fermentación del Lentinus edodes (Hongo
Shiitake)
- Determinar la factibilidad de la planta a partir de diferentes
capacidades de producción y de diferentes materias primas
2.2 Objetivos Específicos
- Extraer el micelio del hongo Lentinus edodes
- Llevar a cabo el seguimiento de la fermentación alcohólica en el
Lentinus edodes
- Cuantificar la producción de alcohol etílico obtenido durante la
fermentación alcohólica realizada por el hongo Lentinus edodes
- Determinar la cinética de formación de alcohol etílico
- Dimensionar cada uno de los equipos involucrados en el proceso
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3 MARCO TEÓRICO
3.1 Hongo Shiitake
El nombre Shiitake es tomado del idioma Japonés donde "shii" es un
tipo de árbol donde crece naturalmente y "take" significa hongo.
También se le conoce como "hongo negro del bosque" y "Shiang-gu"
(del chino, hongo con fragancia). El Shiitake es un hongo basidiomiceto
cuyo nombre científico es "Lentinus edodes", descripción en latín a su
forma de lente y "edodes" por comestible. El Shiitake es el más popular
y mejor estudiado de los hongos medicinales y se ha mantenido en el
centro de la investigación desde finales de los años sesenta [14].
3.2 Taxonomía del Hongo
La taxonomía del Lentinus edodes es la clasificación del hongo en el
universo, es decir una forma de codificación para así identificar dentro
de todos los seres vivos. La clasificación actual de los seres vivos se
rige a partir del criterio jerárquico: Reino Mayor, Reino , Filum, Clase,
Orden, Familia, Género y Especie. La Taxonomía del Lentinus edodes
es:
Reino Mayor: Eucariota. Incluye esos organismos cuyas células
contienen nucléolos y organelas membranosas.
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Reino: Hongo. Esta compuesto por organismos eucariontes,
heterótrofos no fotosintéticos, formadores de esporas y que carece de
movimiento (es amastigote) en todas las fases de su ciclo de vida; sus
paredes celulares están formadas de celulosa y/o quitina y absorben su
alimento por digestión enzimática externa.
Filum : Basidomicota. Incluye algunos de los hongos más grandes y
sus miembros se llaman basidiomicetos. Los basidiomicetos producen
esporas en estructuras en formas de bastos llamadas basidios. El
viento lleva estas esporas hasta las plantas. Los basidiomicetos están
constituidos por hifas dicarióticas que suelen presentar fíbulas.
Fíbula o Grapa de Conexión. Son estructura con forma de hebilla o
puente, característica del micelio secundario de los Basidiomicotas.
Sirve para asegurar la dispersión de los dos tipos de núcleos en el
micelio dicariótico.
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a. Célula terminal de la hifa. El crecimiento
solamente toma lugar en los extremos de la hifa. b.
Elongación del extremo de la hifa. c. División
sincronizada del núcleo y el inicio de la rama hifal que
comenzará la grapa de conexión. Un núcleo (b) migra
dentro de la nueva grapa de conexión. d. Se forma
una abrazadera en la base de la grapa de conexión
atrapando el núcleo. El núcleo a´ y b´ migran hacia el
extremo de la hifa, mientras el núcleo a migra hacia afuera. e. La fusión de la grapa de
conexión con la célula adyacente libera el núcleo b hacia la célula adyacente. Ahora el
terminal y el subterminal son binucleados cada uno con un par de núcleos
compatibles
Figura 1: Formación de la grapa de conexión. Tomado de [4]
Clase: Himenomiceta
Orden: Agarical. Comprende setas verdaderas, setas típicas provistas
de laminillas en la cara inferior del sombrero, la mayoría son carnosas y
se descomponen con facilidad.
Familia: Tricholomataceae. Hongos que contienen esporas blancas,
laminillas no separables.
Género: Lentinula
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Especie : Edodes
3.3 Morfología del Hongo Lentinus edodes
En un hongo Lentinus edodes se distinguen las siguientes partes:
Figura 2: Corte Esquemático de un Hongo de la Clase
Basidiomiceto y orden de los Agaricales Tomado de [3]
Sombrero. Es una de las partes fundamentales del hongo. Su medida
en el Lentinus edodes varia entre 5 a 25 cm de diámetro, es de color
café oscuro en el centro A ligeramente más claro en la periferia, con
estriaciones superficiales que dependen de la edad y forma de cultivo.
La superficie del sombrero se encuentra cubierta por escamas
blanquecinas especialmente a lo largo del margen.
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Himenio. Es la parte reproductora del hongo es un tejido muy fino y que
en realidad es un conjunto de elementos fértiles reproductores de
esporas. Está compuesto de láminas de color blanco que se tornan café
cuando son dañadas. Las láminas son blancas, apretadas y de bordes
aserrados.
Pié. El pié es la parte del hongo que sostiene el sombrero, y que
generalmente tiene forma cilíndrica. En él se encuentran una serie de
detalles importantes para la identificación de la especie, como la forma,
la facilidad de separación, la ornamentación, su colocación respecto al
sombrero, su interior y su consistencia. El pie del Lentinus Edodes es
central, corto de color café y se encuentra cubierto de pequeñas
escamas fibrosas.
Anillo o Velo. Es el encargado de proteger el himenio del hongo joven,
que al no haberse desprendido del todo, queda enganchado alrededor
del pié. El Lentinus Edodes posee un anillo efímero blanquecino a
castaño claro.
Micelio. El micelio es la parte vegetativa del hongo, y en realidad el
auténtico hongo. Su misión consiste en tomar del suelo los diversos
compuestos orgánicos para alimentarse. En ocasiones pueden parecer
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falsas raíces. Es de color blanco y llega a tener muchos metros de
longitud.
La producción de hongos comestibles a escala mundial supera los 5,5
millones de toneladas al año. De ellas, el 37,6 por ciento corresponde al
cultivo del champiñón (Agaricus sp.,el más conocido); el 16,8 % al
cultivo del shiitake (Lentinus edodes) y el 16,2% al cultivo del pleuroto
(Pleurotus ostreatus).
El Lentinus edodes contiene proteínas, grasas, carbohidratos, fibras
solubles y aminoácidos esenciales, todos en proporciones
adecuadamente balanceadas y además algunos estudios le atribuyen
propiedades antitumorales y antivirales, así como ser un estimulador
del sistema inmunológico de las personas.
3.4 Beneficios del Lentinus Edodes
Este hongo forma parte de la medicina tradicional oriental, pero
lentamente ha sido adoptado por la medicina occidental, incluido
nuestro país donde ya existen médicos que recomiendan su consumo.
Su acción medicinal se puede resumir así:
- Reduce el colesterol.
- Potencia al sistema inmunológico.
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- Contra la presión arterial alta.
- Afecciones del hígado.
- Gripes y resfriados.
- Induce la formación de interferón.
- Reduce tumores.
Contiene un polisacárido llamado Lentinina que demostró poseer una
llamativa capacidad para combatir el cáncer al activar los linfocitos T y
los macrófagos, haciendo que éstos rodeen y devoren diferentes tipos
de antígenos extraños al organismo, y que ataquen a las células que se
transformaron en cancerosas, y que pueden llegar a inhibir el
crecimiento de ciertos tipos de células tumorales.
Otro polisacárido llamado Eritadenina que demostró una importante
capacidad para prevenir ataques cardíacos y crisis diabéticas, y es
capaz de reducir los niveles del colesterol en sangre, previniendo
trombosis en las arterias al disminuir la agregación plaquetaria y al
regular la presión sanguínea.
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3.5 Cultivo del Hongo Lentinus Edodes
Este hongo degrada y se alimenta de la celulosa y la lignina presente
en la madera. El cultivo se puede realizar en troncos o en sustratos
artificiales.
El cultivo en troncos tiene la ventaja de ser de bajo costo de
implementación pero con producción principalmente estacional,
generalmente en otoño y en primavera, estaciones en las que se dan
las condiciones naturales de temperatura y humedad para que el hongo
fructifique.
El cultivo en sustratos artificiales (aserrines de diferentes maderas)
permite una producción continua pero con un mayor costo de inversión
inicial.
3.5.1 Medio de Cultivo
Un medio de cultivo es una mezcla de diversos nutrientes que en
concentraciones adecuadas permite el crecimiento de microorganismos,
bajo determinadas condiciones físico-químicas. La composición química
de los medios de cultivo es variada pero, de manera general, todos
ellos contienen una fuente de energía (compuesto orgánico o
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inorgánico), una fuente carbonada (algunas veces un mismo compuesto
puede servir de fuente de energía y fuente carbonada), sales minerales,
vitaminas y agua.
3.5.1.1 Estado
Medio Sólido [7]: Es aquel que contiene un agente gelificante. La
dureza del medio depende principalmente de dos factores:
3.5.1.2 pH
Es necesario un pH de 3,5 - 4,0 como mínimo para que el gelificante
actúe; a pH menor de 3,5 el medio se puede licuar. Hay que tener en
cuenta que después del autoclavado el pH baja en promedio medio
punto y que sigue bajando durante el cultivo.
3.5.1.3 Composición química del medio
Algunos gelificantes solidifican en presencia de cationes divalentes, por
lo que si el medio a utilizar es bajo en sales puede resultar conveniente
añadir una cierta concentración de un catión divalente.
Los gelificantes más usados en el cultivo in vitro son:
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3.5.1.3.1 Agar
Posee un agente solidificante (Agar) que es un polisacárido acídico con
elevada masa molecular, tiene la capacidad de hidratarse y formar una
red. Es producido por ciertas algas rojas, se licua completamente a 100
ºC y se gelifica al enfriarse por debajo de 40 ºC y no se degrada con la
luz. Con mínimas excepciones no tiene efecto sobre el crecimiento de
los hongos y no es atacado por aquellos que crecen en él, además no
interactúa con los componentes nutritivos del medio. Se utiliza a una
concentración del 2%. Además contiene:
3.5.1.3.2 Gelrita
Es un heteropolisacárido aniónico natural producido por una bacteria,
que forma geles semejantes al agar. Se puede usar a una
concentración de 0,15-0,30%. Los geles de gelrita son notablemente
más claros que los de agar, y también cuajan más rápidamente.
Medio Líquido: Es aquel en el que la solución de nutrientes y
reguladores no ha sido solidificada por la adición de ningún agente
gelificante.[7]
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3.5.1.4 Antibióticos
A fin de evitar el crecimiento de contaminantes en el cultivo se suele
suplementar éste con sustancias antibióticas de diferente espectro de
acción. La adición de antibióticos ha de ser estrictamente controlada
para evitar efectos nocivos sobre el cultivo.
3.5.1.4.1 Cloranfenicol
Es un antibiótico perteneciente al grupo de los anfenicoles que inhibe la
síntesis proteica. Actúa penetrando en las bacterias y uniéndose a las
estructuras que sintetizan proteínas; de esta forma se inhibe el
crecimiento y el desarrollo de las bacterias.
El cloranfenicol penetra fácilmente a las bacterias, por difusión facilitada
y se une en forma reversible a la subunidad ribosómica 50s (cerca del
sitio de acción de macrólidos y clindamicina, con quienes establece
inhibición competitiva). La consecuencia de la unión del cloranfenicol a
la subunidad 50s es que impide la unión de la porción aminoacil del
aminoacil-ARN de transferencia a su sitio aceptor del ribosoma y, por
ello, se impide la acción de la peptidil transferasa. Se evita, por tanto, la
formación de enlaces peptídicos entre aminoácidos y la
transpeptidación, es decir, los fenómenos de transferencia de la cadena
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terminado dependen principalmente de aquella. Además, dicha
información permitirá al fabricante utilizar el mosto en condiciones
superiores o mejorarlo de modo a obtener la mejor calidad de vino
posible.
3.6.2 Preparación del Mosto
La variación natural de las composiciones de la uva en casi todos los
aspectos es la principal característica de la existencia de diferentes
tipos de vinos que poseen diferentes calidades y características. Una
buena preparación del mosto asegura una excelente calidad en el vino.
El estrujado es el primer paso del proceso que tiene por objeto romper
las bayas y hacer salir el zumo de las uvas. Normalmente el 100% de
las bayas se rompen. Así comienza el contacto del zumo con los
hollejos, la pulpa y las granillas, que influirán en la extracción de estos
componentes de la uva.
3.6.3 Sólidos Solubles
Los sólidos solubles de mostos y vinos se componen principalmente de
azucares. El contenido de sólidos solubles totales del mosto
proporciona una medida de la madurez de las uvas, dando una base
aproximada para calcular el rendimiento en alcohol. Esto es posible
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debido a que alrededor del 90% de los sólidos solubles de un vino esta
compuesto por azucares fermentables.
Los dos métodos mas comunes para determinar el contenido de sólidos
solubles totales son la aerometría y la refractometría. Los areómetros
Brix o Balling comúnmente utilizados por enólogos, están calibrados en
grados que indican gramos de sacarosa por 100 gramos de solución.
Los resultados obtenidos en areómetros calibrados en peso específico
se pueden transformar en grados Brix o Balling.
Los areómetros se calibran a una temperatura determinada,
normalmente a 20ºC. Puesto que la temperatura de medida no es
siempre exactamente la misma es necesario aplicar una corrección.
Un refractómetro es un instrumento óptico preciso, el cual basa su
funcionamiento en el estudio de la refracción de la luz. Este elemento
es utilizado para la medición de grados Brix que contienen las uvas.
Estos grados, por su exactitud, son utilizados en la elaboración de vinos
para saber la cantidad de gramos de azúcar que contiene la uva. Los
gramos deben ser convertidos mediante una tabla de equivalencias.
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3.6.4 pH
El pH es particularmente importante por su efecto sobre los
microorganismos, sobre el color, sobre el sabor, sobre el potencial
redox, y sobre la proporción entre el dióxido de azufre libre y el
combinado. El pH de los mostos para vinos de mesa debe estar en el
rango 5.1 a 5.8.
El pH de un mosto o de un vino se puede medir con un pH-metro, En la
mayoría de l os casos es suficiente una precisión de ±0.03 unidades de
pH.
El pH también se puede determinar colorimétricamente empleando
colorantes orgánicos, Estos sólo sirven para los mostos de color claro y
su precisión es menor que la de los métodos potenciometricos.
3.6.5 Alcoholes
El etanol es el producto mas relevante de la fermentación, este ha sido
estudiado en detalle por su proporción y simplicidad de formación, por
la relativa carencia de toxicidad de los productos de la fermentación, así
como por la estabilidad biológica de los vinos y sus agradables efectos
fisiológicos.
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32
Los vinos contienen junto al etanol, un cierto número de otros mono y
polialcoholes. Tales sustancias se encuentran originalmente en la uva
o se forman en el vino durante la fermentación.
Tabla 1: Alcoholes más importantes presentes en los vinos. Tomado de
[14]
Monoalcoholes Polialcoholes Metanol Glicerina
1-Propanol 2,3-Butanodiol (levo) 1-Butanol 2,3-Butanodiol (meso)
2-Metil-1-Propanol (Alcohol Isobutilico)
1,2,3,4,5,6-Hexanoexol (levo)
3-Metil-1-Butanol (Alcohol Isoamílico)
1,2,3,4,5,6-Hexanoexol (meso)
1-Hexanol 2-Fenil-Etanol (β-Fenetilalcohol)
Los monoalcoholes contenidos en los vinos son líquidos incoloros. Su
movilidad varía desde los que fluyen con gran libertad (metanol) hasta
los muy viscosos (2-fenil-etanol). También varían sus olores: el metanol
es casi inodoro, el 1-propanol tiene un olor dulzón agradable, el n-
butanol posee un olor duro y penetrante y el 2-fenil etanol exhala un
aroma muy pegajoso parecido al de la rosa. Los polialcoholes son mas
viscosos y tienen poco o ningún color.
IQ-2003-2-13
33
3.6.5.1 Etanol
La fermentación alcohólica consiste en la degradación biológica
anaerobia de la glucosa y la fructuosa a alcohol y dióxido de carbono,
además de cierto número de productos secundarios. El proceso no se
diferencia significativamente de la glicólisis, en la cual las células vivas
rompen el glicógeno degradándolo a ácido láctico y proporcionando a la
célula su principal fuente de energía. La diferencia se encuentra en el
substrato de partida y en los productos finales.
H2O CO2
NADH + H+
NAD+
Piruvato descarboxilasa
Alcohol deshidrogenasa
Piruvato Acetaldehído Etanol
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34
La reacción sería:
Glucosa + 2ADP + 2Pi ----------------> 2Etanol + 2ATP
+ 2CO2 Figura 4: Ruta de obtención de etanol. Tomado de [6]
3.6.6 Mecanismos de la Fermentación Alcohólica
La conversión de carbohidratos en etanol requiere la acción de la
enzima alcohol deshidrogenasa producida por el Lentinus edodes, esta
degradación de azúcares por vía glicolítica comprende todo un conjunto
de reacciones que permiten a las células transforman la glucosa en
ácido pirúvico gracias a un importante contenido enzimático [16].
El primer paso es la transformación de ésteres de los azúcares glucosa
o fructosa, mecanismo bioquímico fundamentado en razones
energéticas, ya que las moléculas de fosfato pueden dar con ciertos
radicales orgánicos, enlaces ricos en energía.
Hasta el rompimiento de la molécula de hexosa (fructosa-1-6-difosfato),
en dos triosas isómeras (3-fosfogliceraldehído y fosfodihidroxiacetona),
ha tenido lugar un proceso de fosforilación-isomerización-nueva
fosforilación.
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35
Figura 5: Transformación de ésteres de los azúcares glucosa o fructosa.
Tomado de [16]
Resultantes de la acción catalítica de la aldolasa sobre la fructosa-1-6-
PP, solamente la primera de ellas interviene en las reacciones
siguientes, y el equilibrio entre estas triosas está desplazado
continuamente a su favor.
Figura 6: Equilibrio entre triosas. Tomado de [16]
El 3-fosfogliceraldehído, por acción posterior de la triosafosfato-
deshidrogenosa, se transforma en ácido 3-fosfoglicérico. La reacción
ocurre en dos etapas:
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36
Figura 7: Transformación de el 3-fosfogliceraldehído en ácido 3-fosfoglicérico Tomado
de [16]
El paso de ácido 3-fosfoglicérico a ácido 2-fosfoglicérico, por
transferencia del fosfato del C-3 al C-2 (fosfogliceromutasa), y la
perdida de una molécula de agua de este último, conduce a la
formación de un compuesto rico en energía el ácido fosfoenol pirúvico,
que la piruvatoquinasa transformará en piruvato o eslabón final de la
glicólisis, con un balance energético final de formación de dos
moléculas de ATP.
Figura 8: Transformación ácido 3-fosfoglicérico a ácido 2-fosfoglicérico .Tomado de [16]
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37
Estas reacciones seriadas de degradación de los azúcares hasta ácido
pirúvico constituyen el primera paso de la fermentación alcohólica.
Después el Lentinus edodes actúa sobre el ácido pirúvico
descarboxilandolo (piruvato descaboxilasa, con tiamina como grupo
prostéico), y transformándolo en acetaldehído, que finalmente es
reducido a alcohol, debido a la acción de la enzima alcohol
deshidrogenasa en presencia de NAD reducido.
Figura 9: Transformación de acetaldehído en etanol .Tomado de [16]
IQ-2003-2-13
38
4 DISEÑO Y METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
En este capítulo se mostrará el diseño y la metodología experimental
seguida para el desarrollo del proyecto.
4.1 Descripción de los Experimentos
A continuación se describe la forma como se van a realizar los
experimentos para obtener una bebida que posea las características de
un vino, utilizando como microorganismo fermentativo el Lentinus
edodes (Hongo Shiitake).
4.1.1 Pasos del Procedimiento
El vino se produce a partir de la conversión de carbohidratos a alcohol
etílico, para esto es necesario la acción de la enzima alcohol
deshidrogenasa la cual es producida por el Lentinus edodes.
IQ-2003-2-13
39
Siembra del Lentinus edodes
Inoculación
Crecimiento del micelio
Preparación Mostos
Fermentación
Caracterización del medio obtenido
Cuantificación del alcohol etílico
Cinética de formación del alcohol etílico
Figura 10: Pasos del procedimiento
En primer lugar es necesario que el Lentinus edodes desarrolle ciertas
actividades que le permitan incrementar la actividad de la enzima
alcohol deshidrogenasa:
4.1.1.1 Extracción del micelio a partir de los Bloques inoculados
Se prepara un medio al 2% extracto de malta, 2% agar y antibiótico
0.12% cloranfenicol, se esteriliza por medio de un autoclave a 15 lb de
presión y 121ºC por 15 minutos para asegurar esterilización. Se
siembra el hongo en el medio de cultivo anteriormente preparado y se
realizan los respectivos pases una vez por semana. El cuarto pase se
IQ-2003-2-13
40
realiza a cajas de Petri y a tubos de ensayo. Una vez realizada la fase
de extracción del micelio se procede a realizar el crecimiento de este.
Figura 11: Extracción del micelio
4.1.1.2 Crecimiento del Micelio
El micelio se siembra en un medio de 100ml al 2% de extracto de malta
y se mantiene a 25ºC y 100 r.p.m por dos semanas en condiciones
aeróbicas para asegurar la homogenización del medio. Al cabo de este
tiempo el micelio se recolecta por filtración en un embudo de Buchner.
4.1.1.3 Preparación del mosto
- Se preparan 260 ml en total de mosto a partir de 2 tipos de uva
(Chilena, Nacional), es decir 130ml por cada tipo de uva.
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41
- Se lavan 152 gramos de cada tipo de uva, se les quita la semilla y
se maceran por separado.
- A cada 152 gramos de cada tipo de uva se le agregan 9.0ml de
agua destilada, se realiza la medición de grados Brix iniciales para
establecer la cantidad de azúcar que posee cada una de las
soluciones, se agrega el azúcar necesaria para ajustar la
concentración a un 11% de acuerdo al siguiente análisis:
( )
( ) ( )( )11-100
inicialAzúcar *solución la de Peso11*solución la de PesoX
11 * X)solución la de (Peso X*100 inicialAzúcar *solución la de Peso
−=
+=+
Donde:
Peso de la solución = Uvas + Agua destilada
Azúcar Inicial = Azúcar inicial en el mosto (Grados Brix)
X = Cantidad de azúcar que se debe agregar para alcanzar una
concentración de azúcar al 11%.
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42
El pH se debe ajustar a 5.8 para esto se adiciono bicarbonato de sodio
para así lograr basificar la solución y obtener el pH deseado.
Las soluciones se esterilizan autoclavando a 15 lb de presión y 121ºC
por 15 minutos.
4.1.1.4 Fermentación
Para llevar a cabo la fermentación cada uno de los 130ml obtenidos por
cada tipo de uva en la preparación del mosto se separan en 4
erlenmeyers de 50ml. A cada erlenmeyer se le adiciona 30 ml del mosto
y 2 gramos del micelio obtenido, posteriormente se incuban a 35ºC por
aproximadamente 63 días.
Además se preparan dos muestras blancos de 10 ml por cada tipo de
uva.
4.1.1.5 Cuantificación del alcohol etílico
Para realizar la cuantificación del alcohol etílico transformado a partir de
glucosa por medio de la enzima alcohol deshidrogenasa durante la
fermentación, se lleva a cabo la medición de los azúcares presentes en
el mosto a partir de los grados Brix por medio de un refractómetro. Los
grados Brix obtenidos nos indican la concentración de azúcar en el
mosto y a partir de ésta se puede cuantificar la cantidad de alcohol
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43
producido sabiendo que por cada 17 gramos de azúcar consumido se
produce un grado de alcohol, esto es afirma por:
La transformación de la glucosa por fermentación alcohólica es:
grgrgrgrgrgr
OHCHCHCOOHC
138.920196.88158.180069.46*20098.44*2158.180
22 2326126
+++⎯→⎯
Para expresar la concentración del alcohol en grados de alcohol, es
decir en % en volumen es necesario:
La densidad del alcohol etílico que es de 0,798 g/ml [12] entonces:
ccmlvmlg
OHCHCHdegrv
mvvm
46.11546.115/798.0
138.92 23
==
=
=⎯→⎯=ρ
ρ
Por lo tanto 180.158 gramos de glucosa producen 115.46 cc de alcohol
etílico.
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44
Ya que un grado de alcohol es 1 % en volumen entonces:
180.158 gr de C6H12O6 / 115.46 ml de alcohol = 1.56gr C6H12O6 / ml de
alcohol.
Para obtener un grado alcohólico en un volumen de un litro se requieren
15.6 gr de C6H12O6
Pero debido a que se registran desviaciones fermentativas además que
en la fermentación no se obtiene únicamente una mezcla de etanol-
agua, se estima mas ajustado que son preciso 17gr de glucosa para
producir un grado alcohólico.
4.1.1.6 Caracterización del medio obtenido
Es necesario caracterizar el medio obtenido ya que lo que se espera es
obtener un vino que además de poseer las características básicas de
un vino posea las propiedades benéficas asociadas al hongo. Para
esto es necesario cuantificar lo siguiente:
a. Azucares
b. Polisacáridos (Lectinina, Eritadenina) por medio de una
espectrofotometría de masa
IQ-2003-2-13
45
c. pH
d. Densidad
4.2 Descripción de los Equipos
A continuación se describen los equipos necesarios para llevar a cabo
el desarrollo experimental, estos equipos permiten asegurar la
esterilidad del medio el cual es una factor muy importante en el
desarrollo de este tipo de experimentos.
4.2.1 Cabinas de Flujo Laminar
Su función es mantener un área libre de partículas, especialmente de
posibles contaminantes (bacterias, levaduras, etc) que puedan acceder
al cultivo. Esto se consigue mediante un dispositivo mecánico que forza
el paso del aire a través de un filtro de gran superficie (filtro HEPA)
situado en la pared frontal (flujo horizontal) y que con una eficiencia del
99.999 % retiene las partículas por debajo de un cierto calibre que es
en general de 0.2 µm. El flujo del aire es laminar, sin turbulencias en las
que puedan quedar retenidas partículas contaminantes. El flujo laminar
se asegura tanto por la gran superficie del filtro HEPA como por la
velocidad constante del aire, como por la ausencia de fuentes intensas
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46
de calor (mecheros bunsen) en el interior de las cabinas, generadores
de intensas corrientes de convección.
4.2.2 Equipo de esterilización: Autoclave
La necesidad de asepsia para el cultivo de hongos se extiende no sólo
al medio en que se realiza el trabajo sino muy especialmente a los
elementos en que se realiza el cultivo, a los medios líquidos o sólidos, y
a los instrumentos que puedan entrar en contacto con éste en algún
momento de su manipulación (pipetas, pinzas, tubos, material de
vidrio). Para esterilizar todo el material, se emplea el método de
autoclave, que es uno de los muchos métodos que existen para lograr
la esterilización del medio de cultivo. Un autoclave es un instrumento
que permite la esterilización por calor tanto de sólidos como de líquidos.
La esterilización se realiza habitualmente a 121 ºC, 1 atmósfera de
sobrepresión durante un tiempo de 15 minutos. El proceso completo de
esterilización en un autoclave se compone de tres diferentes fases:
a. Fase de Purgado. A medida que la resistencia calienta el agua del
fondo del calderín, se va produciendo vapor que desplaza el aire,
haciéndolo salir por la válvula de purgado que está abierta. Esta
fase termina cuando se alcanza la temperatura de esterilización.
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47
b. Fase de Esterilización. Una vez cerrada la válvula de purgado y
alcanzada la temperatura de esterilización previamente
seleccionada se inicia el proceso de esterilización.
c. Fase de Descarga. Terminado el proceso de esterilización, la
resistencia calefactora deja de funcionar , con lo que se detiene la
producción de vapor, y la presión y temperatura del calderín
empiezan a bajar poco a poco.
4.2.3 Incubadora
Una incubadora es un cámara diseñada para permitir el control de
algunas variables del ambiente físico. Habitualmente se pueden
controlar la temperatura, la iluminación y el fotoperiodo y en algunos
casos, menos frecuentes, la humedad del aire y su composición.
IQ-2003-2-13
48
dimensionado a fin de conseguir que la temperatura de la zona de
cultivo se mantenga dentro de los límites deseados.
4.3 Diseño Experimental
En este punto es importante estudiar y definir las variables que afectan
el proceso de producción de vino, para lo cual se identifican las
variables más importantes y aquellas que permitan una fácil medición
experimental.
4.3.1 Variables Totales
Las variables totales que están involucrada en el proceso de producción
de Vino a partir del Lentinus edodes son:
- Tipo de Semilla
- Tipo de fruta utilizado para la elaboración del mosto
- Temperatura
- pH
- Agitación
- Concentración de Azúcares
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49
4.3.2 Variables y Parámetros del Proceso
4.3.2.1 Parámetros Fijos
Es necesario fijar algunos parámetros cuyo efecto pueden interferir en
los demás factores de respuesta. Los parámetros que se fijan para la
experimentación son:
- Temperatura
- pH
- Agitación
- Concentración de Azúcares
4.3.2.2 Factores del Proceso
Ya que existe una gran cantidad de variables de proceso que pueden
ser modificadas para llevar a cabo la fermentación se escogieron las
variables significativas de mayor interés:
4.3.2.2.1 Tipo de Semilla
El cultivo del hongo Lentinus edodes se puede hacer a partir de dos
tipos de semilla. Un tipo de Semilla pura llamada Acuña, la cual es
importada directamente del Japón y otro tipo de semilla, la cual no es
pura debido a que esta ha sido replicada en el laboratorio.
IQ-2003-2-13
50
4.3.2.2.2 Tipo de Fruta utilizado para la elaboración del mosto
Para la elaboración del mosto se tenia la opción de decidir entre
varios tipos de fruta como lo son la uva, el durazno y la manzana. La
uva fue la fruta elegida para elaborar el mosto ya que es la fruta
típicamente utilizada en la industria de producción de vinos en el
mundo.
Se escogieron dos variedades de uva. Una uva importada desde
Chile y una uva Colombia cultivada en Villa de Leyva.
4.3.3 Diseño Factorial de dos niveles
El diseño 2k es particularmente útil en las primeras fases del trabajo
experimental, cuando es probable que haya muchos factores por
investigar.
Conlleva el menor número de corridas con las cuales pueden
estudiarse k factores en un diseño factorial completo. Debido a que
sólo hay dos niveles para cada factor, se supone que la respuesta es
aproximadamente lineal en el intervalo de los niveles elegidos de los
factores.
Se especificaron 2 factores cada uno con dos niveles para llevar a
cabo la experimentación.
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51
Factor A: Tipo de Semilla utilizado para la inoculación, ya sea
semilla Acuña o Semilla Replicada
Factor B: Variedad de Uva utilizado para la preparación del mosto,
ya sea Uva Chilena o Uva Nacional.
El diseño experimental quedo establecido como un diseño factorial
de 2 Factores con 2 niveles, dando como resultado 4 corridas, es un
diseño factorial 22, además para estimar la suma de los cuadrados
debida al error puro, se realizó una replica de cada uno de los
experimentos para dar un total de 8 corridas.
Tabla 2: Niveles de los Factores
Factor Nombre Unidad Tipo Nivel
Inferior
Nivel
Superior
A Semilla Tipo Cualitativo A2 A1
B Uva Variedad Cualitativo B2 B1
A1: Semilla Acuña A2: Semilla Replicada
B1: Uva Chilena B2: Uva Colombiana
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Tabla 3: Orden de los Experimentos
Orden Estándar Orden Experimental Bloque Factor Factor
3 1 Block 1 A1 B1
7 2 Block 2 A1 B1
5 3 Block 1 A1 B2
1 4 Block 2 A1 B2
6 5 Block 1 A2 B1
8 6 Block 2 A2 B1
2 7 Block 1 A2 B2
4 8 Block 2 A2 B2
4.3.4 Análisis Estadístico
El análisis estadístico del conjunto de datos se realizo por medio del
software Design Expert® [15], este software permitió cuantificar las
interacciones y los efectos de los factores mediante un análisis de
varianza (ANOVA), además de desarrollar modelos y validación de
hipótesis para los efectos significativos. Los resultados obtenidos se
encuentran en el anexo 2.
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53
La independencia de los errores en los modelos estadísticos usados y
la distribución normal de errores, con media igual a cero (µ=0) y con
desviación sigma (σ), son supuestos necesarios y requeridos para el
tratamiento estadístico, verificados mediante el uso de las gráficas de
residuos estandarizados contra valores ajustados y el uso de las
técnicas disponibles en el caso en el que la distribución tenga una cola
muy pesada, traducida en gráficas de residuos en forma de S [6].
4.3.4.1 Modelo Matemático
ijjijiij eBABAYModelo ++++= µ:
ijY = Respuesta, Grado Alcohólico obtenido
µ = Media general
iA = Tipo de semilla, i=1,2
jB = Variedad de uva, j=1,2
ije = error ≈ N (0,σ)
La hipótesis planteada involucrada a la llamada hipótesis nula, que
depende del modelo de regresión y se refieren a la suposición de
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54
igualdad en los efectos de cada nivel del factor sobre una determinada
respuesta. Las hipótesis planteadas para el diseño experimental son:
Hipótesis nula (Ho) = Todos los factores producen el mismo efecto
sobre el Grado Alcohólico
Hipótesis alterna (Ha) = Al menos un factor no produce el mismo efecto
sobre el Grado Alcohólico
Para evaluar las hipótesis planteadas se escogió un nivel de
significancia del 5% (α=0.05).
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55
5 CINÉTICA DE LA REACCIÓN
El estudio cinético de un proceso fermentativo consiste en el análisis de
la evolución de los valores de las concentraciones de uno o más de los
componentes del sistema de cultivo en este caso la concentración de
C6H12O6, en función del tiempo de fermentación.
En una reacción de primer orden la velocidad de formación de los
productos es directamente proporcional a la concentración del sustrato:
rA = k [A].
En la reacción, la velocidad de formación del alcohol etílico es, en todo
momento, proporcional a la concentración de azúcares presentes en el
mosto. Matemáticamente, donde la concentración de C6H12O6 es la
concentración de azúcares a cada tiempo t y k es la constante de
proporcionalidad.
Expresión diferencial de la velocidad
Ecuación integrada de la velocidad Ln[A] = -kt + Ln[A]0
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56
Representación que da lugar a una recta
Ln[A] vs t
Significado de la pendiente
-k = Constante de proporcionalidad
Significado de la ordenada en el origen
Ln[A]0
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57
6 ANÁLISIS ECONOMICO PRELIMINAR
Con el estudio financiero del proyecto se busca principalmente
determinar si es o no viable, asumiendo vino de excelente calidad,
teniendo en cuenta los indicadores económicos (valor presente neto
(VPN) y la tasa interna de retorno (TIR).
6.1 Selección y Dimensionamiento de los Equipos
En este punto se definirán los criterios y parámetros de diseño
sugeridos para llevar a cabo el proceso de producción de vino a partir
del Lentinus edodes. Se debe tener en cuenta que este es un estudio
preliminar del montaje de una planta vinícola por lo cual el
dimensionamiento de los equipos no se basa en ecuaciones de diseño
detalladas. Además el único proceso realizado experimentalmente es el
proceso de fermentación, por lo tanto para el resto de los procesos
como tratamientos mecánicos, filtrado y embotellado se realiza una
selección de equipos que existen en la industria y que cumpla con los
requerimientos de flujo del proceso.
Para determinar la capacidad de equipos a utilizar se tuvo en cuenta la
capacidad de la planta, el análisis se realiza para tres capacidades de
producción diferentes 24000, 120000 y 240000 litros al año, que
IQ-2003-2-13
58
corresponden al 0.1%, 0.5% y 1% de la producción anual de vino en
Colombia (Corpovinos, 2002). Además se realiza un balance de materia
general de la producción del vino que permite establecer cada una de
las corrientes del proceso.
6.1.1 Crecimiento del micelio
En esta parte se lleva a cabo la etapa de crecimiento del micelio del
hongo Lentinus edodes descrita anteriormente en el numeral 4.1.1.2.
Para lograr este objetivo se requiere de un shaker industrial que posea
la capacidad necesaria para producir una cantidad de 488kg. Y que
permita alcanzar una oscilación de 100 r.p.m ya que este parámetro es
de importancia para asegurar la homogenización del medio sin afectar
el micelio.
En el mercado se encuentra este equipo con una capacidad máxima de
16 lt, el cual posee una capacidad suficiente para producir los gramos
de micelio necesario para la fase de fermentación.
6.1.2 Preparación del mosto
La etapa de preparación del mosto inicia con el recibimiento de la uva y
continua con todas las etapas de tratamiento mecánico necesarias
previas al proceso de fermentación.
IQ-2003-2-13
59
Se requiere de una estrujadora-despalilladora y una prensa neumática
para la obtención del mosto, estos equipos fueron seleccionados a
partir de la capacidad procesamiento.
6.1.3 Pasteurización del mosto
El uso de pasteurización del mosto para vinos permite un control
microbiológico mucho más fino. El mosto se pasa a través de un
intercambiador de placas contra vapor, donde se calienta rápidamente
hasta unos 87ºC durante 30 segundos y posteriormente se enfría hasta
15ºC. Este calentamiento de alta temperatura y corto tiempo conlleva a
una destrucción considerable de los microorganismos en el mosto, así
como de enzimas oxidasas y proteínas no estables al calor.
La característica más importante de los intercambiadores de placas son
los coeficientes globales de transferencia de calor y el área de
transferencia.
Flujo de calor Transferido
Q = mcp∆t = M∆Hvap
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60
Donde:
Q = Flujo de calor, [Kw]
m = Flujo másico, [kg/s]
Cp = Capacidad calorífica del fluido, KJ/kgºC
∆T = Diferencia de temperaturas, ºC
Coeficiente Global de transferencia de Calor
Q = UoAoTsat-Tsalida
Donde:
Uo= Kw/m2*ºC
Ao = Área de transferencia de calor m2
Uo= Coeficiente Global de transferencia de calor
6.1.4 Fermentador
Para seleccionar el criterio de escalamiento debe considerarse el
carácter anaerobio de la fermentación, con lo que se descarta el criterio
más comúnmente utilizado en procesos fermentativos (coeficiente de
transferencia de oxígeno, kLa constante). Los criterios de potencia por
unidad de volumen (P/V) o velocidad en la punta del impulsor (Ni) en
principio no pueden ser utilizados en este proceso fermentativo
IQ-2003-2-13
61
particular debido a que no se tiene este tipo de criterios presentes en el
desarrollo de la fermentación.
Se supone que las condiciones establecidas en el fermentador de
escala menor se cumplen también en el reactor mayor al igual que el
pH, la temperatura, y la viscosidad se fijan y varían de la misma forma
en las dos escalas.
El reactor utilizado para la fermentación es un reactor batch, su diseño
se basa en el cálculo del volumen el cual se obtiene a partir del tiempo
de residencia necesario para llevar a cabo la fermentación el cual es
calculado a partir de la cinética de la reacción.
Tabla 4: Cantidades de uva necesarias para cada capacidad
24000 lt/año 120000lt/año 240000 lt/año Cantidad de uva a
vinificar/anualmente 7320.40134 Kg
uva/año 36602.067 kg/
uva/año 73204.0134 Kg
uva/año Cantidad de uva a
vinificar/corrida 36602.0067 kg
uva/corrida 183010.033 kg
uva/corrida 366020.067 kg
uva/corrida Tiempo de
Fermentación 67 días 67 días 67 días
Debido a que el tiempo de fermentación es muy extenso solo se pueden
realizar 5 corridas al año.
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62
El volumen ocupado por la uva tras ser despalillada y estrujada verifica
la siguiente relación obtenida experimentalmente.
vinomlmostomlUvaKg 2330077.35 ⎯→⎯⎯→⎯
VD = (πD2H/4) = VC(1.2)
H = 2D
D = (2*1.2*(VC/π))1/3
Donde:
VC = Capacidad requerida = Volumen ocupado por el mosto + volumen
ocupado por el Lentinus edodes
VD = Volumen de diseño
D= Diámetro del tanque
H = Altura del tanque
6.1.5 Planta de Enfriamiento
Se calcula un equipo de enfriamiento para cubrir la potencia requerida
para los volúmenes por corrida necesarios.
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63
Por cada grado de alcohol que se produce en la fermentación, se
desprenden 1.3 kcal/l = 5.439195 kJ/l
Tabla 5: Condiciones en la planta de enfriamiento
Grado alcohólico del vino a obtener 10º G.L. Horas de trabajo del compresor al día
18 h.
Días de fermentación por tanque 67días. T1entrada 35 ºC. T2 salida 18ºC. ∆T 17 ºC.
Q1 = m*Cp*(∆T) = kJ/s
Q2 = (V*ºGL*1.3)/tiempo = kJ/s
QT = Q1 +Q2 = KW
Donde:
Q1: Calor necesario para enfriar.
Q2: Calor desprendido en la fermentación.
6.1.6 Filtro de Membrana
Los filtros de membrana son los utilizados y recomendados para la
industria de vinificación. Las dimensiones de poro mas utilizada para la
filtración del vino es de 1.2 µm. Las membranas detienen en su
IQ-2003-2-13
64
superficie todas las partículas de un aumento superior al diámetro de
poro. La presión recomendada es de 3-5 bar.
6.1.7 Tanque de Almacenamiento de vino
La capacidad del tanque de almacenamiento de vino se estima a partir
de cada corrida de fermentación. Para cada una de las posibles
capacidades de producción existe un volumen de tanque necesario
para almacenar el vino producido y obtenido después del filtrado.
6.1.8 Línea de Embotellamiento
Esta parte del proceso esta compuesta por los equipos de
embotellamiento, encorchadora, esterilizadora de botellas,
etiqueteadora y encapsuladora. Para esta parte del proceso se
selecciona un solo equipo que realiza todas estas operaciones, y que
cumple con la capacidad requerida de la planta de producción.
6.1.9 Bomba de Tornillo
La capacidad de bombeo, en términos de caudal, es definida de modo
general por el diámetro del tornillo y la velocidad de retención. La
potencia necesaria es calculada por la fórmula general utilizada en
bombas centrífugas.
IQ-2003-2-13
65
Q * Hest
P = —————
75* N
Donde:
P = Potencia absorbida en H.P. Q = Caudal de bombeo L/s. Hest = Altura estática de elevación. N = Rendimiento (65 a 70 %)
6.1.10 Precio de los Equipos
El costo total de los equipos es suministrado por diferentes empresas
especializadas, estas cotizaciones son elaboradas bajo las
especificaciones propuestas de acuerdo con las necesidades de cada
equipo. La información presentada por lo fabricantes es comparado y
se selecciona así aquella que otorga mayores beneficios.
IQ-2003-2-13
66
Tabla 6: Parámetros importantes y costos de los equipos para el proceso de producción de vino a partir de uva
Tabla 7: Parámetros importantes y costos de los equipos para el proceso de producción de vino a partir de mosto
concentrado
EQUIPO PARAMETROS GENERALES COSTO COSTO COSTO24000 Lt/año 120000 Lt/año 240000 Lt/año
Tanque de Dilución D = 1,76 m D = 3,5 m D = 4,41 mH = 3,52 m H = 7 m H = 8,82 mVD = 7109 lt VD =56179,9 lt VD = 112359 lt
Intercambiador de Placas A = 4,8 m2 $135.145,00 A = 24 m2 $384.707,35 A = 48 m2 $603.670,54 Industrias Jara LtdaD = 1,59 m D = 2,72199982809362 m V = 3,42950488122538 mH = 3,18 m H = 5,44399965618725 m H = 6,85900976245077 mVD = 6336 lt V = 31680 lt V = 63360 lt
Tanque de Almacenamiento VD =5760 lt $1.476,05 V = 28800 lt $3.408,52 V =57600 lt $4.887,67 ALMATANQUESPlanta de enfriamiento P =31,7 KW $4.414,20 P =63,6 KW $6.940,82 P =127,1 KW $10.885,74 Industrias Jara Ltda
Capacidad de trabajo 2250 lts/h Capacidad de trabajo 4500 lts/h Capacidad de trabajo 9000 lts/hArea = 0,8 m2 Area = 1,6 m2 Area = 3,2 m2
Bomba Helicoidal P = 9,97 W $5.775,04 P = 15 W $5.921,68 P = 23,3 W $6.514,32 INDUSTRIAS VIABomba Centrifuga P = 6,3 W $387,24 P = 12 W $588,68 P = 18,5 W $779,96 TPILinea de embotellado Velocidad 1200botellas/hora $31.647,50 Velocidad 1200botellas/hora $31.647,50 Velocidad 1200botellas/hora $31.647,50 INDUSTRIAS VIAIntrumentos de laboratorio $3.700,00 $3.700,00 $3.700,00 (balanza, refractómetro, vidiería)
$1.434,23 $4.202,04 $6.025,51
Millipore
Almatanques$3.408,53
$107,00 $152,00
IQ-2003-2-13
67
6.2 Costos de Capital de Inversión
Se realiza el análisis económico-financiero, es decir un análisis de factibilidad que
permitirá reflejar el costo general del proyecto, los ingresos y gastos totales de
operación, así como la estimación económica de la situación futura de la empresa.
El método utilizado es el factor de Lang [18] el cual permite obtener un orden de
magnitud en la estimación de inversiones y establece el costo de una planta
industrial multiplicando el costo del equipo básico por un factor. Este método es
una aproximación preliminar (+/-15 y - 30%).
En la siguientes tablas se resume el costo total de capital de inversión necesarios
para cada una de las posibles capacidades a producir a partir de uva y de mosto
concentrado.
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68
Tabla 8: Costos de capital de inversión a partir de uva
Cant. Equipo Costo (US$) Costo (US$) Costo (US$) 24000 Lt/año 120000 Lt/año 240000 Lt/año
1Estrujadora-despalilladora $556,74 $5.701,61 $6.734,591Prensa neumática $3.678,50 $10.260,80 $15.334,541Intercambiador de Placas $135.145,00 $384.707,35 $603.670,541Tanque de Fermentación $1.350,90 $3.408,53 $4.473,241Tanque de Almacenamiento $1.476,05 $3.408,52 $4.887,671Planta de enfriamiento $4.414,20 $6.940,82 $10.885,741Filtro de membrana $107,00 $152,00 $210,005Bombas Helicoidal $28.875,20 $5.921,68 $6.514,322Bomba Centrifuga $774,48 $588,68 $779,961Línea de Embotellado $31.647,50 $31.647,50 $31.647,50
Instrumentos de laboratorio (balanza, refractómetro, vidriería) $3.700,00 $3.700,00 $3.700,00
Costo de capital (Cp) $211.725,58 $456.437,50 $688.838,11 Costos con entrega $241.367,16 $520.338,75 $785.275,44 Costo equipos instalados $345.155,03 $744.084,41 $1.122.943,88 Tubería $86.288,76 $186.021,10 $280.735,97 Instrumentación $41.418,60 $89.290,13 $134.753,27 Edificios y site development $120.804,26 $260.429,54 $393.030,36 Servicios $345.155,03 $744.084,41 $1.122.943,88 Outside lines $17.257,75 $37.204,22 $56.147,19 Costo físico total CFT $1.409.172,18 $3.037.890,05 $4.584.668,10 Ingeniería y construcción $49.321,03 $106.326,15 $160.463,38 Contingencias $422.751,65 $911.367,02 $1.375.400,43 Factor de tamaño $211.375,83 $455.683,51 $687.700,22 Total de Capital Fijo $2.092.620,69 $4.511.266,73 $6.808.232,13 Capital de trabajo $313.893,10 $676.690,01 $1.021.234,82 Total de capital de inversión $2.406.513,79 $5.187.956,74 $7.829.466,95
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69
Tabla 9: Costos de capital de inversión a partir de mosto concentrado
Cant. Equipo Costo (US$) Costo (US$) Costo (US$) 24000 Lt/año 120000 Lt/año 240000 Lt/año
1Tanque de Dilución $1.434,23 $4.202,04 $6.025,511Intercambiador de Placas $135.145,00 $384.707,35 $603.670,54
1Tanque de Fermentación $1.350,90 $3.408,53 $4.473,241Tanque de Almacenamiento $1.476,05 $3.408,52 $4.887,671Planta de enfriamiento $4.414,20 $6.940,82 $10.885,741Filtro de membrana $107,00 $152,00 $210,00
5Bombas Helicoidal $28.875,20 $5.921,68 $6.514,322Bomba Centrifuga $774,48 $588,68 $779,961Línea de Embotellado $31.647,50 $31.647,50 $31.647,50
Instrumentos de laboratorio (balanza, refractómetro, vidriería) $3.700,00 $3.700,00 $3.700,00
Costo de capital (Cp) $208.924,56 $444.677,12 $672.794,49 Costos con entrega $238.174,00 $506.931,92 $766.985,71 Costo equipos instalados $340.588,82 $724.912,65 $1.096.789,57 Tubería $85.147,21 $181.228,16 $274.197,39 Instrumentación $40.870,66 $86.989,52 $131.614,75 Edificios y site development $119.206,09 $253.719,43 $383.876,35 Servicios $340.588,82 $724.912,65 $1.096.789,57 Outside lines $17.029,44 $36.245,63 $54.839,48 Costo físico total CFT $1.390.529,61 $2.959.617,07 $4.477.887,32 Ingeniería y construcción $48.668,54 $103.586,60 $156.726,06 Contingencias $417.158,88 $887.885,12 $1.343.366,19 Factor de tamaño $208.579,44 $443.942,56 $671.683,10 Total de Capital Fijo $2.064.936,46 $4.395.031,35 $6.649.662,66 Capital de trabajo $309.740,47 $659.254,70 $997.449,40 Total de capital de inversión $2.374.676,93 $5.054.286,05 $7.647.112,06
6.3 Costos de Producción
Los costos de producción involucran los costos de materia prima como son la uva
o mosto concentrado, el hongo Lentinus edodes, el bicarbonato de sodio, además
de los costos de ventas los cuales son las materias necesarias para la entrega del
producto final es decir botellas, etiquetas, corchos y cajas. También están
IQ-2003-2-13
70
involucrados los costos de servicios, los costos de manos de obra, costos
administrativos y costos de venta. El cálculo de la cantidad necesaria por
tonelada de producto fue calculado a partir del balance de materia realizado para
el proceso el cual se puede observar en el anexo 3.
A continuación se relacionan los costos de producción por tonelada de producto a
partir de uva o mosto concentrado.
Tabla 10: Costos de producción para la producción de vino a partir de uva
Costos de materia prima (CRM)Cantidad / ton producto Costo/unidad (US$)
Insumo Uva (kg) 1564,188 $2 Hongo Lentinus edodes (kg) 10,43 $5,314 Bicarbonato de sodio (g) 66,89 $0,035 Botellas de 750 cc 1368,00 $0,142 Etiquetas 1368,00 $0,039 Corchos 1368,00 $0,039 Cajas de 12 botellas 114,00 $0,354 Costo de Servicios (CUT) Electricidad (kW/h) 6,8 $0,092 Agua (m3) 12,11 $0,007
Vapor (lb) 2440 $0,004 Costo de mano de obra (COL) Horas-hombre 24000 l/año 120000 l/año 240000 l/año
119,6 23.93 11.96
$3,00
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71
Tabla 11: Costos de producción para la producción de vino a partir mosto
concentrado
Costos de materia prima (CRM)Cantidad / ton prod Costo/unidad (US$)
Insumo 24000 Lt/año Mosto Concentrado (Kg) 535,117 $0,205Hongo Lentinus edodes (kg) 2,97 $6,377
Bicarbonato de sodio (g) 66,89 $0,035Extracto de Malta (kg) 7,43 $3,467Agua 847,98 $0,007Botellas de 750cc 1368,00 $0,142
Etiquetas 1368,00 $0,039Corchos 1368,00 $0,039Cajas de 12 botellas 114,00 $0,354
Costo de Servicios (CUT) Electricidad (kW/h) 6,8 $0,092Agua (m3) 12,11196581 $0,007Vapor (lb) 2440 $0,004Costo de mano de obra (COL)
Horas-hombre
119,6 23,92 11,96
$3,00
Tabla 12: Costos administrativos para la producción de vino a partir de uva
Costo Administrativos / año (US$)
Costo Administrativos / año (US$)
Costo Administrativos / año (US$)
24000 Lt/año 120000 Lt/año 240000 Lt/año $20.319,664 $42.088,100 $62.760,167
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72
Tabla 13: Costos administrativos para la producción de vino a partir mosto
concentrado
Costo Administrativos / año (US$)
Costo Administrativos / año (US$)
Costo Administrativos / año (US$)
24000 Lt/año 120000 Lt/año 240000 Lt/año $20.070,506 $41.041,360 $61.333,042
Tabla 14: Costos de ventas para la producción de vino a partir de uva
Costo Ventas / año (US$) Costo Ventas / año (US$) Costo Ventas / año (US$) 24000 Lt/año 120000 Lt/año 240000 Lt/año
$11.960,891 $30.773,861 $50.948,512
Tabla 15: Costos de ventas para la producción de vino a partir mosto concentrado
Costo Ventas / año (US$) Costo Ventas / año (US$) Costo Ventas / año (US$) 24000 Lt/año 120000 Lt/año 240000 Lt/año
$10.175,854 $21.950,557 $33.642,194
6.4 Precio de Venta
En el mercado de Bogotá se encuentran vinos cuyos precios fluctúan de acuerdo a
su procedencia ya sea un producto nacional o importado.
En cuanto a la oferta nacional los precios están determinados por las
características de elaboración del producto y la marca del mismo, estos precios
varían entre US$3.5 y US$40.
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73
Para la fijación del precio de venta del vino producido se tuvieron en cuenta los
siguientes factores:
- Los precios de los productos de la competencia (vinos elaborados y/o
envasados en el país o importados).
- Costos de producción y distribución del vino.
El precio de venta escogido a partir de los anteriores factores fue de US$10.
6.5 Valor Presente Neto
El valor presente neto de un proyecto (VPN), es el valor monetario que resulta de
la diferencia entre el valor presente de todos los ingresos y el valor presente de
todos los egresos calculados en el flujo de caja del proyecto, estableciendo una
tasa de interés de oportunidad (TIO) para este. En este proyecto se trabajó con
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74
6.5.1 Financiación
En la búsqueda y definición del financiamiento del proyecto se tomó como
alternativa el acudir a fuentes externas de financiamiento, las cuales están
constituidas por intermediarios financieros o inversionistas.
Condiciones de la Financiación
Monto del Crédito: 60% del total del capital de inversión.
Tasa de interés: 14% efectiva anual
Amortización : Mensual
Años de Gracia: 1
Plazo de pago: 10 años
A partir de estas condiciones se calculó el VPN para cada una de las diferentes
producciones posibles además de las opciones de materia prima inicial con mosto
concentrado o con a partir del fruto de uva. En la figura 11 se presentan los
resultados obtenidos de la evaluación económica.
Tabla 16: VPN y TIR a partir de mosto concentrado
Capacidad Lt/año VPN TIR TIO 24000 -1834688,706 11,1% 15,0%
120000 24198996,29 40,1% 15,0%240000 60303382,65 51,3% 15,0%
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Tabla 17: VPN y TIR a partir de uva
Capacidad Lt/año VPN TIR TIO 24000 -4395439,012 -1,1% 15,0%
120000 11522346,6 29,3% 15,0%240000 35349979,82 39,1% 15,0%
Evaluacion del VPN con respecto a la capacidad de producción
-10000000
0
10000000
20000000
30000000
40000000
50000000
60000000
70000000
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000
Capacidad de Producción (l/año)
VP
N (U
S$) A partir de
Uva
A partir deMostoConcentrado
Figura 12: Evaluación del Valor Presente neto (VPN)
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7 RESULTADOS
7.1 Crecimiento del micelio
De los 0.2 gr de micelio de Lentinus edodes que coloco a crecer en el las cajas
de Petri para su obtención purificado se obtuvieron aproximadamente 1 gr por
cada tipo de semilla, luego este micelio purificado se repartió en 16 erlenmeyers
para su crecimiento en el shaker, de cada gramo que se adiciono por cada semilla,
después de la filtración se obtuvieron aproximadamente 20 gr por cada tipo de
semilla (semilla acuña y semilla replicada).
7.2 Fermentación
A continuación se presentan los resultados obtenidos a partir de la fermentación
llevada a cabo por el hongo Lentinus edodes. Los resultados obtenidos fueron los
grados Brix, el índice de refracción, la concentración de azúcar por litro y los
grados de alcohol obtenidos (Anexo 1). Este último parámetro es el más
importante del proyecto ya que nos permite establecer si la bebida obtenida se
puede considerar o no un vino, en Colombia un vino posee entre 10 y 13ºG.L.
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77
Variación de la Concentración de Azúcar con respecto al Tiempo
0,00000
50,00000
100,00000
150,00000
200,00000
250,00000
0 10 20 30 40 50 60 70
Tiempo (dias)
[C6H
12O
6] (g
/L)
(B1,A1) (B1,A2) (B2,A1) (B2,A2)
Figura 13: Variación de la concentración de Azúcar con respecto al tiempo
Variación de los Grados Brix con respecto al Tiempo
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50 60 70
Tiempo (dias)
Gra
dos
Brix (B2,A1)
(B1,A1) (B1,A2) (B2,A2)
Figura 14: Variación de los grados Brix con respecto al tiempo
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78
Variación de la Concentración de Alcohol con Respecto al Tiempo
-2
0
2
4
6
8
10
12
0 10 20 30 40 50 60 70
Tiempo (dias)
Gra
dos
de A
lcoh
ol (
ºG.L
)
(B1,A1) ºG.L(B1,A2) ºG.L(B2,A1) ºG.L(B2,A2) ºG.L
Figura 15: Variación de la concentración de alcohol con respecto al tiempo
A partir de los resultados obtenidos se pudo establecer que la reacción de
fermentación llevada a cabo es una reacción de primer orden, es decir que la
velocidad de formación del etanol es directamente proporcional a la concentración
de azúcar inicial en el mosto. -rAo = k [C6H12O6]o.
Ecuación diferencial de la velocidad
[ ] [ ]61266126 * OHCk
dtOHCd
=−
Donde:
k = Constante de proporcionalidad
t = tiempo de reacción
El tiempo total de reacción es de 67 días.
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79
Ecuación integrada de la velocidad
Ln [C6H12O6] = -kt + Ln [C6H12O6]o
Ln [C6H12O6] = -0.0341t + 5.4534
Donde -0.0341 gr de C6H12O6 es la constante de proporcionalidad y 5.4354 gr de
C6H12O6 / Lt, el Ln de la concentración inicial de glucosa presente en el mosto.
Velocidad de Reacción Inicial
-rA= k [C6H12O6] -rAo= k [C6H12O6]o
-rAo= 0.0341 *200.98
-rAo = 6.85 gr de C6H12O6 / Lt/días
Cinetica de la Reaccióny = -0,0341x + 5,4534
R2 = 0,9758
0
1
2
3
4
5
6
0 10 20 30 40 50 60 70
Tiempo (dias)
Ln [C
6H12
O6]
(B1,A1) Lineal ((B1,A1) )
Figura 16: Cinética de la reacción
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80
8 ANÁLISIS DE RESULTADOS
8.1 Obtención del micelio
Se puede observar que la metodología utilizada para la obtención del
micelio fue la adecuada ya que se obtuvo un micelio purificado de
excelente calidad, además el rendimiento de crecimiento del micelio del
hongo Lentinus edodes es del 20%, ya que por cada gramo de micelio
purificado que se coloca a crecer en el shaker, después de dos
semenas a 25 ºC y 100 RPM se obtienen 20gr de micelio en total.
8.2 Fermentación
Después de realizar un ANOVA a partir de los resultados (Anexo 2)
obtenidos se puede observa que el factor que posee significancia sobre
la variable de respuesta es la variedad de uva. De las dos variedades
de uva escogida la chilena y la colombiana, la uva chilena poseía una
cantidad de azúcar inicial mucho mayor que la de la uva colombiana por
lo que se obtuvo mayor concentración de alcohol al final en la bebida
obtenida a partir de esta uva.
El análisis de varianza también muestra que el factor A (tipo de semilla)
no posee una significancia considerable sobre la variable de respuesta,
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81
es decir no importa que tipo de semilla de hongo Lentinus edodes se
utilice como microorganismo fermentativo por que al final de la
fermentación se va a producir un cantidad similar de grados de alcohol.
Por esto es mucho mejor utilizar la semilla replicada ya que es más
barata que la semilla pura la cual habría que importarla desde Japón y
su costo sería mucho mayor que el de la semilla replicada.
Con los resultados obtenidos se puede observar que la bebida obtenida
a partir de la uva colombiana después de la fermentación solamente
alcanzo aproximadamente 6 ºG.L, lo que indica que esta bebida no
puede considerarse un vino ya que el grado alcohólico en un vino varia
entre 10 y 13 ºGL. Por esta razón no se realizó un escalamiento
industrial para la producción de vino a partir de uva colombiana
solamente se realizo para uva chilena.
Los grados de alcohol mas altos obtenidos a partir de la fermentación
fueron de 10.14 ºG.L, y fueron de la interacción entre los factores B1A1
(semilla acuña - uva chilena).
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82
8.3 Cinética de la reacción
También se pudo calcular la cinética de la reacción y a partir de esta
deducir que la reacción de fermentación llevada a cabo es una reacción
de primer orden, ya que la concentración final de alcohol etílico
depende únicamente de la concentración inicial de azúcares presentes
en el mosto, además se calculó el tiempo total de fermentación que es
de 67 días similar al dato obtenido experimentalmente que fue de 63
días. La ecuación integrada de la velocidad obtenida fue:
Ln [C6H12O6] = -0.0341t + 5.4534
Donde -0.0341 gr de C6H12O6 es la constante de proporcionalidad y
5.4354 gr de C6H12O6 / Lt, el Ln de la concentración inicial de glucosa
presente en el mosto.
Esta concentración inicial es la obtenida a partir de la combinación de
los factores B1A1 (Uva Chilena-Semilla pura), ya que es la interacción
que posee la que mayor concentración de azúcares debido a que la uva
chilena contiene grandes cantidades de glucosa y azucares reducibles.
A partir de esta concentración inicial de azúcar se obtuvo la velocidad
inicial de la reacción la cual fue:
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83
-rAo = 6.85 gr de C6H12O6 / Lt/días
y que indica la velocidad a la cual inicia la reacción, hay que tener en
cuenta que esta velocidad es proporcional a la cantidad de glucosa
presente en el mosto, por lo tanto esta velocidad va disminuyendo a
través del tiempo de fermentación debido a que la concentración de
azúcar va disminuyendo ya que esta se esta transformando en alcohol
etílico por medio de la enzima alcohol deshidrogenasa que se
encuentra presente en el hongo Lentinus edodes.
8.4 Balance de materia
El balance de materia se obtuvo a partir de los datos experimentales
(Anexo 3), el rendimiento total del proceso a partir de uva fue de
63.93% y el rendimiento del proceso a partir de mosto concentrado fue
de 68.42%. En las etapas de estrujado, despalillado y prensado se
ocasiona una disminución de la cantidad inicial de la materia prima por
los palillos y semillas eliminados de las uvas, esta perdida es de
aproximadamente un 5%, en la etapa de prensado las perdidas por
orujos son de 1.64 % y en la fermentación la transformación de glucosa
a alcohol etílico genera una perdida por la producción de dióxido de
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carbono la cual es de 5.35%, pero en la etapa donde más se tienen
perdidas es en la etapa de filtración donde se retiene todo el hongo
Lentinus edodes agregado para llevar a cabo el proceso fermentativo, la
torta obtenida del filtrado es del 32%.
8.5 Análisis Financiero
Para realizar el análisis del proyecto se tuvieron en cuenta dos variables
la capacidad de producción de la planta y la materia prima inicial (mosto
concentrado de uva o la uva como fruto). Las variables de la materia
prima indican un cambio en lo equipos utilizados para el proceso, es
decir se tienen que eliminar los equipos implicados en procesamiento
mecánico de la uva por un equipo de dilución del mosto, lo que muestra
un variación en el valor de los costos de capital de inversión inicial
afectando directamente la rentabilidad del proyecto.
La tasa interna de retorno (TIR) es la tasa de interés que produce un
VPN igual a cero e indica la rentabilidad que produce el dinero que
permanece invertido en el proyecto, indicando la capacidad que tiene
de producir utilidades. De este modo comparando la tasa interna de
retorno con la tasa de oportunidad (TIO), y observando que la TIR es
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85
mayor en el proyecto frente a la tasa de oportunidad, se puede decir
que este el proyecto es factible financieramente.
Se obtuvieron los valores presentes netos para cada uno de los
proyectos evaluados (anexo 4) y se encontró que el proyecto más
rentable es el de producción de 120000 lt/año de vino a partir de mosto
concentrado el cual genera una TIR del 40.1%, evaluado a una TIO del
15% donde se obtiene una recuperación de capital en el año 6, aunque
la producción de vino a partir de uva para una capacidad de 120000
lt/año también es factible pero genera una TIR del 29.3% la cual es
mas baja y la recuperación de capital se da en el año 9.
La producción de vino para capacidades de 24000 lt/año no es rentable
para ninguna de las dos opciones de materia prima (mosto concentrado
o la uva como fruto) ya que con estos proyectos se obtiene una TIR
menor a la TIO lo cual indica que el proyecto no genera utilidades
durante el tiempo de vida del proyecto.
Para las capacidades de 240000 lt/año el proyecto es totalmente
rentable generando una TIR del 50% a partir de mosto concentrado y
una TIR de 39.1% a partir de uva como fruto) ,aunque estas
capacidades de producción son altas para una empresa que esta
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86
introduciendo un nuevo producto al mercado, no se descarta la
posibilidad de llegar a esta capacidad de producción ya que el mercado
de las bebidas alcohólicas ofrece posibilidades para la incursión de
nuevos productos debido a que existe una demanda con tendencia al
aumento. Sin embargo, es importante tener en cuenta la competencia
presentada por los diversos oferentes de vinos y licores.
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87
9 CONCLUSIONES
- El factor significativo en el diseño experimental es la variedad de
Uva.
- La concentración máxima de Alcohol obtenida fue de 10.15% vol.
para las condiciones de Uva chilena y semilla Pura.
- A partir de la uva colombiana no se obtuvo suficientes grados de
Alcohol para considerar la bebida un vino.
- El grado de pureza de la semilla del Hongo Lentinus edodes no
afecta significativamente los grados de alcohol por lo que se
recomiendo utilizar la semilla replicada y no la semilla pura.
- A partir de la cinética de la reacción se pudo obtener que la reacción
es de primer orden, el tiempo total de fermentación el cual fue 67
días y la velocidad de reacción inicial -rAo = 6.85 gr de C6H12O6 /
Lt/días
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88
- El dimensionamiento de los equipos depende principalmente de la
capacidad de producción.
- La rentabilidad del proyecto se ve afectada por 2 variables:
Capacidad: > 32000 lt/año con mosto
>50000 lt/año con fruto
- La capacidad recomendada de la planta es de 120000 lt/año
utilizando como materia prima mosto concentrado y como
microorganismo fermentativo semilla replicada de Lentinus edodes.
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90
Tabla 18: Concentración de Azúcar (kg/l) Tiempo (días) (B1, A1) (B1, A1) (B1, A2) (B1, A2) (B2, A1) (B2, A1) (B2, A2) (B2, A2) Blanco 1 Blanco 2
0 200,98125 200,98125 200,98125 200,98125 115,40206 115,40206 115,40206 115,40206 200,98125 115,402064 183,93612 183,93612 189,59773 182,80621 115,40206 115,40206 115,40206 115,40206 200,98125 115,402068 178,29461 178,29461 178,29461 178,29461 113,24274 113,24274 112,16429 113,24274 200,98125 115,4020614 147,07360 144,86765 139,36684 147,07360 62,38386 72,82670 75,97523 77,02635 200,98125 115,4020622 128,42552 126,24690 128,42552 128,42552 54,08748 54,08748 55,12171 57,19259 200,98125 115,4020628 95,01837 96,08396 100,35436 100,35436 42,76397 41,73938 41,73938 42,76397 200,98125 115,4020635 84,40669 84,40669 79,13100 83,34994 28,49293 28,49293 28,49293 28,49293 200,98125 115,4020642 62,38386 62,38386 62,38386 61,34400 17,39052 17,39052 18,39581 17,39052 200,98125 115,4020649 42,76397 41,73938 41,73938 42,76397 12,37613 12,37613 11,37566 12,37613 200,98125 115,4020656 31,53774 31,53774 33,57164 32,55429 7,38184 7,38184 8,37909 7,38184 200,98125 115,4020663 23,43432 24,44443 24,44443 25,45535 6,38539 6,38539 7,38184 7,38184 200,98125 115,40206
Tabla 19: Grado Alcohólico (%V) Tiempo (días) (B1, A1) (B1, A1) (B1, A2) (B1, A2) (B2, A1) (B2, A1) (B2, A2) (B2, A2) Blanco 1 Blanco 2
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0,97401 0,97401 0,65049 1,03857 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0 0 8 1,29638 1,29638 1,29638 1,29638 0,12339 0,12339 0,18502 0,12339 0 0 14 3,08044 3,20649 3,52082 3,08044 3,02961 2,43288 2,25296 2,19290 0 0 22 4,14604 4,27053 4,14604 4,14604 3,50369 3,50369 3,44459 3,32626 0 0 28 6,05502 5,99413 5,75011 5,75011 4,15075 4,20930 4,20930 4,15075 0 0 35 6,66140 6,66140 6,96287 6,72179 4,96624 4,96624 4,96624 4,96624 0 0 42 7,91985 7,91985 7,91985 7,97927 5,60066 5,60066 5,54321 5,60066 0 0 49 9,04099 9,09954 9,09954 9,04099 5,88720 5,88720 5,94437 5,88720 0 0 56 9,68249 9,68249 9,56626 9,62440 6,17258 6,17258 6,11560 6,17258 0 0 63 10,14554 10,08782 10,08782 10,03005 6,22952 6,22952 6,17258 6,17258 0 0
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Ln [C6H12O6] Tiempo
(días) (B1, A1) (B1, A1) (B1, A2) (B1, A2) (B2, A1) (B2, A1) (B2, A2) (B2, A2)
0 5,30321161 5,30321161 5,30321161 5,30321161 4,74842222 4,74842222 4,74842222 4,74842222
4 5,21458851 5,21458851 5,24490461 5,20842662 4,74842222 4,74842222 4,74842222 4,74842222
8 5,18343728 5,18343728 5,18343728 5,18343728 4,72953367 4,72953367 4,71996465 4,72953367
14 4,99093314 4,97582055 4,93710958 4,99093314 4,13330662 4,28808267 4,33040739 4,34414757
22 4,85534911 4,83823953 4,85534911 4,85534911 3,9906027 3,9906027 4,00954369 4,04642438
28 4,55407022 4,56522237 4,6087075 4,6087075 3,75569588 3,7314451 3,7314451 3,75569588
35 4,43564664 4,43564664 4,37110468 4,42304791 3,34965592 3,34965592 3,34965592 3,34965592
42 4,13330662 4,13330662 4,13330662 4,11649737 2,85592512 2,85592512 2,91212281 2,85592512
49 3,75569588 3,7314451 3,7314451 3,75569588 2,51576946 2,51576946 2,43147616 2,51576946
56 3,45118499 3,45118499 3,5136816 3,4829091 1,99902266 1,99902266 2,12573908 1,99902266
63 3,15420153 3,19640246 3,19640246 3,23692594 1,85401288 1,85401288 1,99902266 1,99902266
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ANEXO 2. ANÁLISIS DE VARIANZA
El análisis estadístico de los datos se realizo por medio del software Design
Expert.
Response: Grado Alcohólico ANOVA for Selected Factorial Model Analysis of variance table [Partial sum of squares] Sum of Mean F Source Squares DF Square Value Prob > F Block 0,0018 1 0,0018 Model 30,2714 3 10,0904667 16817,4444 < 0.0001
A 0,0072 1 0,0072 12 0.0504 No significativo
B 30,2642 1 30,2642 50440,3333 < 0.0001 Significativo
AB 0 1 0 0 1.0000 No significativo
Residual 0,0018 3 0,0006 Cor Total 30,275 7
La significancia de los términos del modelo es evaluada a partir del valor de Prob >
F, para valores menores que 0.05 el termino es significativo.
En este caso el único termino significativo es el B que corresponde al Factor de
variedad de uva.
Std. Dev. 0,024494897 R-Squared 0,99994054 Mean 8,145 Adj R-Squared 0,99988108 C.V. 0,300735389 Pred R-Squared 0,99957718 PRESS 0,0128 Adeq Precision 205,526316
La predicción del R2 es de 0.9996 el cual es acorde al R2 ajustado de 0.9999.
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Coefficient Standard 95% CI 95% CI Factor Estimate DF Error Low High VIF Intercept 8,145 1 0,008660254 8,11743918 8,17256082 Block 1 0,015 1 Block 2 -0,015 A-Semilla 0,03 1 0,008660254 0,00243918 0,05756082 1 B-Uva 1,945 1 0,008660254 1,91743918 1,97256082 1 AB 0 1 0,008660254 -0,027560820,02756082 1
La ecuación lineal de las interacciones es la siguiente:
Grado Alcohólico = 8.145+ 0.03*A + 0.945*B + 0 A*B
Verificación de la distribución normal de los residuales
DESIGN-EXPERT PlotGrado Alcohólico
Studentized Residuals
Norm
al %
Prob
abilit
y
Normal Plot of Residuals
-1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00
1
5
10
2030
50
7080
90
95
99
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DESIGN-EXPERT PlotGrado Alcohólico
A: SemillaB: Uv a
Half Normal plot
Half N
ormal
% pr
obab
ility
|Effect|
0.00 0.97 1.94 2.92 3.89
0
20
40
60
70
8085
90
95
97
99
A
B
AB
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ANEXO 3. BALANCE DE MATERIA El balance de materia se obtuvo a partir de la capacidad de producción de la
planta, y de los rendimientos obtenidos a nivel de laboratorio.
Balance de Materia del vino a partir de mosto concentrado
OPERACIÓN ENTRADAS SALIDAS PERDIDAS
Materia (Kg) Cantidad Materia
(Kg) Cantidad Materia
(Kg) Cantidad
Dilución Mosto Concentrado 12522,3Mosto 34201,47323
Agua 21679,2 Esterilizado Mosto 34201,5Mosto 34201,47323
Fermentación Mosto 34201,5Vino mas Hongo 34458,92559
Dióxido de Carbono 1829,59406
Hongo Lentinus edodes 2087,05
Filtración Vino mas Hongo 34458,9Vino 23400 11058,9256
Enfriado Vino 23400Vino 23400 Almacenamiento Vino 23400Vino 23400 Envasado Vino 23400Vino 23400 209350 196461,872 12888,5197 Perdidas en las corrientes por dióxido de carbono 5,35% por filtración 32% Rendimiento total de la vendimia 68,42%
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Balance de Materia del vino a partir de uva
OPERACIÓN ENTRADAS SALIDAS PERDIDAS
Materia Cantidad
(Kg) Materia Cantidad
(Kg) Materia (Kg) Cantidad (Kg)
Despalillado y Estrujado Uva 36602,007Pasta 34771,906
Palillos y semillas 1830,1
Prensado Pasta 34771,906Mosto 34201,473Orujos 570,4331Esterilizado Mosto 34201,473Mosto 34201,473
Fermentación Mosto 34201,473Vino mas Hongo 34458,926
Dióxido de Carbono 1829,594
Hongo Lentinus edodes 2087,0464
Filtración Vino mas Hongo 34458,926Vino 23400 11058,93
Enfriado Vino 23400Vino 23400 Almacenamiento Vino 23400Vino 23400 Envasado Vino 23400Vino 23400 246522,83 231233,78 15289,05 Perdidas en las corrientes
Por eliminación de palillos y semillas 5,00% Por orujos 1,64% Por dióxido de carbono 5,35% Por filtración 32% Rendimiento total de la vendimia 63,93%
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ANEXO 4. VALOR PRESENTE NETO (VPN)
A continuación se presentan los diferentes Valores Presentes Netos (VPN) a partir
de las diferentes capacidades de producción y a partir de las diferentes materias
primas (mosto concentrado de uva o fruto de uva).
Evaluación del VPN a través del tipo para una capacidad de 24000 lt/año a partir
de mosto de uva concentrado
Valor Presente Neto del proyecto a traves del tiempo
-4.000.000
-3.500.000
-3.000.000
-2.500.000
-2.000.000
-1.500.000
-1.000.000
-500.000
00 5 10 15 20
Tiempo (años)
VP
N
VPN AÑO -2.374.677 0
$ -3.739.755,03 1 $ -3.722.063,08 2 $ -3.736.296,08 3 $ -3.756.307,10 4 $ -3.764.464,67 5 $ -3.749.553,67 6 $ -3.705.128,87 7 $ -3.628.230,78 8 $ -3.518.390,67 9 $ -3.376.865,52 10 $ -3.206.055,31 11 $ -2.987.410,62 12 $ -2.732.299,12 13 $ -2.450.162,19 14 $ -2.148.812,81 15 $ -1.834.688,71 16
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Evaluación del VPN a través del tipo para una capacidad de 120000 lt/año a partir
de mosto de uva concentrado
Valor Presente Neto del proyecto a traves del tiempo
-10.000.000
-5.000.000
0
5.000.000
10.000.000
15.000.000
20.000.000
25.000.000
30.000.000
0 5 10 15 20
Tiempo (años)
VP
N
Evaluación del VPN a través del tipo para una capacidad de 240000 lt/año a partir
de mosto de uva concentrado
Valor Presente Neto del proyecto a traves del tiempo
-20.000.000
-10.000.000
0
10.000.000
20.000.000
30.000.000
40.000.000
50.000.000
60.000.000
70.000.000
0 5 10 15 20
Tiempo (años)
VP
N
VPN AÑO -5.054.286 0
$ -7.194.518,38 1 $ -5.783.402,51 2 $ -4.223.915,15 3 $ -2.516.709,93 4 $ -670.896,75 5 $ 1.298.932,32 6 $ 3.374.936,17 7 $ 5.537.676,30 8 $ 7.767.314,83 9 $ 10.044.461,05 10 $ 12.350.747,80 11 $ 14.715.289,48 12 $ 17.105.939,30 13 $ 19.496.659,81 14 $ 21.866.546,03 15 $ 24.198.996,29 16
VPN AÑO -7.647.112 0
$ -10.240.301,40 1 $ -6.947.646,42 2 $ -3.248.095,99 3 $ 809.879,99 4 $ 5.173.171,28 5 $ 9.787.267,27 6 $ 14.598.563,40 7 $ 19.555.947,78 8 $ 24.611.838,09 9 $ 29.722.803,02 10 $ 34.849.874,36 11 $ 40.028.362,51 12 $ 45.202.925,91 13 $ 50.329.160,77 14 $ 55.371.833,70 15 $ 60.303.382,65 16
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Evaluación del VPN a través del tipo para una capacidad de 24000 lt/año a partir
de uva
Valor Presente Neto del proyecto a traves del tiempo
-6.000.000
-5.000.000
-4.000.000
-3.000.000
-2.000.000
-1.000.000
00 5 10 15 20
Tiempo (años)
VP
N
Evaluación del VPN a través del tipo para una capacidad de 120000 lt/año a partir
de uva
Valor Presente Neto del proyecto a traves del tiempo
-10.000.000
-5.000.000
0
5.000.000
10.000.000
15.000.000
0 5 10 15 20
Tiempo (años)
VP
N
VPN AÑO -2.406.514 0
$ -3.858.901,22 1 $ -3.964.832,56 2 $ -4.122.679,07 3 $ -4.300.849,91 4 $ -4.477.259,12 5 $ -4.637.063,11 6 $ -4.770.876,87 7 $ -4.873.374,68 8 $ -4.942.198,38 9 $ -4.977.111,41 10 $ -4.979.348,10 11 $ -4.929.174,04 12 $ -4.837.391,29 13 $ -4.713.031,48 14 $ -4.563.626,51 15 $ -4.395.439,01 16
VPN AÑO -5.187.957 0
$ -7.747.337,95 1 $ -6.949.626,20 2 $ -6.102.153,67 3 $ -5.178.901,72 4 $ -4.167.115,03 5 $ -3.063.540,72 6 $ -1.871.533,38 7 $ -598.846,93 8 $ 744.031,10 9 $ 2.145.119,14 10 $ 3.591.847,97 11 $ 5.119.014,61 12 $ 6.697.390,24 13 $ 8.303.064,56 14 $ 9.916.605,69 15 $ 11.522.346,60 16
IQ-2003-2-13
100
Evaluación del VPN a través del tipo para una capacidad de 240000 lt/año a partir
de uva
Valor Presente Neto del proyecto a traves del tiempo
-20.000.000
-10.000.000
0
10.000.000
20.000.000
30.000.000
40.000.000
0 5 10 15 20
Tiempo (años)
VP
N
VPN AÑO -7.829.467 0
$ -11.203.001,55 1 $ -9.121.457,86 2 $ -6.826.522,86 3 $ -4.314.927,90 4 $ -1.597.238,92 5 $ 1.306.864,21 6 $ 4.372.143,69 7 $ 7.570.444,59 8 $ 10.872.620,57 9 $ 14.249.904,69 10 $ 17.674.852,79 11 $ 21.193.353,28 12 $ 24.756.212,80 13 $ 28.323.549,09 14 $ 31.863.303,71 15 $ 35.349.979,82 16
IQ-2003-2-13
101
Evaluación económica para 24000 lt/año a partir de mosto concentrado
IQ-2003-2-13
102
Evaluación económica para 120000 lt/año a partir de mosto concentrado
IQ-2003-2-13
103
Evaluación económica para 240000 lt/año a partir de mosto concentrado
IQ-2003-2-13
104
Evaluación económica para 24000 lt/año a partir de uva
IQ-2003-2-13
105
Evaluación económica para 120000 lt/año a partir de uva
IQ-2003-2-13
106
Evaluación económica para 240000 lt/año a partir de uva
IQ-2003-2-13
107
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