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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA

FACULTAD DE INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

DETERMINACION DEL GRADO DE CONVERSION GLOBAL DEL JUGO DEPIÑA EN ETANOL POR MEDIO DE LA FERMENTACION ALCOHÓLICA

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO(PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO QUÍMICO)

Realizado por:

Br. Fernández A. Briceida C. C.I: 19.256.994 Br. Gómez S. Maite V. C.I: 20.084.637

Tutor Académico:Ing. José R. Ferrer

Tutor Industrial:Ing. Marisela Rincón

Maracaibo, 2011

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“ DETERMINACION DEL GRADO DE CONVERSION GLOBAL DEL JUGO DEPIÑA EN ETANOL POR MEDIO DE LA FERMENTACION ALCOHÓLICA”

____________________

Fernández A. Briceida C.C.I: V-19.256.994

[email protected]

____________________Tutor Académico

Ing. José R. Ferrer

____________________

Gómez S. Maite V.C.I: V-20.084.637

[email protected]

____________________Tutor Industrial

Ing. Marisela Rincón

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VEREDICTO

Nosotros Profesores: _______________________________,

_______________________________, y _______________________________,

designados como Jurado Examinador del Trabajo Especial de Grado,

“ DETERMINACION DEL GRADO DE CONVERSION GLOBAL DEL JUGO DE

PIÑA EN ETANOL POR MEDIO DE LA FERMENTACION ALCOHOLICA” .

Presentado por las Bachilleres: Fernández A., Briceida C., C.I: 19.256.994 y

Gómez S., Maite V., C.I: 20.084.637, nos hemos reunido para revisar dicho

trabajo y después del interrogatorio correspondiente, lo hemos aprobado con

_________________________ de acuerdo con las normas vigentes aprobadas

por el Consejo Académico de la Universidad Rafael Urdaneta, para la Evaluación

de los Trabajos Especiales de Grado para optar al Título de Ingeniero Químico.

En fe de lo cual firmamos, en Maracaibo, a los ___ días del mes de Abril de 2011.

____________________Ing. José R. Ferrer

C.I.: 3.924.460Tutor Académico

____________________

Prof.:C.I.:Jurado Evaluador

____________________Ing. Marisela Rincón

C.I.: 5.108.422Tutor Industrial

____________________

Prof.:C.I.:Jurado Evaluador

____________________

Ing. Nelson MoleroC.I.: 3.648.161

Director de la Escuela de IngenieríaQuímica

____________________Ing. Oscar Urdaneta

C.I.: 4.520.200Decano de la Facultad de Ingeniería

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DEDICATORIA

A mis padres, por todo su apoyo y amor incondicional, por alentarme a seguir

adelante en los momentos de duda y por estar en todo momento.

A mis abuelos, Carmen y César, que, a pesar de los problemas y las

diferencias, siempre se han mostrado amorosos y dispuestos a ofrecer todo por su

familia.

A mis hermanos, Anny y César D., los cuales siempre están dispuestos a pelearpor cualquier cosa pero de igual modo para apoyarme y alentarme aun sin decir

palabra alguna.

A mis primos, Carlos, César J. y Carmen, los cuales he visto crecer, crecer y

seguir creciendo. Gracias por su cariño y todos los buenos momentos. Por sus

palabras de aliento y afecto en los momentos en que pude necesitarlas.

A mi tía, Soraya, la cual es una persona que las palabras no bastarían para

describirla. Con sus bromas, sus ganas de salir adelante cada día y su espíritu

siempre nos alienta a llegar más lejos. Gracias por ese amor y esa confianza.

A mi amigo, Josué R., por estar tanto para los buenos momentos como para los

malos; por su amistad incondicional; por saber decir lo que necesito oír y callar

cuando he estado cansada de las palabras de otros. Porque su apoyo, amistad y

compañía durante tantos años son algunas de las cosas más valiosas que me ha

ofrecido.

A mis amigas Sandra y Gaby, porque son únicas. Me han demostrado que aun

en los momentos mas difíciles se puede salir adelante. Son dos de las mujeres

mas fuertes y admirables que conozco y siempre tienen una sonrisa para

ofrecerme.

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A mis amigos José, Manuel y Luis Montoya por su ayuda a lo largo de la carrera(especialmente en Operaciones Unitarias 2). Por estar presentes en muchos

pequeños logros. Por los regaños, las peleas, las risas y todas esas pequeñas

cosas que suelen marcar diferencias.

Y gracias a todas esas personas que, aunque no nombre, han estado en

buenos y malos momentos, en los tristes y los felices. Gracias por todo lo que me

han ofrecido pues de no ser así quizás no seria la persona que soy hoy.

Briceida C. Fernández A.

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DEDICATORIA

Dedico primeramente este trabajo al único digno de recibir toda la gloria y la

honra, a ti mi señor Jesús. Gracias por ese amor inmerecido, porque a pesar de

mis fallas tú siempre has estado junto a mí y me has sostenido. Gracias señor

porque en los momentos que sentí que mis fuerzas se agotaban tu las renovaste y

no me permitiste caer, porque cuando vi cerrar una puerta tú te encargaste de

abrir mil frente a mí, pero por sobre todo gracias porque me sacaste en victoria de

cada una de las pruebas y momentos difíciles que hasta ahora he vivido. A ti tededico este logro.

A mis padres por su amor, comprensión y apoyo; por ser mi ejemplo a seguir,

siempre estaré agradecida con Dios por darme la dicha y el orgullo de tener unos

padres como ustedes. A ti mami, por ser esa mujer maravillosa que ha sido capaz

de dejar tantas cosas por dedicarse a que seamos felices, por tu amor, dulzura,

responsabilidad y por sobre todo porque por una decisión que hace muchos años

tomaste la promesa de Dios me alcanzo. Te AMO.

A ti papi, que aunque me abandonaste hace tres años en mi corazón y en mi

día a día siempre estarás presente. Gracias papi por ese amor, esa entrega y esas

ganas de luchar que siempre ante cualquier situación tuviste, te amo con todo mi

corazón al igual que a mami. Y estaré siempre agradecida con Dios por brindarme

no unos padres, sino unos ángeles.

A mis hermanas, Marlin y María por ser un ejemplo a seguir, por ser hermanas,

amigas y por sobre todo otras madres. Las amo y definitivamente ustedes tuvieron

mucho que ver para que hoy vea alcanzada esta meta. A Jatniel por ser tan buen

cuñado y a ti Luis mil gracias por todo tu cariño y apoyo, por ser mi hermanito

mayor. Te quiero un mundo.

A ti Jav por tu amor, compañía, amistad y apoyo, por ser siempre esa persona

que aunque lejos físicamente siempre sentí junto a mí, por tus palabras de ánimo

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en todo momento y tus regaños de vez en cuando, gracias porque absolutamentetodos los momentos vividos junto a ti siempre los llevare en mi corazón. Te amo.

A Marquito, Tita y Mirla por su apoyo y amor sin esperar nada a cambio. A mis

abuelos por que todos los momentos que viví junto a ustedes llenaron mi corazón

de felicidad. Siempre los voy a recordar y estaré orgullosa de poder llevar sus

apellidos.

A toda mi extensa familia de una u otra forma tienen que ver en quien soy hoy

en día, muy especialmente a una personita que llego para llenarnos de felicidad y

orgullo a todos, Luis Ale, te amo.

A mis compañeros y amigos de residencia que se convirtieron en mi familia

sustituta, que me apoyaron y fueron mi compañía en momentos buenos y malos, a

ti Eury, Emily, Yisselle, Aldín Ángel, Emanuel, Rebe, Yose, Robert, Kleismar,

Enelio, Rodolfo y a todos aquellos que no pude nombrar pero están en mi corazón.

A mis amigos especiales José, Andrea, Luis, Briceida, Mariana y Gaby, por sermás que amigos, por ser mis hermanos. Hey los amo a todos y a ti Manuel en

especial gracias por ser esa persona que me sostuvo y que me acepto siempre tal

cual era, con mis manías y locuras muy especialmente para ti va dedicado este

triunfo.

Es difícil poder nombrar a tantas personas, pero los que faltaron saben quiénes

son y que de una u otra forma han sido una pieza fundamental de este

rompecabezas. A Deivi, Arraiol, Giannina, Jony, Manuel R, Mafer ,Elaida A todosmil gracias.

Maite V. Gómez S.

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AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a la Universidad del Zulia, específicamente al Laboratorio de

Tecnología de Alimentos y Fermentación de la Facultad de Ingeniería por

permitirnos utilizar sus instalaciones y equipos además de su ayuda para la

realización de la fase principal de los experimentos de este trabajo de grado.

Al Ing. José R. Ferrer, nuestro tutor académico, por su apoyo incondicional

durante este trabajo, ya que sin ello no hubiera sido posible su realización.

A la Ing. Marisela Rincón, nuestra tutora industrial, no solo por su asesoría

y ayuda al momento de realizar los experimentos sino también por su paciencia.

En usted pudimos ver una verdadera profesional, de esas que ya poco se

consiguen, que logro mezclar todos sus conocimientos con simpatía, amabilidad y

sonrisas. De corazón infinitas Gracias

Al Ing. Albert Zavala por asesorarnos y ser una pieza fundamental en larealización de esta investigación.

Y finalmente pero sin restarle importancia a un grupo de profesores de la

Universidad Rafael Urdaneta quienes día a día se encargaron de transmitirnos sus

conocimientos de una forma única. En ustedes pudimos ver reflejadas las

características más importantes en un ser humano, humildad, comprensión,

apoyo, dedicación, constancia, amabilidad y sobre todo esas ganas de hacer de

nosotros una mejor persona cada día. Siempre sentiremos el orgullo de, en unfuturo, decir que fuimos sus alumnas. Un millón de gracias profesores: Sara

Maggiolo, José R. Ferrer, Humberto Martínez,Villalobos. Y muy especialmente

Oscar Urdaneta.

.

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RESUMEN

Fernández A., Briceida C.; Gómez S., Maite V. “Determinación del grado deconversión global del jugo de piña en etanol por medio de la fermentaciónalcohólica”. Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Químico.Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de IngenieríaQuímica. Maracaibo, Venezuela, 2011.

El presente estudio tuvo como propósito la determinación del grado de

conversión global del jugo de piña en etanol por medio de la fermentaciónalcohólica, el cual se llevo a cabo a través de una investigación de tipo descriptiva-experimental. En la caracterización físico química realizada al jugo de piña seestudio el pH, utilizando un pH-metro; contenido de azucares totales por el métodode Dubois; azucares reductores utilizando el método DNS y ºBrix por medio de lautilización de un refractómetro. Previo a la fermentación se realizo el contaje decélulas usando la cámara de Neubauer. Por su parte, la fermentación alcohólicase llevo a cabo utilizando la levadura Saccharomyces Cerevisiae del géneroempleado para la producción de pan. Este proceso se realizó por triplicado enenvases plásticos de 20 litros cada uno, con un volumen de trabajo de 6 litros auna temperatura de 29ºC, para un crecimiento óptimo de esta levadura. Luego de

culminada la fermentación, se realizó la caracterización físico química de lamezcla utilizando un Cromatografo de gases para posteriormente ser separadapor medio de destilación simple en un rota- vapor Buchi. Los resultados obtenidospara los experimentos fueron: pH promedio de 4,03; ºBrix promedio de 11,6; unvalor de 46,75% p/p para el contenido de azucares totales y de 28,52% p/p paralos azucares reductores y 1,81x108 UFCl/mL para el contaje de células. Luego deculminada la fermentación se obtuvo una concentración de etanol de 43.724,20mg/L y un promedio de etanol obtenido por destilación simple de 28,67 ml porcada 500 ml de mezcla, lo que nos indica que el etanol obtenido fue mayor alesperado por la cromatografía. Finalmente se obtiene una conversión promedio5,73%

Palabras clave: fermentación alcohólica, etanol, piña, conversión, levaduras, rotavapor.

[email protected] ; [email protected]

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ABSTRACT

Fernández A., Briceida C., Gómez S., Maite V. “Determination of theconversion degree of pineapple juice trough alcoholic fermentation”.Bachelor Thesis for the Degree of Chemical Engineer. Rafael Urdaneta University.Engineering Faculty. School of Chemical Engineering. Maracaibo, Venezuela,2011.

The purpose of this study is determining the conversion degree of pineapple juiceinto ethanol through alcoholic fermentation, which was carried out through adescriptive-experimental research. In the physic chemical characterization made tothe pineapple juice was study pH, using a pH-meter; total sugar content by theDubois method; reducing sugar using DNS method and °Brix through the use of arefract meter. Previous to the fermentation was made cell counting usingNeuberger chamber. For its part, the alcoholic fermentation was conducted usingyeast Saccharomyces cerevisiae genus used for production of bread. This process

was carried out in triplicate on 20 liters plastic packaging each one, with 6 liters ofwork volume at 29°C of temperature, for an optimum growth of this yeast. Afterculminated fermentation, was made the mixture physic chemical characterizationusing a gas chromatograph to later be separated by simple distillation in a Buchirota-vapor. The results gotten to the experiments were: average pH 4,03; average°Brix 11,6; a value of 46,74% w/w to the total sugar content and 28,52% w/w toreducing sugar and 1,81x108 UFC/mL to cell counting. Once finished fermentationwas obteined an ethanol concentration of 43.724,20 mg/L and an average ofethanol obteined by simple distillation of 28,67 ml per each 500 mL of mixture,which indicates ethanol obteined was more than expected by chromatography.

Finally was got an average conversion of 5.73% .

Key words: alcoholic fermentation, ethanol, pineapple, conversion, yeast, rota-vapor.

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INTRODUCCION

Con el paso de los años se ha observado un crecimiento bastante acelerado

de la población a nivel mundial, lo que trajo consigo, un aumento en las exigencias

de la misma en cuanto a tecnología se refiere.

Este aumento de la población en los últimos años y la incesante búsqueda por

parte del ser humano de un estilo de vida, lleno de tecnología y comodidades ha

conllevado a la explotación indiscriminada de los recursos naturales no renovables

como lo es el petróleo.

Es por ello que a nivel mundial surge la idea de trabajar en fuentes de energía

alternas, las cuales permitan no solo satisfacer las necesidades del ser humano

complementando los recursos ya existentes, sino que también permitan tener una

garantía por si llegara a agotarse el petróleo.

Por este motivo el etanol ha adquirido un gran valor a nivel mundial, debido a

su uso como combustible, bien sea solo o mezclado con la gasolina, además el

etanol representa un combustible de mejor calidad y mucho más limpio.

Por otro lado, el etanol es una fuente de energía renovable ya que se puedeobtener no solo por hidratación del etileno sino también a partir de frutas o

productos que contengan un alto contenido de azucares.

Las técnicas actuales de producción de etanol a partir de cereales y caña de

azúcar presentan el problema de la seguridad alimentaria. De igual forma, la

producción de etanol carburante por medio de estas materias primas no ha llenado

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las expectativas con respecto a la disminución de gases invernaderos y deaumento en la producción de energía con respecto a la gastada. Es por ello que

se está trabajando a nivel mundial en la búsqueda de nuevas frutas o productos

que permitan obtener dicho combustible sin la necesidad de representar una

amenaza para la alimentación del ser humano

Venezuela se ha interesado bastante en este tema y en los últimos años ha

empezado una búsqueda de nuevas alternativas en la producción de etanol, para

liberar de algún modo los otros rubros que ya están siendo explotados.

La piña podría ser uno de estas alternativas puesto a que es una fruta que

aunque es consumida por muchos, debido al agradable sabor y vitaminas que

posee, es de menos importancia en la alimentación del ser humano como lo es el

maíz. Es por ello que surge la necesidad de realizar esta investigación, con la

finalidad de determinar que conversión se obtiene de jugo de piña en etanol

utilizando la fermentación alcohólica como proceso de producción.

Para la realización de este experimento resulta necesario la realización de una

serie de análisis o caracterizaciones previas al proceso de fermentación como lo

son ºBrix, pH y contenido de azucares totales y reductores, los cuales nos

indicaran si la fruta cuenta con los requerimientos mínimos necesarios para la

obtención del biocombustible.

Luego de conocer si la fruta cuenta con los niveles de azucares necesarios se

procede a realizar el proceso de fermentación alcohólica, el cual una vez finalizado

y realizando una serie de experimentos que más adelante se describirán en detalle

nos permitirá determinar que tan eficiente resulta la producción de etanol

utilizando la piña como materia prima.

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INDICE GENERAL

Capítulo I. El problema. 19

1.1 – Planteamiento del Problema. 21

1.2 – Formulación del Problema. 21

1.3 – Objetivos 21

1.3.1 – Objetivo general. 21

1.3.2 – Objetivos específicos. 211.4 – Justificación de la investigación. 21

1.5 – Delimitación de la investigación. 23

1.5.1- Espacial. 23

1.5.2 – Temporal. 23

Capítulo II. Marco teórico. 24

2.1 – Antecedentes. 24

2.2 – Bases teóricas. 25

2.2.1 – El etanol. 25

2.2.2 – La piña. 26

2.2.2.1 – Composición de la piña. 27

2.2.2.2 – Tipos de piña. 28

2.2.2.3 – Importancia de la piña. 29

2.2.2.4 – Aplicaciones de la piña. 30

2.2.3 – Fermentación. 31

2.2.3.1 – Materias primas. 322.2.3.2 – Variables de la fermentación y sus efectos sobre el proceso 32

2.2.3.3 – Tipos de fermentación. 34

2.2.3.4 – Efectos inhibidores del etanol. 37

2.2.4 – Carbohidratos. 37

2.2.4.1 – Metabolismo de los carbohidratos. 38

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2.2.5 – Levaduras. 382.2.6 – Contaje de células. 41

2.2.7 – Enzimas. 43

2.2.7.1 – Aplicaciones de las enzimas. 44

2.2.7.2 – Inhibición y activación. 44

2.2.8 – pH. 45

2.2.9 – Grados Brix. 46

2.2.9.1 – Uso. 47

2.2.10 – Filtración. 48

2.2.10.1 – Métodos de Filtración. 48

2.2.10.2 – Filtración centrifuga. 49

2.2.11 – Cromatografía. 50

2.2.12 – Destilación. 52

2.2.12.1 – Tipos de destilación. 52

2.3. – Definición de términos básicos 56

Capitu lo III. Marco teórico. 623.1 – Tipo de investigación. 62

3.2 – Diseño de la Investigación. 63

3.3 – Técnicas de recolección de Información. 64

3.3.1 – Observación directa. 64

3.3.2 – Observación documental. 64

3.4 – Instrumentos de recolección de información. 65

3.5 – Fases de la investigación. 68

Capitulo IV. Análisis y discus ión de resultados. 75

4.1 – Caracterización físico-química del jugo de piña 75

4.2 – Realización de la fermentación alcohólica del jugo de piña. 77

4.3 – Caracterización físico-química de la mezcla obtenida. 78

4.4 – Separación del etanol presente en la mezcla por destilación. 79

4.5 – Determinación de la conversión global de jugo de piña a etanol. 80

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Conclusiones. 81Recomendaciones. 82

Bibliografía. 83

Referencias de Internet 85

Anexos. 87

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INDICE DE FIGURASFigura.

1 Levadura Saccharomyces Cerevisiae en su forma comercial,

vista desde microscopio

41

2 Regractómetro 47

3 Centrífuga. 50

4 Preparación del mosto. 88

5 Envase donde se realizo la fermentación alcohólica. 88

6 Muestras para medir azucares totales. 89

7 Equipo para el contaje de células 89

8 Espectrofotómetro 90

9 Cromatógrafo Agilent Technologies 6890N de gases 90

10 Rota Vapor Buchi 91

11 Destilación en el rota-vapor Buchi 91

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INDICE DE GRAFICAS.

Grafica.

1 Comportamiento de ° Brix durante el proceso de fermentación. 78

2 Curva de Calibración de Azucares Totales 92

3 Curva de Calibración de Azucares Reductores 92

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INDICE DE TABLAS.

Tabla.

1 Composición general de la piña fresca madura. De la Cruz y

García.

28

2 Principales países productores de piña. De la Cruz y García. 30

3 Caracterización fisicoquímica del jugo de piña. 75

4 Azucares Totales. 765 Azucares Reductores. 76

6 Contaje de Células. 77

7 Comportamiento de ° Brix durante el proceso de fermentación. 77

8 Cantidad de Etanol en la muestra por Cromatografía. 78

9 Etanol obtenido con rota-vapor 79

10 Conversión de jugo de piña a etanol 80

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CAPITULO I

EL PROBLEMA

1.1.- Planteamiento del Problema.

Hoy en día, se usan muchas fuentes de energía renovables, por ejemplo

energía solar, eólica e hidráulica. Sin embargo, utilizamos como mayores recursos

energéticos aquellos provenientes de fuentes de energía no renovable, o

combustibles fósiles. La explotación de recursos naturales en los últimos tiempos

se ha elevado en una forma indiscriminada debido al crecimiento acelerado de la

población. Sin embargo, en la actualidad esta clase de combustibles son

causantes fundamentalmente dos problemas: por un lado son recursos finitos, y se

prevé el agotamiento de las reservas (especialmente de petróleo) en plazos más o

menos cercanos. Por otra parte, libera a la atmósfera grandes cantidades de CO2,

que es la causa principal del calentamiento global.

Debido a esta serie de problemas, hoy en día se realizan innumerables

estudios para obtener fuentes de energías alternas, las cuales además de ser

fuentes renovables, brindan ventajas ambientales ya que su combustión es más

limpia. Es por ello que se presenta la oportunidad de obtener etanol a partir deproductos con altos contenidos de azúcar, el cual es un compuesto químico que

puede utilizarse como combustible, bien solo, o bien mezclado en cantidades

variadas con gasolina. El combustible resultante de la mezcla de etanol y gasolina

se conoce como gasohol o alconafta.

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Actualmente Brasil se destaca como principal productor de bioetanol, 45% de la

producción mundial, Estados Unidos representa el 44%, China el 6%, la UniónEuropea el 3%, India el 1% y otros países el restante 1%. Estos países lo obtienen

a partir de caña de azúcar, maíz y remolacha. Anzil, (2007).

Por su parte, Venezuela buscando no depender de otros países para comprar

el etanol trabaja para en un futuro no muy lejano producirlo a partir de caña de

azúcar y yuca amarga, se quiere obtener una producción anual de etanol estimada

en 1,16 mil millones de litros, la cual se destinará a la sustitución del MTBE y de

esta forma ya no depender de Brasil. Carrizales (2007).

Sin embargo, esta forma de obtención de biocombustibles a generado gran

número de polémicas a nivel mundial, debido al desabastecimiento de alimentos

que podría generar, es por ello que se estudia en muchos países incluyendo

Venezuela realizar esta producción de forma controlada y extraer el etanol a partir

de frutas y plantas de bajo consumo o por lo menos de diferentes frutas para así

evitar el desabastecimiento. Entre estas frutas se encuentra la piña la cual, gracias

a su buen contenido de glucosa, así como también su consumo moderado en

comparación con otras frutas representa una opción importante para la obtención

de etanol.

Por este motivo, se considera obtener etanol por medio de la fermentación

alcohólica del jugo de la piña contribuyendo así, con las investigaciones que se

realizan actualmente para la obtención de biocombustibles tanto a nivel mundialcomo venezolano y tratando de causar el menor impacto posible en la

alimentación de la sociedad.

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1.2.- Formulación del Problema.

A partir del planteamiento anterior, surge la siguiente interrogante como una guía

para desarrollar la presente investigación:

¿Cuál es el grado de conversión global del jugo de piña en etanol por medio de

la fermentación alcohólica?

1.3.- Objetivos.

1.3.1.- Objetivo General.

Determinar el grado de conversión global del jugo de piña en etanol por

medio de la fermentación alcohólica.

1.3.2.- Objetivos Específicos

Caracterizar físico-químicamente el jugo de piña.

Realizar el proceso de fermentación alcohólica del jugo de piña.

Caracterizar físico-químicamente la mezcla obtenida.

Separar el etanol de la mezcla por destilación.

Determinar la conversión global del jugo de piña en etanol.

1.4.- Justi ficación de la Investigación.

El etanol es un compuesto químico de gran importancia a nivel mundial que

además de usarse como bebida alcohólica se utiliza ampliamente en sectores

industriales y en el sector farmacéutico, como principio activo de algunos

medicamentos y cosméticos La industria química lo utiliza como compuesto de

partida en la síntesis de diversos productos, como el acetato de etilo y el éter

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dietílico. También se aprovechan sus propiedades desinfectantes y es excelente

disolvente. Sin embargo el uso más común del etanol en los últimos años ha sidocomo combustible.

Este compuesto se puede sintetizar mediante la modificación química

del etileno, por hidratación, sin embargo La mayor parte de la producción mundial

se obtiene del procesamiento de materia biológica, en particular ciertas plantas

con azúcares. Según algunas fuentes, este proceso es más barato que la

fermentación tradicional, pero en la actualidad representa sólo un 5% de la

capacidad mundial de producción de etanol.

Es en este punto donde se puede apreciar la importancia de esta investigación,

ya que además de servir como base a futuras investigaciones representa una

nueva posibilidad para que la industria de las nuevas fuentes de energías

continúen en ascenso.

La obtención de etanol por medio de la fermentación alcohólica del jugo de la

piña proporciona una alternativa energética rápida y limpia ya que la utilización del

etanol como combustible ayuda a disminuir la contaminación ambiental que

actualmente está causando tan serios problemas a nivel mundial, además permite

aprovechar un alimento que no es tan consumido por la sociedad en comparación

con el maíz, el cual representa una de las principales fuentes para la obtención de

etanol a nivel mundial y por lo cual ha sido causa para que esta nueva fuente de

energía sea fuertemente criticada en muchos países.

El estudiar sobre la piña como una nueva fuente para la obtención de

biocombustible podría representar el punto de partida para muchas

investigaciones en el futuro, además con esta nueva tecnología que esta naciendo

se tiene la oportunidad de aprender de los errores cometidos y no permitir que el

afán por hacer más fácil la vida del ser humano tarde o temprano nos lleve a la

destrucción.

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1.5.- Delimitación de la investigación.

1.5.1.- Espacial

El trabajo de investigación se realizará en Venezuela, estado Zulia, en la

ciudad de Maracaibo, en las instalaciones del laboratorio de Tecnología de

Alimentos y Fermentación Industriales de la Facultad de Ingeniería de la

Universidad del Zulia, el cual cuenta con la infraestructura, materiales, equipos y

suministros necesarios para llevar a cabo la investigación.

1.5.2.- Temporal.

Este trabajo de investigación se realizará en un lapso comprendido entre los

meses de septiembre de 2010 y abril de 2011.

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CAPITULO II

MARCO TEORICO

2.1.- Antecedentes.

Sansen, Luis y Vargas, Marlon (2009). “Obtención de etanol por medio de la

fermentación alcohólica del jugo de mango”. Universidad Rafael Urdaneta,

Facultad de Ingeniería.

Su objetivo fue llevar a cabo la fermentación alcohólica del jugo del mango.

Para la elaboración del jugo fueron usados mangos maduros, los cuales fueron

obtenidos en el mercado mayorista MERCAMARA. Previo a la fermentación

realizaron la caracterización físico-química del jugo en la cual obtuvieron valoresde: pH 3,86; °Brix 9,5; Azucares Reductores 2,03 mg/mL y Azucares Reductores

70 mg/L. Basandose en esto llevaron a cabo la fermentación, durante la cual

evaluaron el comportamiento del jugo mediante pH y °Brix. Al finalizar esta fase

efectuaron la caracterización de la mezcla obtenida para la cual el valor fue 25.000

mg/L etanol y un valor de conversión de 5,33%

Esta investigación brinda un aporte en cuanto a los métodos empleados para lacaracterización físico-quimica de la materia prima, es decir, de la piña; además de

contribuir con las pautas a seguir antes, durante y después del proceso de

fermentación y los factores a considerar para la determinación de la conversión del

jugo de piña en etanol.

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2.2.- Bases Teóricas.

2.2.1.- El Etanol .

Los alcoholes son compuestos de formula general ROH, donde R es cualquier

grupo alquilo, incluso sustituido. El grupo puede ser primario, secundario o

terciario; puede ser de cadena abierta o cíclica; puede contener un doble enlace,

un átomo de halógeno, un anillo aromático o grupos hidroxilos adicionales.

El etanol, o alcohol etílico es un liquido incoloro, inflamable, volátil y soluble en

agua, cuyas moléculas se componen de carbono, hidrogeno e hidroxilos (CH3-

CH2-OH) y su punto de ebullición es 78ºC. Es el componente principal de las

bebidas alcohólicas.

Su obtención puede darse de dos maneras fundamentalmente: por hidratación

del etileno o bien, por fermentación de melazas (o, a veces de almidón); por tanto,

sus fuentes primarias son el petróleo, la caña de azúcar y varios granos.Cualquiera que sea su método de preparación, primero se obtiene alcohol etílico

mezclado con agua, y luego se concentra esta mezcla por destilación. Cadena

Agroindustrial (2004)

El alcohol etílico no solo es el producto químico orgánico sintético más antiguo

empleado por el hombre, sino también uno de los más importantes. Sus usos más

comunes son industriales, domésticos y medicinales. La industria lo emplea muy

frecuentementemente como disolvente para lacas, barnices, perfumes ycondimentos; como medio para reacciones químicas y para recristalizaciones.

Además, el alcohol etílico es el alcohol de las bebidas alcohólicas, para este

propósito se prepara por fermentación de azúcar, contenida en una variedad

sorprendente por vegetales, La bebida especifica depende de que se fermente

(centeno o maíz, uvas o sauco), como se fermente (dejando escapar el dióxido de

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carbono, o embotellándolo por ejemplo) y de lo que se haga después de la

fermentación (se destile, o no). Cadena Agroindustrial (2004).

También cabe destacar que este compuesto en los últimos años se ha

convertido en el aditivo de la gasolina más importante a nivel mundial, además de

que ya existen países que lo utilizan sin mezclar con la gasolina. El

bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder

energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante

reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de

combustión, de esta forma se hace posible disminuir las emisiones de gases de

efecto invernadero. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en

concentraciones del 5 o el 10%, E5 y E10 respectivamente, que no requieren

modificaciones en los motores actuales.

2.2.2.- La Piña.

La piña es el fruto de la piña una planta de la familia de las Bromeliáceas quecontiene alrededor de 1400 especies en todo el mundo. Muchos de los miembros

de esta familia son epifiticos, es decir viven encima de otras plantas en zonas de

clima tropical. La piña a diferencia de ellas nace sobre tierra firme. La planta de la

piña (ananás comosus) es una planta perenne con una roseta de hojas

puntiagudas de hasta 90 cm de longitud. Del centro de la rosete surge un vástago

en cuyo extremo se producen las flores que darán lugar a la infraestructura

conocida como piña, que es en realidad una fruta múltiple. Cada piña suele pesar4 kg.

El ananas es un cultivo claramente tropical. Acepta cualquier tipo de suelo,

siempre que cuente con buen drenaje. No tolera las heladas ni las inundaciones, y

requiere de altas temperaturas para fructificar, alrededor de los 24°; los excesos

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de calor, superando los 30°, perjudican la calidad del fruto al exacerbar el ciclo

metabólico; el régimen de lluvias debe estar entre los 1.000 y 1.500 mm anuales.

La piña es originaria de América Tropical, especialmente de Brasil y Paraguay.

Fue encontrada por Colon en (1943) en la Isla de Guadalupe, ya domesticada y

ampliamente cultivada por los aborígenes. Los exploradores la llamaron piña por

su parecido con la fruta del pino, sin embargo su verdadero nombre de origen

guaraní es Ananá de donde proviene su nombre científico. Montilla, Fernández,

Alcalá y Gallardo (1997).

Los Indios Caribes la cultivaban en la costa de Venezuela. En 1565 se encontró

abundancia de piña en el Valle del Rio Orinoco, donde todavía existen algunas

piñas silvestres. La mayoría de las variedades que se cultivan incluyendo la

Cayena Lisa se originaron en las cuencas del Amazonas y del Orinoco.

2.2.2.1.- Composición de la piña.

La composición de la piña ha sido investigada en su porción comestible. Los

rangos de composición que se reportan son debidos al grado de variación

encontrado por las operaciones agrícolas y comerciales, factores ambientales y

grado de madurez de la fruta. La piña tiene un contenido de humedad de 81.2 a

86.2%, de 13-19% de sólidos totales, de los cuales, la sacarosa, glucosa y la

fructuosa son los principales componentes. Los carbohidratos representan hasta el

85% de los sólidos totales y la fibra del 2-3%. De los ácidos orgánicos, el ácidocítrico es el más abundante. La pulpa se caracteriza por la presencia de bajas

cantidades de cenizas, compuestos nitrogenados y grasa en 0.1%. Del 25-30% de

los compuestos nitrogenados corresponden a la proteína. De esta proporción casi

el 80% tiene actividad enzimática proteolítica conocida como Bromelina. La piña

fresca es rica en minerales, tales como calcio, cloro, potasio, fósforo y sodio. De

La Cruz y García.

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Tabla 1. Composición general de la piña fresca madura. De La Cruz y García. ANALISIS BASE HUMEDA

ºBrix 10.8-17.5

Acidez titulable (Acido

Cítrico)

0.6-1.62

Cenizas 0.3-0.42

Humedad 81.2-86.2

Fibra 0.3-0.61

Extracto Etéreo 0.2

Esteres (ppm) 1-250

Pigmentos (ppm de

caroteno)

0.2-2.5

Nitrógeno total 0.045-0.115

Proteína 0.181

Nitrógeno soluble 0.079

Amoniaco 0.010

Aminoácidos totales 0.331

2.2.1.2.- Tipos de Piña.

Cayena Lisa: Domina la producción mundial debido a su alto potencial

productivo y a la excelente calidad como fruta fresca y para la industria.

Singapore Spanish: Es la segunda en importancia para la industria. Se

cultiva principalmente en Malasia.

Queen: E s cultivada extensamente en Sudáfrica y Australia para

consumo fresco. Es importante en Asia y cultivada ampliamente en

África y Australia para mercado como fruta fresca.

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La Española Roja: Es de importancia a nivel regional, se cultiva en el

área del Caribe, de donde es originaria. Perola: Es el principal cultivar de Brasil, también llamada Pernambuco.

Perolera: Es cultivada localmente en Venezuela y Colombia, adaptada a

altitudes altas. También llamada Capachera o Tachirense.

En Venezuela, la producción de piña se fundamenta en el cultivar Española

Roja, muy rustica y tolerante a la sequia, se destina al consumo fresco y a la

industria. Sin embargo en diferentes estados del país se puede observar una

buena producción de las variedades: Cumanesa, Valera amarilla y rojo,

Capachera o Perolera, entre otras. Montilla, Fernández, Alcalá y Gallardo (1997).

2.2.1.3.- Importancia de la Piña.

La piña domina ampliamente el comercio mundial de frutas tropicales a pesar

que recientemente ha crecido la competencia de otros frutos. Datos del año 2000

nos indican que la comercialización mundial de la piña fue de un 51 % de un total

de 2.1 millones de toneladas de fruta en general, siendo el mango el fruto que le

sigue con un 21.7 %. Además, la piña es el fruto tropical mejor posicionado ya que

su comercialización se orienta a los principales países desarrollados tales como

Estados Unidos, Japón y la Comunidad Económica Europea. En consecuencia, en

la ultima década la producción mundial de piña ha crecido a una tasa media anual

de 1.9% pese a la ocurrencia de fenómenos económicos y climáticos adversos.

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Tabla 2. Principales países productores de piña. De la Cruz y García.

Países Producción (tM)

Tailandia 1.700.000

Filipinas 1.650.000

Brasil 1.400.190

China 1.316.280

India 1.100.000

Nigeria 889.000

Costa Rica 725.224

Mexico 720.900

Kenya 600.000

Indonesia 467.395

Venezuela 383.922

Colombia 353.000

2.2.1.4.- Apl icaciones de la Piña.

El fruto se aprecia para su consumo fresco y en conserva. En Occidente se usa

habitualmente como postre, aunque cada vez más como ingrediente dulce en

preparaciones de comida oriental. Cuando el ananá está maduro, la pulpa es firme

pero flexible, las hojas se pueden arrancar de un fuerte tirón y el aroma es más

intenso en la parte inferior. Debido al costo del transporte del fruto fresco y la

concentración del consumo, se producen numerosos subproductosindustrializados, en especial jugos y mermeladas. Del jugo se produce

un vinagre excelente y muy aromático.

Entre las propiedades medicinales del mismo la más notable es la de

la enzima proteolíctica llamada bromelina, que ayuda a metabolizar los alimentos.

Es también diurético, ligeramente antiséptico, desintoxicante, antiácido y

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vermífugo. Se ha estudiado su uso como auxiliar en el tratamiento de la artritis

reumatoide, la ciática, y el control de la obesidad.

Es rico en vitamina C y en fibra. La alta concentración de bromelina en la

cáscara y otras partes ha llevado a su uso en decocto para aliviar

infecciones laríngeas y faríngeas, así como en uso tópico para la cistitis y otras

infecciones.

2.2.3.- Fermentación.

La fermentación es cualquier proceso metabólico que libere energía a partir de

un azúcar u otra molécula orgánica, no necesita la presencia de oxigeno ni de una

cadena transportadora de electrones y utiliza una molécula orgánica como aceptor

final de electrones. Tortora (2007).

En términos generales se puede decir que la fermentación no es más que la

descomposición de moléculas, como carbohidratos de manera anaeróbica.Previa a la fermentación existe un proceso sumamente importante denominado

glucolisis. Este proceso consiste en un conjunto de reacciones catalizadas por

enzimas que rompen una molécula de glucosa en dos moléculas de acido pirúvico.

Simón (1996).

Este desdoblamiento produce una pequeña ganancia de energía de dos

moléculas de ATP y dos moléculas del transportador de electrones NADH.

El proceso de fermentación es anaeróbico ya que se produce en ausencia de

oxigeno; pero en condiciones anaeróbicas de NADH no es un método de captura

de energía. De hecho, es una forma de deshacerse de los iones de hidrogeno y de

los electrones producidos durante el metabolismo de la glucosa en acido piruvico.

Pero este método representa un problema para la célula porque el NAD+ se utiliza

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como si aceptara electrones e iones de hidrogeno para llegar a formar NADH. Sin

una forma de regenerar NAD+

y para deshacerse de los electrones e ioneshidrogeno, la glucolisis tendría que detenerse una vez que se hubiera agotado la

concentración de NAD+. .Simon (1996).

La fermentación soluciona este problema al permitir que el acido pirúvico actúe

como el aceptor final de electrones y de iones hidrogeno a partir del NADH. Así el

NAD+ se regenera para su uso en la glucolisis posterior. Simón y Schuster (1996).

2.2.3.1.- Materias Primas.

Suelen utilizarse un gran número de materias como solución punto de partida,

lo importante es que contengan los elementos indispensables para conservar la

vida de los microorganismos; ellos son los carbohidratos, nitrógeno, entre otras.

Celulosa: madera y sus residuos.

Cereales: maíz, trigo, arroz, etc.

Materias Azucaradas: mostos y jugos de frutas.

Tubérculos: mandioca, batata, patata, etc.

Otras fuentes diversas caña de azúcar, remolacha y subproductos de la

industria azucarera como melazas y mieles.

2.2.3.2.- Variables de la fermentación alcohólica y sus efectos sobre el

proceso.

Con el fin de obtener altos rendimientos en la fermentación alcohólica es

necesario considerar ciertos parámetros y realizar un estudio sobre los efectos

que en mayor o menor grado alteren la buena marcha del proceso. Universidad

Nacional de Colombia (2010)

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Clase de microorganismo. Los microorganismos más apropiados para la

producción de etanol a partir de azúcares son, las levaduras del génerosaccharomyces y kluyveromyces y las bacterias zymomonas mobilis.

Concentración del sustrato. El carbono es suministrado por los azúcares

contenidos en la materia prima, siendo la concentración de azúcar un valor que se

debe considerar ya que afecta la velocidad de la fermentación, el comportamiento

y el desarrollo de las células de la levadura.

Suele ser satisfactoria una concentración de azúcar del 10 al 18%, el valor más

corriente es del 12%. Cuando se trabaja con concentraciones de azúcar muy altas,

del orden de 22%, se observa una deficiencia respiratoria en la levadura y un

descenso de la velocidad de fermentación; por el contrario, al trabajar con

concentraciones muy bajas, el proceso resulta antieconómico ya que requiere un

mayor volumen para la fermentación. Por esto se utiliza como sustrato la melaza,

que tiene de 10 - 15% de azúcar.

Concentración de Etanol. La levadura es afectada en alto grado por la

concentración de alcohol, una concentración alcohólica del 3% ya influye sobre el

crecimiento; una concentración de un 5% influye tanto sobre el crecimiento como

en la fermentación. Cuando la concentración es del 10%, el crecimiento sufre la

paralización total.

Temperatura. La selección de esta variable es influenciada tanto porfactores fisiológicos como por problemas físicos (pérdidas debidas a la

evaporación de etanol al trabajar con temperatura elevada).Se debe tener en

cuenta que para cada levadura existe una temperatura óptima de desarrollo, en la

cual se muestra activa. Además, se tiene una zona independiente de la

temperatura óptima en la cual la levadura aún presenta actividad; a medida que se

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aleja de la temperatura óptima su actividad disminuye notablemente. Por debajo

de la temperatura señalada como mínima y por encima de la máxima, laslevaduras continúan viviendo en estado latente, sin embargo, al exponer cualquier

levadura a una temperatura de 55 ºC por un tiempo de 5 minutos se produce su

muerte. En el caso de la saccharomyces cerevisae se tiene un desarrollo óptimo

entre 28-35 ºC, recomendable 30 ºC.

pH. Este es un factor importante en la fermentación, debido a su

importancia en el control de la contaminación bacterial como también al efecto en

el crecimiento de las levaduras, en la velocidad de fermentación y en la formación

de alcohol. Durante la fermentación la levadura toma el nitrógeno de los

aminoácidos orgánicos, perdiendo su carácter anfótero y pasando a ácidos, lo cual

origina una disminución del pH del medio. Cuanto más bajo el pH del medio, tanto

menor el peligro de infección, pero si se trabaja con pH muy bajos la fermentación

es muy lenta, ya que la levadura no se desarrolla de la forma conveniente. Según

estudios se halló que el pH más favorable para el crecimiento de la

saccharomyces cerevisiae se encuentra entre 4.0 - 5.0, con un pH de 4.5 para sucrecimiento óptimo.

Concentración de nutrientes. Como ya se dijo, la presencia de sustancias

nutritivas adecuadas es una condición necesaria para el crecimiento y desarrollo

de la levadura, siendo su concentración un factor primordial en la actividad vital de

la levadura. Las principales sustancias nutritivas y las más influyentes son el

nitrógeno, fósforo, azufre, vitaminas y trazas de algunos elementos.

2.2.3.3.- Tipos de Fermentación.

Fermentación Acética: La formación de ácido acético resulta de la oxidación

del alcohol por la bacteria del vinagre en presencia del oxígeno del aire. Esta

bacteria, a diferencia de las levaduras productoras de alcohol, requiere un

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suministro generoso de oxígeno para su crecimiento y actividad. El cambio que

ocurre es descrito generalmente por:

C2H5OH +O2+ Acetobacter aceti = CH3COOH+H20

La fermentación acética es realizada por pequeños seres vivos, las Bacterias

Aeróbicas (es decir que necesita del aire para actuar) llamada Acetobacter la

cual actúa sobre el alcohol etílico convirtiéndola en ácido acético. Torres.

Fermentación Butírica: Esta fermentación descubierta por Louis Pasteur

consiste en la conversión de los glúcidos en ácido butírico por acción de bacterias

de la especie Clostridium butyricum en ausencia de oxígeno. Se produce a partir

de la lactosa con formación de ácido butírico y gas. Es característica de

las bacterias del género Clostridium y se caracteriza por la aparición de olores

pútridos y desagradables.

Se puede producir durante el proceso de ensilado si la cantidad de azúcares enel pasto no es lo suficientemente grande como para producir una cantidad

de ácido láctico que garantice un pH inferior a 5.

Fermentación láctica: Durante la glucolisis, que representa la primera fase

de la fermentación del acido láctico, la oxidación de una molécula de glucosa

produce dos moléculas de acido piruvico. Esta reacción de oxidación genera la

energía necesaria para formar las dos moléculas de ATP. Durante el pasosiguiente las dos moléculas de acido piruvico son reducidas por dos moléculas de

NADH para formas dos moléculas de acido láctico. Dado que el acido láctico es el

producto final de la reacción este compuesto no experimenta una oxidación ulterior

y la mayor parte de la energía producida permanece almacenada en el acido

láctico.

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La fermentación del acido láctico puede conducir a la descomposición de los

alimentos, pero este proceso también permite producir yogur a partir de leche,chucrut a partir de repollo fresco y pepinillos en salmuera. Tortora (2007)

Fermentación Pútrida: La fermentación pútrida es un tipo

de fermentación que se lleva a cabo sin gasto de sustrato oxidante. Se basa en la

degradación de sustratos de naturaleza proteica, para obtener productos

malolientes como escatol, cadaverinas o indol. Algunas putrefacciones dan lugar a

productos poco desagradables, que, por su fuerte aroma y sabor son utilizados en

la fabricación de vinos y quesos, como la que lleva a cabo el Penicillum rocheforti ,

que es la causa de las manchas verdosas del queso Roquefort.

También puede producir gases apestosos como los son el ácido sulfhídrico que

tiene olor a huevo podrido.

Fermentación Alcohólica: También comienza con la glucolisis de una

molécula de glucosa para formar dos moléculas de acido pirúvico y dos de ATP.

Durante el paso siguiente las dos moléculas de acido pirúvico se convierten en

dos moléculas de acetaldehído y dos moléculas de CO2. Más tarde las dos

moléculas de acetaldehído son reducidas por dos moléculas de NADH para formar

dos moléculas de etanol.

La fermentación del alcohol se observa en numerosas bacterias y levaduras. El

etanol y el dióxido de carbono producidos por la levadura Saccharomyces sonproducto de desecho para las células de la levadura pero son útiles para el ser

humano. El etanol producido por las levaduras es el alcohol presente en las

bebidas alcohólicas y el dióxido de carbono es el responsable de que la masa del

pan aumente de tamaño. Tortora (2007).

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2.2.3.4.- Efectos Inhibidores del etanol.

Los efectos inhibidores más importantes sobre la fermentación de los azucares

por las levaduras, son debidos al propio etanol. A bajos niveles de etanol, el

trifosfato de adenosina (ATP) producido en la glucolisis, se utiliza para la

asimilación de mas azúcar por nuevas células, ocasionando que la velocidad de

crecimiento sea la más alta fracción posible de la velocidad de utilización de

substrato; es decir es el punto en que la transformación de azucares fermentables

a etanol, llega a su punto máximo. A niveles mayores de etanol es decir, a medida

que procede la fermentación, suceden dos cosas:

Primero la velocidad de utilización de sustrato disminuye (Consecuentemente lo

hace la del etanol), esto se debe a que el etanol refleja, la via total de toma y

catabolismo del azúcar. Segundo, la extensión a la que el catabolismo del azúcar

proporciona energía para el crecimiento de las levaduras también resulta reducida,

aparentemente debido a que se diversifica más ATP para los procesos de

reparación necesarios, para el mantenimiento de las funciones celulares.Consecuentemente al elevarse los niveles de etanol, los efectos sobre el

crecimiento de la levadura son incluso más marcados que los efectos sobre la

velocidad de producción de etanol. Sansen y Vargas (2009).

2.2.4.- Carbohidratos.

Los carbohidratos son compuestos que tienen formula general (CH2O)n. Algunos carbohidratos biológicamente importantes también contienen átomos de

nitrógeno o de azufre. El carbohidrato más común en las células es la glucosa, un

azúcar de seis carbonos. La glucosa y otros azucares simples que son unidades

aisladas se denominan monosacáridos. Charlotte (1991).

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La glucosa tiene la formula molecular C6H12O6. Cinco de esos seis átomos de

carbono y un átomo de oxigeno se unen en un anillo. Los demás átomos sedistribuyen hacia arriba y hacia abajo del plano del anillo. Por poseer seis átomos

de carbono, la glucosa se denomina hexosa. Otras hexosas frecuentes son la

galactosa, azúcar presente en la leche (y en el yogur), y la fructosa, azúcar

presente en la miel. Tanto la galactosa como la fructosa tiene la formula molecular

C6H12O6 ; o sea, la misma de la glucosa. Kimball (1986)

El ordenamiento real de los átomos difiere en uno y otro caso. La galactosa

difiera de la glucosa en la orientación de un átomo de hidrogeno y un grupo

hidroxilo adherido a uno de los carbonos. En la fructosa participan solamente cinco

átomos en la formación del anillo. Sustancias como las tres mencionadas, que

tienen formulas moleculares moleculares idénticas pero formulas estructurales

diferentes, se denominan isómeros. Kimball (1986)

2.2.4.1.- Metabolismo de los carbohidratos.

Desde el punto de vista metabólico, la principal misión de los carbohidratos en

organismos vegetales y animales es el aporte energético. A este respecto se han

analizado los métodos según los cuales se desarrolla la transformación de estas

sustancias en energía y se han distinguido tres procedimientos básicos: la

glucólisis, en la que los carbohidratos se generan a partir de la sustancia

denominada ácido pirúvico; la síntesis según la vía de los pentafosfatos, que es la

de menor entidad biológica; y la glucogénesis, proceso inverso al citado en primerlugar. Enciclopedia Hispánica (1996).

2.2.5.- Levadura.

Las levaduras son hogos microscópicos, con frecuencia unicelulares, del grupo

de los ascomicetes. La forma de las células suele ser esférica u ovalada y están

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aisladas del exterior por una delgada pared provista de un único núcleo. En el

interior de las mismas, además de los orgánulos celulares típicos, comunes aotros organismos aparecen otros cargados de distintas sustancias de reserva,

entre ellas glucógenos (un carbohidrato complejo constituido por largas cadenas

de glucosa), grasas y compuestos ricos en fósforo. Enciclopedia Hispánica (1996)

La multiplicación puede ser asexual, por gemación, proceso en el que en la

célula madre se forma una pequeña yema que crece hasta originar un nuevo

elemento celular que se separa de aquella; o sexual, por medio de esporas.

Entre los géneros más abundantes se puede citar Schwanniomyces y el

Lipomyces, propios de suelos, y el Saccharomyces, de ámbito arbóreo y

responsable de la fermentación del pan y de las bebidas alcohólicas, ya que

provoca desprendimiento de gas carbónico y hace aumentar el volumen de la

masa a la vez que contribuye a su esponjamiento.

La levadura de cerveza (Saccharomyces cerevisiae) es un hongo unicelular, untipo de levadura utilizado industrialmente en la fabricación de pan, cerveza y vino.

Se divide por gemación y puede tener una reproducción asexual cuando se

encuentra en su forma haploide, y de manera sexual cuando a partir de un cigoto

se forma un asca que contiene cuatro ascosporas haploides. Muños, Echavarria,

Ramos (2006).

Levadura es un nombre genérico que agrupa a una variedad de hongos,incluyendo tanto especies patógenas para plantas y animales, como especies no

solamente inocuas sino de gran utilidad. De hecho, las levaduras constituyen el

grupo de microorganismos mas íntimamente asociado al progreso y bienestar de

la humanidad. Algunas especies de levaduras del género saccharomyces son

capaces de llevar a cabo el proceso de fermentación, propiedad que se ha

explotado desde hace muchos años en la producción de pan y de bebidas

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alcohólicas, y que a su vez ha inspirado un sinnúmero de obras de arte que

ensalzan al Dios del vino y a aquellos que disfrutan su consumo. Desde el puntode vista científico, el estudio de las levaduras como modelo biológico ha

contribuido de manera muy importante a elucidar los procesos básicos de la

fisiología celular.

Dentro del género saccharomyces la especie cerevisiae constituye la levadura y

el microorganismo eucariote más estudiado. Este organismo se conoce también

como la levadura de panadería, ya que es necesario agregarla a la masa que se

utiliza para preparar el pan para que este esponje o levante; de hecho el término

levadura proviene del latín levare, que significa levantar.

Desde el punto de vista científico, este microorganismo se ha empleado como

modelo simple de la célula eucariota. Esto se debe a una serie de ventajas como

su facilidad de cultivo y su velocidad de división celular (aproximadamente dos

horas).

Las fuentes de carbono utilizadas por las levaduras varían desde los

carbohidratos hasta los aminoácidos. Además, la capacidad de utilizar ciertos tipos

de azúcares ha sido tradicionalmente empleada para la caracterización de las

distintas razas que esta especie presenta. Entre los azúcares que puede utilizar

están monosacaridos como la glucosa, fructosa, manosa y galactosa, entre otros.

También son capaces de utilizar disacáridos como la maltosa y la sacarosa y

trisacáridos como la rafinosa.

En condiciones en las que existen altas concentraciones de glucosa, fructosa o

maltosa, este tipo de levadura tienen la tendencia de realizar una fermentación

alcohólica de estos, es decir, se realiza la glucólisis y posteriormente se forma

etanol. Una vez que estos azúcares escasean, se produce la respiración del

etanol, vía ciclo de Krebs. Evolutivamente esto es un proceso que, a priori, no es

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ventajoso por ser energéticamente desfavorable para la reproducción del

organismo, dado que se obtiene mucha menos energía en el primer proceso queen el segundo. No obstante, la gran mayoría de los organismos son muy sensibles

al etanol, por lo que se ha entendido como un proceso de competencia por

sustrato.

Figura 1. Imagen de la levadura Saccharomyces Cerevisiae en su forma

comercial, vista desde microscopio y mezclándose con el jugo.

El interés económico de las levaduras radica en su capacidad para realizar la

fermentación de distintos azucares, que son transformados en alcohol gracias a la

intervención de un serie de enzimas. En la fermentación se produce también

dióxido de carbono, que es el que origina el esponjamiento de la masa panificable

y, después, el pan en la elaboración de éste. Enciclopedia Hispánica (1996)

2.2.7.- Contaje de Células.

En las áreas de Microbiología, Fermentación, Biotecnología y otrasrelacionadas se utiliza frecuentemente suspensiones celulares, a las cuales es

necesario conocer el tipo, cantidad y viabilidad de las células que se encuentran

en dichas suspensiones. Un método ampliamente utilizado es el contaje directo

utilizando una cámara de contaje. El tipo de cámara empleada es el

hematocitómetro o hematímetro o hemocitómetro, por ser diseñado originalmente

para el contaje de células sanguíneas. Existen distintos hemocitómetros y cada

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uno tiene sus propias especificaciones. El AO-Spencer Bright line modificado por

Neubauer es uno de los más comunes.

La suspensión se vierte con una pipeta Pasteur en la cámara, la cual consta de

dos secciones, cada una de las cuales esta reglada en 9 cuadros de 1 mm, con

un área de 0.1 mm bajo el cubre objeto. Cuando la cámara se llena el volumen

total sobre cada cuadro es de 0.1mm3, equivalente a 1.0 x 10-4 ml. Si las células

son contadas en cada una de las esquinas y en el cuadro central de cada lado de

la cámara, resulta un valor total de 10 x 0.1 mm3= 1.0mm3 = 1x10 -3, y la

concentración de células de la muestra adicionada en cel/ml puede ser

determinada multiplicando la cantidad por 1000. Si las células son contadas solo

en cada una de las esquinas, entonces: 8 x 0.1mm3 = 0.8mm 3 = 8x10 -4 ml de

volumen total.

Para el contaje de los cuadros de las esquinas, se considera la posición de las

células a contar con relación a la línea de borde de cada cuadro. Cada cuadro

posee una línea de borde con tres líneas de subdivisión de 0,25μ de separación:interna, media y externa. Se deben contar todas las células que estén en el área

limitada por la línea de borde con la siguiente salvedad:

Células que toquen las líneas de subdivisión interna o media de los

márgenes lateral izquierdo y superior, se cuentan.

Células que se encuentren cerca de los márgenes lateral derecho e inferior,

aunque toquen las líneas de subdivisión interna o media de estos márgenes, no secuentan

Para evitar el error estadístico, en la muestra diluida deben ser contadas de 10

a 50 celulas en cada 1 mm. Esto equivale a decir, de 100 a 500 células en

10mm correspondiendo a 1 x 10 a 5 x 10 células/ml. Esto se explica porque las

células al seguir la distribución de Poisson en la cámara del hemocitómetro, el

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error del recuento puede ser igual a su raíz cuadrada y la exactitud puede ser

obtenida por recuento de 100 (error del 10%) a 500 (error del 5%) células.

Algunos colorantes utilizados en unión a la cámara de Neubauer son:

Solución de trypan blue, donde las células viables no toman el colorante y

las no viables si. Se dice que si más del 25% de las células no son viables, el

cultivo no ha sido mantenido apropiadamente.

Azul de metileno.

La cámara de Neubauer y la lámina cubreobjetos deben estar bien limpias y

secas antes de su uso. Se recomienda el uso secuencial de agua destilada, etanol

absoluto y acetona y secar con papel limpiador de lentes. La cámara debe estar

completamente llena pero no sobrellena.

2.2.7.- Enzimas.

Las enzimas son proteínas globulares, y son conocidas como los únicos

catalizadores del mundo vivo, es decir, que modulan o influyen en la velocidad de

las reacciones sin alterar su punto de equilibrio. Charlotte (1991).

Aunque ciertos catalizadores inorgánicos pueden actuar en los seres vivos, las

enzimas son particularmente convenientes para la química celular, ya que poseen

propiedades catalíticas y reguladoras, Las reaciiones químicas organicas son sonnotablemente lentas en las suaves condiciones de temperatura y presión de la

célula promedio. Las enzimas no solo aceleran estas velocidades, sino que

también ejercen un excelente control sobre la velocidad real a la cual se produce

una reacción. Las enzimas también están sujetas a regulación, por factores

externos y por sus propiedades particulares inherentes. Charlotte (1991).

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Existen diversos tipos de enzimas, cuya función es muy variada. Así,

contribuyen al desdoblamiento de las moléculas de los principios nutritivos(proteínas, grasas y carbohidratos) en otras pequeñas durante la digestión de los

alimentos en el estomago e intestino.

2.2.7.1.- Aplicaciones de las enzimas.

El estudio de la naturaleza de las enzimas y su modo de acción ha sido de gran

utilidad en medicina.

Así, ciertos tratamientos terapéuticos se basan en la inhibición de las enzimas

acompañantes de las bacterias, con lo que frenan su acción infecciosa sobre el

paciente. Las sulfamidas, por ejemplo, son elementos bloqueantes de las enzimas

bacterianas.

Las industrias de fabricación de pan, quesos, cerveza, vino, etc., en las que

tienen lugar fermentaciones de levaduras, utilizan los nuevos conocimientos sobreenzimas para controlar y mejorar sus calidades.

La preparación de sustancias y materiales, el curtido de cueros y la limpieza de

tejidos se cuentan entre los numerosos procesos químicos e industriales que

emplean la acción catalítica de las enzimas como favorecedora de las reacciones

en sustancias orgánicas. Enciclopedia Hispánica (1996).

2.2.7.2.- Inhibición y activación.

La catálisis enzimática (y por tanto la velocidad de reacción) puede ser

retardada hasta casi anularse. Un tipo de inhibición, denominada competitiva, se

obtiene cuando al medio que contiene el enzima se añade una sustancia con la

cual la molécula enzimática se puede ligar de modo similar a como lo hace con las

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moléculas del sustrato; un ejemplo de esta acción competitiva es el acido

malónico, que impide aun enzima (deshidrogenasa succínica) escindir el ácidosuccínico en ácido fumárico. El ácido malónico tiene una estructura muy

semejante a la del ácido succínico y, por tanto, el enzima puede ligarse a éste con

la consiguiente disminución de su actividad. No obstante, este proceso es

reversible: basta la adición de cierta cantidad de ácido succínico para que la

enzima reanude su actividad.

En otros casos, la inhibición no es competitiva y la acción enzimática resulta

rápidamente bloqueada de modo irreversible: esto se consigue eliminando o

bloqueando uno o varios centros activos con iones de metales pesados o con

cianuro. Pueden también inactivarse las enzimas por métodos físicos, entre ellos

los rayos ultravioleta, que son muy eficaces.

Aparte las sustancias que inhiben o retardan las acciones enzimáticas, hay

otras que aumentan la actividad de las enzimas; entre ellas se encuentran los

iones magnesio, cinc y cobalto, que activan las enzimas arginasa y glutaminasa.Enciclopedia Temática Oceano (1997).

2.2.8.- pH.

Siglas de la expresión potencial hidrógeno. Es un concepto introducido por el

químico danés Sören Sörensen que simplifica considerablemente la expresión de

la acidez o la basicidad de un determinado medio. Se define como el logaritmodecimal cambiado de signo de la concentración de iones hidronio, y su valor para

una disolución neutra es 7. Así pues, una disolución con un valor de pH superior a

7 es básica, y una con un valor inferior a 7 es ácida.

Los indicadores ácido-base, o indicadores de pH, son sustancias colorantes

que, puestas en contacto con una disolución, modifican su coloración cuando el

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pH de la disolución pasa de un valor a otro. La alteración del color se denomina

viraje y, en términos generales, se produce en un intervalo que oscila entre 1.2 y1.7 unidades de pH.

La principal aplicación de los indicadores de pH en los trabajos experimentales

de laboratorio es la determinación del punto de equivalencia de las volumetrías de

neutralización ácido-base. Guía del Estudiante (1998).

La determinación del pH es uno de los procedimientos analíticos más

importantes y más usados en ciencias tales como química, bioquímica y la

química de suelos. El pH determina muchas características notables de la

estructura y actividad de las biomacromoleculas y por tanto, del comportamiento

de células y organismos. Sansen y Vargas (2009).

2.2.9.- Grados Brix.

Los ºBrix (°Bx) miden el cociente total de sacarosa disuelta en un liquido; unasolución de 25 °Bx tiene 25g de sacarosa y 75g de agua en los 100g de solución.

Se miden con un sacarímetro, que mide la gravedad específica de un líquido o

más fácilmente, con un refractómetro.

La escala ºBrix es un refinamiento de las tablas de la escala Balling,

desarrollada por un químico alemán, Karl Balling; la escala Plato, que mide los

grados Plato, también parte de la escala Balling, se utilizan las tres, a menudoalternativamente; y sus diferencias son de importancia menor. La escala ºBrix se

utiliza, sobre todo, en la fabricación del zumo y del vino de fruta y del azúcar a

base de caña, la escala Plato se utiliza en la elaboración de cerveza, la escala

Balling es obsoleta pero todavía aparece en los sacarímetros más viejos.

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2.2.9.1.- Uso.

La escala Brix se utiliza en el sector de alimentos, para medir la cantidad

aproximada de azucares en zumos de fruta, vino o bebidas suaves y en la

industria del azúcar; varios países utilizan las tres escalas en diversas industrias.

En el Reino Unido la elaboración de la cerveza se mide con la gravedad específica

X 1000 grados europeos, de la escala Plato el uso de los breweres, y la industria

de los EE.UU. utilizan una mezcla de la gravedad específica de los ºBrix, los

grados Baumé y los grados de la escala Plato.

Para los zumos de fruta, un ºBrix indica cerca de 1-2% de azúcar por peso; ya

que los ºBrix se relacionan con la concentración de los sólidos disueltos (sobre

todo la sacarosa) en un líquido, tiene que ver con la gravedad específica del

líquido. La gravedad específica de las soluciones de la sacarosa también puede

medirse con un refractómetro. Por su facilidad de empleo, los refractómetros se

prefieren sobre los aerómetros marcados para la escala Brix.

Los refractómetros de temperatura compensada evitan la dependencia de la

temperatura de las medidas de la gravedad específica y requieren solamente una

gota o dos de la muestra para tomar una lectura. Sansen y Vargas (2009).

Figura 2. Refractómetro.

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2.2.10.- Filtración.

La filtración es .la separación de partículas solidas a partir de un fluido

mediante el paso del fluido a través de un medio filtrante o pared separadora

sobre el que se depositan los sólidos. Las filtraciones industriales van desde un

sencillo colado hasta separaciones altamente complejas. El fluido puede ser un

líquido o un gas, y la corriente valiosa procedente de un filtro puede ser el fluido,

los sólidos o ambos productos. Mc Cabe (2002).

2.2.10.1.- Métodos de fi ltración.

Filtración a Presión Normal. En la mayoría de los casos, la compresibilidad

de la torta de filtración se encuentra entre valores de 0,1 y 0,8 de manera que la

mayor parte del aumento de la pérdida de carga del fluido es consecuencia del

medio filtrante. En general, si el aumento de presión conlleva un aumento

significativo del caudal o velocidad de filtración, es un indicio de la formación de

una torta granulada. En cambio, para las tortas espesas o muy finas, un aumentode la presión de bombeo no resulta en un aumento significativo del caudal de

filtrado. En otros casos, la torta se caracteriza por una presión crítica por encima

de la cual, la velocidad de filtración incluso disminuye. En la práctica, se prefiere

operar a una velocidad constante, empezando a baja presión, aunque por el

empleo generalizado de sistemas de bombeo centrífugos, las condiciones

habituales son de presión y caudal variables.

Filtración al vacio. Es un método físico que se utiliza para

separar mezclas heterogéneas de un sólido en un solvente o mezcla de reacción

líquida. La mezcla se vierte en un embudo a través de un papel filtro, el sólido de

la mezcla queda en el filtro y el líquido es atraído hacia un recipiente colocado

abajo, gracias al vacío que se le aplica a éste con una bomba de vacío. Lo que

interesa recolectar en este tipo de filtración es el sólido cristalizado que queda en

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el papel filtro, el líquido filtrado se desecha. El sólido se cristaliza gracias a que el

efecto de vacío que causa la bomba, enfría la solución.

2.2.10.2.- Filt ración Centr ifuga.

Los sólidos que forman una torta porosa se pueden separar de líquidos en una

centrifuga filtrante. La suspensión se introduce como alimentación en una cesta

rotatoria que tiene una pared perforadora recubierta con un medio filtrante tal

como una lona o una tela metálica. La presión que resulta de la acción centrifuga

obliga al liquido a pasar a través del medio filtrante dejando los sólidos retenidos.

Si se corta la alimentación a la cesta y se sigue centrifugando, la torta de sólidos

queda libre de la mayor parte del líquido residual en un periodo corto, quedando

los sólidos mucho más secos que en el caso de un filtro prensa o un filtro de vacío.

Cuando el material de filtrado debe secarse posteriormente por medios térmicos,

el uso de una centrifuga supone una importante reducción de los sólidos.

Los principales tipos de centrifugas de filtración son maquinas suspendidas queoperan en forma discontinua, maquinas automáticas de ciclo corto y centrifugas

continuas transportadoras. En las centrifugas suspendidas, los medios filtrantes

son lonas o tela metálicas. En las maquinas automáticas se utilizan tamices

metálicos finos, y en las centrifugas transportadoras el medio filtrante es

generalmente la pared renurada de la misma cesta. Mc Cabe (2002).

Las aplicaciones de los procesos de filtración son muy extensas, encontrándoseen muchos ámbitos de la actividad humana, tanto en la vida domestica como en la

industria. Es bien conocida como tecnología en el sector lácteo, donde las

aplicaciones varían en función del objetivo perseguido: concentración del

producto, conservación del mismo, solución de problemas medioambientales. En

general, la filtración tiene una amplia gama de aplicaciones, desde el

procedimiento analítico en el laboratorio hasta aplicaciones técnicas en grandes

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líneas de producción. En prácticamente todas las ramas industriales se filtra, ya

sea en el análisis de alimentos, el ensayo de morteros, el análisis de humos o enel control microbiológico.

Figura 3. Centrifuga.

2.2.11.- Cromatografía.

Es el nombre que recibe una clase de procesos para la separación de mezclasmulticomponentes de gases o líquidos, la cual tiene aplicación en todas las ramas

de la ciencia y la física. Es un conjunto de técnicas basadas en el principio de

retención selectiva, cuyo objetivo es separar los distintos componentes de una

mezcla, permitiendo identificar y determinar las cantidades de dichos

componentes.

Se utiliza un lecho de sólidos o liquido inmovilizado como una fase

estacionaria, así como alimentación intermitente del material a separar. Los

componentes de la mezcla se mueven a través del lecho o eluyen mediante flujo

continuo del gas o liquido acarreador, que se convierte en la fase móvil. La

separación de los componentes de la alimentación entre las fases estacionaria y

móvil se efectúa a diferentes velocidades a través del lecho debido a los diferentes

coeficientes de distribución. Si el lecho o la columna es lo suficientemente grande,

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todos los componentes emergen de manera secuencial como impulsos separados,

y un analizador en la salida muestra la concentración de cada componente en lafase móvil.

El termino cromatografía proviene de las bandas de color vitas cuando se utilizo

una columna de vidrio para separar mezclas liquidas de picmentos de células

vegetales. En la actualidad se aplica a otras separaciones similares. La columna,

el analizador y el equipo asociado para controlar la velocidad del flujo y la

temperatura recibe el nombre de Cromatógrafo. La grafica de la señal del

analizador que muestra los picos para cada componente en un cromatograma. Mc

Cabe (2002).

Las distintas técnicas cromatográficas se pueden dividir según cómo esté

dispuesta la fase estacionaria:

Cromatografía plana. La fase estacionaria se sitúa sobre una placa plana o

sobre un papel. Las principales técnicas son:

Cromatografía en papel

Cromatografía en capa fina

Cromatografía en columna. La fase estacionaria se sitúa dentro de una

columna. Según el fluido empleado como fase móvil se distinguen:

Cromatografía de líquidos

Cromatografía de gases

Cromatografía de fluidos supercríticos

La cromatografía de gases es útil para gases o para compuestos relativamente

volátiles, lo que incluye a numerosos compuestos orgánicos. En el caso de

compuestos no volátiles se recurre a procesos denominados de "derivatización", a

fin de convertirlos en otros compuestos que se volatilicen en las condiciones de

análisis.

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Dentro de la cromatografía líquida destaca la cromatografía líquida de alta

resolución (HPLC, del inglés High Performance Liquid Chromatography ), que es latécnica cromatográficas más empleada en la actualidad, normalmente en su

modalidad de fase reversa, en la que la fase estacionaria tiene carácter no polar, y

la fase móvil posee carácter polar (generalmente agua o mezclas con elevada

proporción de la misma, o de otros disolvente polares, como por ejemplo metanol).

El nombre de "reversa" viene dado porque tradicionalmente la fase estacionaria

estaba compuesta de sílice o alúmina, de carácter polar, y por tanto la fase móvil

era un disolvente orgánico poco polar.

Una serie eluotrópica, es un rango de sustancias de diferentes polaridades que

actúan como fase móvil y que permiten observar un mejor desplazamiento sobre

una fase estacionaria.

2.2.12.- Destilación.

La destilación es un proceso que consiste en separar los diferentescomponentes líquidos de una mezcla aprovechando sus diferentes puntos de

ebullición. Esta separación se lleva a cabo por medio del calentamiento de la

mezcla; luego de formarse los vapores, estos son condensados y recolectados

como liquido destilado.

2.2.12.1.- Tipos de Destilación.

Existen diferentes tipos de destilación, el uso de cada uno de ellos dependerá

de las características y propiedades de la mezcla que se desee separar.

Destilación Simple. En esta destilación, el vapor que se retira del seno del

líquido, pasa inmediatamente al seno del refrigerante donde condensa y luego se

recolecta el líquido destilado. Mediante este procedimiento pueden separarse

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mezclas de dos componentes que tengan una diferencia de puntos de ebullición

de, al menos, 60-80 º. Mezclas de sustancias cuyos puntos de ebullición difieranen 30-60 ºC se pueden separar por destilaciones sencillas repetidas, recogiendo

las fracciones enriquecidas en uno de los componentes, las cuales se vuelven a

destilar. Lamarque; (2008).

Destilación Fraccionada. La destilación fraccionada es una combinación de

muchas destilaciones simples en una sola operación, para lo cual se utiliza una

columna de fraccionamiento vertical rellena con un material inerte (perlas de vidrio,

trozos de plato poroso, etc.), en la cual ocurren suces

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