ETANOL CAÑA CEREALES

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA INGENIERÍA DE ALIMENTOS CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE ALIMENTOS II GRUPO 5LM1 “PRODUCCIÓN DE ALCOHOL INDUSTRIAL A PARTIR DE CEREALES Y CAÑA DE AZÚCAR”. ALUMNOS: Ramírez Cruz Lorena. Rodríguez Tepichin Francisco. Silva Pérez Hugo. PROFESOR: DR. CORZO RÍOS LUIS JORGE. México, D.F. a 7 de noviembre de 2014

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ETANOL CAÑA CEREALES

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INSTITUTO POLITCNICO NACIONALUNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGA

INGENIERA DE ALIMENTOSCIENCIA Y TECNOLOGA DE ALIMENTOS IIGRUPO 5LM1 PRODUCCIN DE ALCOHOL INDUSTRIAL A PARTIR DE CEREALES Y CAA DE AZCAR.ALUMNOS:Ramrez Cruz Lorena.Rodrguez Tepichin Francisco.Silva Prez Hugo.

PROFESOR:DR. CORZO ROS LUIS JORGE.

MANUAL DE PRCTICAS DECIENCIA Y TECNOLOGIA DE ALIMENTOS II

MANUAL DE PRCTICAS DECIENCIA Y TECNOLOGA DE ALIMENTOS II

Mxico, D.F. a 7 de noviembre de 2014

PRCTICA 3 17

PRODUCCIN DE ALCOHOL INDUSTRIALEn las ltimas dcadas, los avances industriales y los cambios en nuestro de vida han afectado profundamente al sector de la energa, modificando de manera considerable el panorama energtico. El incremento de la demanda de energa, el notable aumento de los precios del petrleo, la inseguridad del abastecimiento energtico y el temor al calentamiento del planeta ha llevado a considerar que la energa no es un bien garantizado. Con el fin de paliar los problemas derivados de la reduccin de las fuentes de energa tradicional, la mayora derivadas de los combustibles fsiles, los gobiernos de los pases desarrollados se han comprometido a aumentar el uso de energas renovables, diversificando su origen. Para conseguir estos objetivos se est impulsando fuertemente la inversin en estas energas, que pueden contribuir a un desarrollo ms sostenible, reduciendo las emisiones de CO2 y el calentamiento global, y as tratar de garantizar el abastecimiento energtico de todo el planeta.Pero al menos un 10 % del consumo renovable de energa afecta al sector transporte, por lo que los biocombustibles aparecen como un elemento esencial para lograr los retos propuestos y muchos pases estn potenciando las investigaciones en este sector.El trmino biocombustible engloba a todos aquellos combustibles derivados de la biomasa vegetal que pueden proporcionar una fuente de energa renovable y limpia, pudiendo ser lquidos, gaseosos o slidos. En general los biocombustibles slidos se utilizan para la generacin de energa trmica y no para el transporte, siendo los biocombustibles lquidos y gaseosos, conocidos como biocarburantes, los dedicados para este fin. Estos deben de presentar caractersticas similares a los productos de origen fsil y, aunque de momento no pueden sustituirlos totalmente, s que pueden ser incluidos en mezclas de estos.Sin embargo, para que los biocombustibles sean una alternativa energtica real se necesita que estos productos no solo presenten caractersticas equivalentes a los de procedencia fsil, sino que el balance energtico a lo largo de su cadena productiva sea positivo y que su coste, una vez tenidos en cuenta los requerimientos sociales y ambientales, resulte favorable o al menos sea similar al de los combustibles fsiles. Entre los biocombustibles se encuentran los biocarburantes, entre los que destacan principalmente el biodiesel y el bioetanol, dos productos que utilizan vegetales como materia prima pero cuyo xito no depende de la disponibilidad de esta, sino de la existencia de una demanda suficiente ya que el desarrollo de su mercado podra aprovecharse para potenciar otras prcticas agrcolas. El alcohol etlico o etanol ha sido utilizado como carburante desde principios de siglo. Adems tiene un sinnmero de usos industriales. El inters por la produccin y uso de etanol se ha acrecentado durante los ltimos aos debido al precio del barril de petrleo y a la revolucin ecolgica que ha surgido en todo el mundo. El etanol presenta algunas diferencias importantes con relacin a los combustibles convencionales, derivados del petrleo. La principal de ellas, es la elevada concentracin de oxgeno, que representa el 35 % de la masa del etanol. En general, las caractersticas del etanol permiten una combustin ms limpia y un mejor desempeo de los motores (ciclo Otto), lo que conlleva a una reduccin de las emisiones contaminantes.La produccin de bioetanol se realiza en bases comerciales y por dos vas tecnolgicas, utilizando materias primas dulces, directamente fermentables, como la caa de azcar y la remolacha azucarera, o materias primas amilceas, como el maz o trigo, cuyo almidn debe ser convertido en azcares (sacarificado) antes de la fermentacin. Una tercera va, utilizando la biomasa disponible en materiales como el bagazo y la paja, hidroliza cadenas celulsicas y produce una solucin fermentable de azcares, presentando gran inters gracias al bajo costo de la materia prima.

Figura 1. Vas tecnolgicas para la produccin de bioetanol.Hoy en da, alrededor del 93 % del etanol es producido a travs de la fermentacin de biomasa, y un 7 % por mtodos sintticos.El trmino biomasa, tal y como se define en la Real Academia Espaola, comprende la materia orgnica originada en un proceso biolgico, espontneo o provocado, utilizable como fuente de energa. La formacin de biomasa vegetal est basada en el proceso de fotosntesis de vegetales y algas, que a partir de dixido de carbono atmosfrico y de una fuente energtica de irradiacin (luz), son capaces de realizar un proceso de sntesis que da lugar a molculas orgnicas con alto contenido de energa qumica. El origen de la biomasa es muy heterogneo pero en todos los casos para obtener etanol son esenciales tres etapas bsicas:1) La obtencin de una solucin de azcares,2) La fermentacin de estos a etanol, y3) La separacin y purificacin del etanol, generalmente por destilacin y posterior deshidratacin.

Existen bsicamente dos grandes procesos para la elaboracin de alcohol industrial. El ms comn y practicado hoy en da es el de la simple conversin de los carbohidratos del calado de caa de azcar en etanol por medio de un proceso fermentativo. El otro proceso es el de produccin de alcohol a partir a partir de un sustrato rico en almidn como es el caso de los cereales; el etanol obtenido de estos cultivos se denomina etanol de primera generacin (1G). En este caso en especfico, el almidn es convertido en azcares fermentables por medio de sistemas enzimticos para posteriormente pasar al proceso de fermentacin y destilacin. ptimamente, por cada unidad de glucosa (C6H12O6) se producen dos molculas de etanol (C2H5OH). Durante esta transformacin tambin se generan cantidades importantes de bixido de carbono y calor. El mximo rendimiento de alcohol a partir de 100 g de glucosa es de 47.5 g de etanol.

Como se mencion anteriormente, el etanol ha sido utilizado como combustible por muchos aos. Brasil, en particular, genera grandes cantidades de etanol (4000 a 5000 millones de litros de etanol/ao) a partir de caa de azcar para mover millones de vehculos de combustin interna. Las ventajas del uso de etanol se pueden resumir en los siguientes puntos: a) Tiene un alto octanaje incrementando el poder del motor y su eficiencia.b) El etanol se combustiona limpiamente, por lo tanto produce niveles menores de monxido de carbono, xido de nitrgeno y otros hidrocarburos contaminantes. El etanol es un recurso renovable puesto que se deriva de plantas.c) El etanol puede ser mezclado con gasolina haciendo que la ltima adquiera mayor octanaje y contamine menos.Las desventajas principales del uso de etanol son:a) Los motores deben ser adaptados para el uso de etanol como combustible.b) Hay ms dificultad para arrancar o encender el motor, especialmente en pocas de fro.c) La eficiencia o kilometraje por litro es un poco inferior al de la gasolina. En Estado Unidos se utilizan 3000 millones de litros de alcohol mezclado con gasolina (gasohol).

PROCESO DE OBTENCIN DE ALCOHOL A PARTIR DE CALDOS AZUCARADOS.Entre las plantas utilizadas para fines bioenergticos, se destacan las gramneas, como es el caso de la caa de azcar, cuya eficiencia fotosinttica es de las ms altas entre todos los vegetalesLa obtencin de etanol a partir del jugo extrado de la caa o tallos de algunas gramneas es el ms practicado, sobre todo en regiones tropicales y subtropicales del globo terrqueo. La caa de azcar (Saccharum officinarum) es preferida debido a su alta produccin de biomasa por hectrea (45-50 ton/ha) y a su alto rendimiento de azcares fermentables, principalmente sacarosa. Se ha utilizado como alternativa para la produccin de azcar, melaza u alcohol a los tallos de sorgos forrajeros especiales.El ciclo productivo de la caa de azcar es generalmente de seis aos dentro del cual ocurren cinco cortes, cuatro tratos con socas y una reforma, con reduccin gradual dela productividad, que hace ms interesante reformar el caaveral que efectuar un nuevo corte. El perodo de cosecha de la caa vara de acuerdo con el rgimen de lluvias, para posibilitar las operaciones de corte y transporte y para permitir alcanzar el mejor punto de madurez y acumulacin de azcares.El organismo ms utilizado para realizar el proceso de fermentacin de los azcares es la levadura Saccharomyces cerevisiae, que puede fermentar la sacarosa de la caa hasta etanol, controlando las condiciones de aireacin.La produccin de bioetanol de caa de azcar se realiza generalmente en unidades agroindustriales que producen tambin azcar, dando origen a melazas que pueden, conjuntamente con el jugo de caa, componer mostos fermentables, como se muestra en la siguiente figura.

Figura 2. Esquema de la produccin de azcar y bioetanol de caa.As, se consigue una buena sinergia entre los dos procesos productivos que utilizan en comn los equipos de extraccin (tpicamente moliendas, pero recientemente pasaron a ser adoptados tambin difusores) y los sistemas auxiliares y de utilidades. Despus de la fermentacin del mosto, las levaduras se recuperan y el vino resultante sigue para destilacin, en la cual se produce bioetanol.El proceso industrial consume significativamente cantidad de energa trmica y elctrica, pero, en el caso de la agroindustria a base de caa, estas demandas pueden ser atendidas por un sistema combinado de produccin de calor y potencia (sistema de cogeneracin) instalado en el propio ingenio. Este sistema utiliza solo bagazo como combustible y adems puede generar excedentes para la red pblica.El proceso tpico de obtencin de etanol a partir de caa de azcar es como sigue:1. Las plantas son cortada cuando dan un mejor rendimiento de azcar/ha.2. Los carbohidratos son principalmente almacenado en el tallo. La extraccin del caldo azucarado se hace por medio de un prensado. 3. Al caldo azucarado posteriormente se le somete al proceso de fermentacin con levadura.4. La fermentacin tiene una duracin de varios das y es efectuada a temperaturas de aproximadamente 35C.5. Despus viene el paso de destilacin con arrastre de vapor con la posterior recuperacin de alcohol en condensadores.La tecnologa comercial para obtener alcohol a partir de biomasa de sorgo fue perfeccionada en Brasil. A diferencia de la caa de azcar, el sorgo almacena carbohidratos en el tallo tambin en forma de almidn. El caldo extrado de los tallos contiene 11.2 % de slidos fermentables (80 % de azcares solubles y 20 % almidn). Debido al alto contenido de almidn se requiere aadir un paso para optimizar el rendimiento de alcohol. Despus de extraer el jugo, el mismo se somete a cocimiento por una hora para gelatinizar el almidn. Despus de enfriarlo, se le aaden enzimas licuificantes (amilasas) y sacarificantes (glucoamilasa) con el objetivo de transformar todo el almidn en glucosa. Una tonelada de tallos de sorgo dulce tiene el potencial de producir 74 L de etanol con una pureza de 200 grados.Adems del bioetanol, la agroindustria de caa de azcar produce una gama creciente de otros productos de uso final y materias intermediarias, que amplan su significado econmico y permiten, mediante sinergias interesantes, agregar valor al proceso como un todo. Entre esos productos, se destacan el azcar, producto pionero y tradicional de esta industria, y en los ltimos aos, la energa elctrica.Se pueden destacar los siguientes puntos que configuran el bioetanol de caa de azcar como una opcin energtica estratgica y sostenible:1. El bioetanol se puede utilizar en motores vehiculares, puro o en mezclas con gasolina, con un buen desempeo y empleando esencialmente el mismo sistema de distribucin y almacenaje existente para la gasolina.2. El bioetanol de caa de azcar se produce con elevada eficiencia en la captacin y en la conversin de energa solar, con productividad agroindustrial bastante superior a los dems combustibles.3. El bioetanol de caa de azcar, produccin en las condiciones brasileas, se muestra competitivo con el petrleo alrededor de US$50 el barril, con un costo de produccin determinado principalmente por la materia prima.4. Los impactos ambientales de carcter local asociados a la produccin de bioetanol de caa de azcar sobre los recursos hdricos, el suelo y la biodiversidad, y derivados del uso de agroqumicos, entre otros, pueden ser, y en buena medida fueron efectivamente atenuados a niveles tolerables, inferiores a la mayora de otros cultivos agrcolas.5. El uso de etanol de caa de azcar permite reducir en casi 90 % las emisiones de gases de efecto invernadero, contribuyendo de modo efectivo para mitigar el cambio climtico. 6. Son significativas las perspectivas de desarrollo tecnolgico en la agroindustria del bioetanol de caa de azcar, con aumento de la productividad y del desempeo energtico y diversificacin de la gama de productos, con destaque para las vas de hidrlisis y gasificacin, de inters en el incremento de la produccin de bioetanol y bioelectricidad.7. La produccin de bioetanol de caa de azcar, como se desarrolla en Brasil y otros pases con suficiente disponibilidad de tierras, poco afecta la produccin de alimentos.

OBTENCIN DE ALCOHOL A PARTIR DE CEREALES.El proceso de bioconversin enzimtica del almidn de cereales con su posterior fermentacin en etanol se describe en la figura siguiente:

Figura 3. Proceso tpico de obtencin de etanol a partir de cereales.

MAIZEl cereal ms utilizado para este propsito es el maz. Existen dos procesos que estn actualmente siendo utilizados. El ms moderno es el de la utilizacin de enzimas termoestables durante el paso de gelatinizacin o cocimiento. El proceso tradicional consiste en la gelatinizacin del almidn, enfriado e incubacin con amilasas y glucoamilasas. En ambos casos, los procesos de fermentacin y destilacin son iguales. En el primer procesos, el maz moturado es diluido en agua tibia (45-50C) en preparacin para la gelatinizacin y conversin enzimtica. El agua del medio se ajusta a un pH antes de proceder al paso de gelatinizacin, el cual consiste en la aplicacin de calor (90C/1 h) en presencia de agua.Para la produccin de bioetanol a partir de maz hay dos procesos principales: la molienda en seco y la molienda en hmedo. La molienda hmeda es un proceso donde el grano de maz se debe separar en sus componentes, con la ventaja que se obtienen subproductos de mayor valor agregado. En la molienda hmeda solamente el almidn se fermenta, mientras que en la molienda seca se fermenta el pur entero.Hay dos subproductos principales del proceso: el anhdrido carbnico y los granos destilados (DDGS). El anhdrido carbnico se limpia, se comprime y se vende para ser usado como gasificante de las bebidas o para congelar carne.Los DDGS contienen 27 % de protena, 11 % de grasa y 9 % de fibra, por lo que se destinan a alimentacin de ganado. En 2005, los destilados de maz desplazaron a 10 millones de toneladas de maz del mercado forrajero, la mayor parte fue utilizada como alimento para ganado bovino lechero un 45 %, de carne 37 %, aves 5 % y porcino 13 %. Mxico es el principal importador de DDGS.Para la produccin de etanol a partir del grano de maz o sorgo se siguen los siguientes pasos:a) Molienda del grano en un molino de martillos.b) Mezcla de la harina resultante con agua a 49C en una relacin de 560 mL/kg de harina y agitacin.c) Aadir enzima licuificante termoestable en una relacin de 1.2 g/kg de harina.d) Subir temperatura hasta 90C, a la razn de 0.55C/min. Mantener la temperatura mxima por una hora.e) Agregar 745 mL agua por kg grano para enfriar el producto macerado. Terminar de enfriar hasta llegar a una temperatura de 35C. Ajustar el pH con cido sulfrico a 5.2f) Agregar enzima sacarificante a la razn de 0.47 g/kg de harina original y levadura en una proporcin de 0.35 g/L de macerado.g) Dejar fermentar dos a tres das a 35C. Despus de la fermentacin, el macerado contiene 10 % de etanol.h) Separar el alcohol del macerado fermentado por medio de destilacin con arrastre de vapor. Generalmente este paso se lleva a cabo en dos o ms columnas de destilacin y rectificacin. El etanol vaporizado es recuperado por medio de condensacin.

TRIGO Y CEBADACuando no se usa el maz para la obtencin del etanol, se pueden tomar las alternativas con los granos de trigo (Triticum aestivium L.) y de cebada (Hordeum vulgare L.), dos cereales de cultivo de la familia de las gramneas. La estructura del grano del cereal es muy semejante en las dos especies. El grano contiene una sola semilla, en la que se distinguen varias capas: Capa protectora o gluma: constituida fundamentalmente por fibra. Envolturas: formadas por tres capas que se denominan i) pericarpio, ii) mesocarpio y iii) endocarpio, constituidas fundamentalmente por celulosa y hemicelulosa, minerales, protenas y vitaminas. Parte interna donde se diferencian distintas zonas: i) testa o tegmen, cubierta con aceites y pigmentos que dan color al grano; ii) aleurona o capa externa del endospermo, con gran cantidad de grnulos de grasa y protena; iii) endospermo o albumen que contiene granos de almidn y iv) el germen o embrin, en la parte inferior del endospermo, con protenas, aceites y vitaminas.El endospermo representa el 85-90 % del total del grano de cereal y almacena el almidn, sustrato de reserva para la germinacin del embrin. Las cubiertas protectoras representan 5-10 % y el embrin solo un 3 %.El almidn empaquetado en grnulos dentro del endospermo, est formado por molculas de amilosa y amilopectina. Estos dos polisacridos estn formados por cadenas de glucosa unidas por enlaces -(1-4)-glucosdicos pero en el caso de la amilopectina existen adems enlaces -(1-6)-glucosdicos que dan lugar a molculas ramificadas:

Figura 4. Estructura de la amilosa.

Figura 5. Estructura de la amilopectina.

La glucosa, procedente de la hidrlisis de la amilosa y la amilopectina del endospermo con amilasas, puede ser utilizada por levaduras, generalmente S. cerevisiae, como fuente de energa y para convertirla en etanol.Acondicionamiento de la materia prima.Recepcin y procesamiento de los granos.Los granos llegan a las fbricas por diferentes medios de transporte (camin, ferrocarril o barco), y se depositan en cintas transportadoras que los llevan a los sistemas necesarios para separar el grano del resto de las impurezas (pajas, polvo de cereal, piedras, material frrico, etc.). Entre las distintas maquinarias utilizadas para realizar el proceso de limpieza del cereal recibido destacan: Cribas tambor rotatorio: son tamices, con tamao de poro variable, para separar las partculas en base a su tamao.

Figura 6. Criba tipo tambor. Separadores magnticos: sistema por el que se retiran las impurezas metlicas. Son importantes porque las partculas ferromagnticas pueden causar daos importantes en los molinos trituradores de cereal. Filtros: se usan para extraer las partculas de polvo mezcladas con el aire.

Figura 7. Esquema de los filtros usados para la limpieza de granos.

Deschinadoras: se utilizan para la separacin continua de impurezas en base a la velocidad de sedimentacin de los granos y las impurezas pesadas (vidrio, piedras, metales, etc.).

Almacenamiento de los granos.El principio de un buen almacenamiento radica en guardar los granos secos, sanos, limpios y fros para mantener su calidad inicial.Los sistemas de almacenamiento utilizados son los conocidos como: 1) Sistemas tradicionales en condiciones atmosfricas normales, siendo estas las determinadas por la presin y la temperatura ambiental y;2) Sistemas en atmsferas modificadas, en los cuales la concentracin de oxgeno disminuye aumentando la de anhdrido carbnico.En ambos casos los granos han de almacenarse secos para evitar su deterioro. A medida que aumenta la humedad de los granos disminuye su calidad por el desarrollo de microorganismos (hongos, levaduras y bacterias), ataque de insectos o germinacin de los mismos. Por esta razn, antes de almacenar el grano es imprescindible realizar una buena limpieza y desinfeccin de las instalaciones y tratar de mantener estas a temperaturas inferiores a 18 C mediante aireacin controlada. Para conseguirlo, generalmente se airean las salas con aire con una humedad relativa inferior al 70 %, manteniendo siempre la temperatura al menos 5 C por debajo de la temperatura del grano. El tiempo de almacenaje es un parmetro ligado directamente a la humedad y a la temperatura del grano.Molienda.Es una etapa necesaria para reducir los granos a finas partculas facilitando la penetracin del agua y la accesibilidad de las enzimas en la etapa de coccin. En la actualidad se utilizan dos tipos de molienda: Molienda hmeda (Wet milling) y molienda seca (Dry milling).La tcnica ms utilizada por las empresas del sector del bioetanol es la molienda seca (67 % frente al 33 %) ya que tiene menores requerimientos del capital, tanto en el momento de construccin de la planta como de operacin. El proceso de molienda seca consiste en molturar los granos del cereal mediante un proceso mecnico, normalmente utilizando molinos de martillo (hammer mills) o molinos de rodillo (roller mills).A su vez, la molienda hmeda es utilizada por aproximadamente dos tercios de los productores de Estados Unidos. Es un sistema elegido cuando, adems de etanol, se quieren obtener otros subproductos, tales como el sirope, fructosa, dextrosa, etc.

ETAPAS DE LA PRODUCCIN DE ETANOLUna vez finalizada la molienda, la harina de cereal pasa por distintas fases con la finalidad de liberar la glucosa y que esta pueda fermentarse para obtener un alcohol con una pureza del 99.75 %.A continuacin se muestra una figura con las etapas principales del proceso de obtencin del etanol a partir de granos de cereal. Molienda y etapas de procesado de la harina: Mezcla, licuefaccin, Sacarificacin y Fermentacin.

Figura 8. Diagrama del proceso de obtencin de etanol a partir de grano de cereal.

Mezcla.La harina de cereal, obtenida tras la molienda con un tamao de partcula entre 3-6 mm, se mezcla con agua en proporcin 3:1, a una temperatura que oscila entre 40-60C y un pH entre 4-6 dando lugar a una masa con una viscosidad muy elevada. Esta viscosidad se reduce tras la adicin de -amilasas. Estas enzimas hidrolizan el almidn del endospermo a diferentes dextrinas, dando lugar a una pasa hmeda, menos viscosas y conocida como mosto. Este contiene un 20-40 % en peso de slidos y puede ser bombeado a otras partes del equipo de produccin. El agua aadida es, por lo general, una mezcla de agua pura con aguas recicladas del proceso, cuyo porcentaje suele oscilar entre 20-40 % (aunque en el proceso ideal el agua reciclada tendra que llegar a ser del 100 %).Las -amilasas ms utilizadas son las obtenidas de Bacillus lichenformis, Bacillus subtilis y Bacillus amyloliquefaciens, debido a sus resistencia a altas temperturas. Los preparados comerciales con esta actividad que ms se utilizan son Termamyl SC DS y Loquozyme SC DSS, comercializados por Novozymes y Multifect. La termoestabilidad de estas enzimas, es una propiedad imprescindible para que se puedan utilizar tambin en la siguiente etapa (licuefaccin), en la que se requieren temperaturas ms altas.Licuefaccin.En la industria esta etapa se realiza mediante un sistema conocido como jet cooker (coccin con vapor de presin), en el cual una bomba y un controlador de presin de vapor hacen que se produzca una mezcla homognea del vapor/mosto a alta presin (> 7 bares) y temperatura (>100 C). La mezcla pasa por un serpentn, con un tiempo de residencia de pocos minutos, luego el mosto pasa a una cmara, conectada a un sistema de vaco, y la mezcla pierde presin y temperatura, generando vapor de agua y un mosto a 85 C. Esta prdida brusca de presin hace que el agua que se encuentra entre los grnulos de almidn se vaporice, aumentando rpidamente el volumen de la mezcla y producindose una rotura mecnica del grnulo que va a facilitar la accin de las enzimas. A continuacin se aplican cocteles enzimticos con actividad xilanasa, endoglucanasa y -glucosidasa, enzimas que hidrolizan las pequeas proporciones de -glucanos y arabinoxilanos que forman parte de las capas protectoras del endospermo y -amilasas, enzimas mayoritarias de estos cocteles enzimticos para hidrolizar las dextrinas, que provienen de la hidrlisis de la amilosa y amilopectina en la etapa de mezcla, a oligosacridos de menor tamao molecular (dextrina intermedias, maltotriosas y maltosas). Los costes de produccin a nivel industrial, en esta etapa, son altos por el elevado consumo de energa necesario para controlar la temperatura en esta etapa (principalmente en la coccin).Sacarificacin y fermentacinEn este punto del proceso los oligosacridos de pequeo tamao molecular, que provienen de la etapa de licuefaccin, se transforman en glucosa por la accin de glucoamilasas. Estas enzimas se obtienen generalmente de Aspergillus niger o de diferentes especies de Rhizopus. A esta etapa del proceso se denomina sacarificacin y se realiza entre 60-70 C y a un pH de 5-6. Ocasionalmente, cuando se utilizan granos de cereal que contienen bastantes protenas en el endospermo, como es el caso del gluten de trigo, los cocteles se suplementan con proteasas, generalmente endoproteasas, que hidrolizan estas protenas dando lugar a pptidos que las levaduras utilizan como suplemente para su crecimiento. Estas enzimas actan ms eficazmente entre pH 6-8 y temperaturas en torno a los 50-60 C por lo que se suelen modificar los parmetros en el proceso.Esta etapa puede darse en un tanque separado o en el mismo recipiente donde se va a realizar la fermentacin. Este ltimo proceso se conoce como sacarificacin y fermentacin simultnea (SSF Simultaneous Saccharification and Fermentation) y es el ms usado actualmente en la industria. Al material que procede de la etapa de licuefaccin se aaden conjuntamente glucoamilasas y levaduras (previamente crecidas). De este modo segn se va liberando la glucosa, las levaduras la transforman inmediatamente en etanol. Con esta accin se evitan posibles contaminaciones y que la glucosa liberada por las enzimas produzca un efecto inhibitorio en el proceso de fermentacin. Sin embargo, existen algunos inconvenientes al realizar este proceso conjuntamente: i) este sistema necesita dosis mayores de enzima, ii) mayores tiempos de fermentacin y iii) requiere de una continua optimizacin para evitar prdidas en el rendimiento. En estas condiciones, dado que la temperatura de crecimiento de las levaduras es distinta de la temperatura ptima de los complejos enzimticos utilizados, es necesario llegar a una solucin de compromiso para conseguir los mejores rendimientos.Fermentacin.La etapa de fermentacin de las hexosas a nivel industrial se realiza normalmente con la levadura S. cerevisiae. Es un proceso sencillo pero es necesario controla la aireacin, temperatura y agitacin para evitar que aparezcan metabolitos no deseados que disminuyan el rendimiento en la produccin de etanol. Para que esta fermentacin tenga lugar es necesario enfriar previamente la mezcla hasta 32 C, aadiendo seguidamente la levadura, bajas concentraciones de glucosa y altos niveles de oxgeno activan los procesos de respiracin que se traducen en un incremente de biomasa, CO2 y agua. La carencia en el medio de 02 y el aumento de los niveles de azcares desvan las rutas de obtencin de energa para la levadura hacia los procesos de fermentacin que producen principalmente etanol y CO2.

Figura 9. Esquema de las etapas de sacarificacin y fermentacin para la produccin de bioetanol a partir de grano de cereal.

Los procesos comnmente empleados para la fermentacin a escala industrial del etanol a partir de fuentes ricas en almidn presentan un par de ventajas significativas: i) las altas temperaturas de coccin permiten una alta eficiencia de sacarificacin del almidn, y ii) un ambiente estril libre de microorganismos indeseables para la fermentacin alcohlica. Sin embargo, los costos de produccin se ven aumentados debido al alto consumo de energa durante la coccin y la gran cantidad de enzimas empleadas. Principios bioqumicos de la fermentacin.La fermentacin alcohlica comprende toda una serie de reacciones bioqumicas a travs de las cuales algunos microorganismos realizan una transformacin de los azcares a etanol, CO2 y energa. La reaccin global general que resume todo el proceso cuando se fermentan hexosas es:

Este proceso requiere condiciones anaerobias, por lo que generalmente el O2 se suplementa solo durante la inoculacin, para permitir un crecimiento limitado de los microorganismos.La transformacin del azcar a etanol en las levaduras ocurre a travs de una serie de reacciones intermedias, entre la glucosa y el piruvato, conocidas como ruta glucoltica o ruta Embden-Meyerhof-Parnas. A travs de este proceso bioqumico, las levaduras transforman los azcares en energa, intermediarios tiles para el crecimiento de las clulas, etanol, dixido de carbono y calor, generando en condiciones ptimas hasta 92 % de alcohol.Aunque, como se ha mencionado anteriormente, la levadura S. cerevisiae es la ms utilizada para producir etanol a partir de glucosa, existen otros microorganismos capaces de producir etanol a partir de estos azcares, aunque siguen rutas metablicas distintas. Por ejemplo, bacterias como Zymomonas mobilis, transforman el azcar a partir de la ruta Entner-Doudoroff, la cual, por sus caractersticas, obliga al microorganismo a producir menos biomasa (comparado con las levaduras) y canalizar ms carbono hacia los productos finales. En estos casos se generan mostos con menor proporcin de etanol que con las levaduras.

Figura 10. Esquema de la ruta glucoltica o de Embden-Meyerhof-Parnas.

Figura 9. Ruta metablica de Entner-Duodoroff.

Destilacin.A nivel industrial, el mosto fermentado se enva a la unidad de destilacin donde se separa una solucin de alcohol/agua (al 50 %) de los slidos sin hidrolizar y estos se retiran por la parte inferior del tanque. La eliminacin del agua y otras impurezas del alcohol se realiza mediante un proceso de rectificacin, consiguiendo un alcohol de ms de un 90 % de pureza y por deshidratacin, mediante adsorcin en tamiz molecular, se puede alcanzar un alcohol con valores superiores al 99.75 % de pureza.Las vinazas procedentes de la destilacin se separan por centrifugacin, de la mayor parte de los slidos no fermentables en suspensin y se recoge en tanques de almacenaje. Una parte puede volver a utilizarse en el proceso de licuefaccin y el resto se evapora para formar un jarabe muy rico en protenas.

Figura 11. Esquema del proceso de obtencin de DDGS a partir de vinazas.Finalmente, los slidos separados por centrifugacin (torta hmeda con 40 % de slidos y 60 % de humedad), se mezclan con el jarabe, se secan hasta que queda un 10 % de humedad y se peletizan dando lugar a lo que se conoce como granos de destilacin, ecoprotenas o DDGS, principalmente formado por fibra y celulosa.

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