Automatización del proceso de fermentación de la melaza para la obtención de alcohol etílico

Resumen

Se presenta el diseño de solución para el
proceso de fermentación de la melaza para la
obtención de alcohol etílico. Se presenta un
sistema de automatización asistido por un controlador
lógico programable (PLC) de la familia
micrologix 1500, que permite actuar, monitorear y
mantener las variables propias del proceso, tales como
temperatura, nivel, concentración de oxigeno y pH, en un
estado de funcionamiento normal . Adicionalmente se presenta, el
sistema de control que consta de una serie de
instrumentación o equipos conectados a un sistema SCADA,
que permiten proporcionar la información necesaria al
operador o supervisor del proceso de fermentación en el
área de biotecnología de la Facultad de Ciencias
Agropecuarias de la Universidad del Cauca.

Introducción

En el mundo el proceso de fermentación es muy
utilizado en muchas aplicaciones industriales. En el sector de
los alimentos tienen muchísima importancia, en el sector
de lácteos es fundamental, en la panadería es muy
útil, pero en el sector mas conocido y del cual talvez se
obtienen los mas altos rendimientos de producción es del
sector cervecero y de vinos. Países como Alemania y
Francia son conocidos por producir las mayores cantidades y
calidades en estos productos.

En Colombia, durante muchos años la
producción de  bebidas alcohólicas ha sido una
gran fuente de ingresos para muchas familias que viven de este
negocio.  El principal compuesto que es el alcohol
etílico se obtiene en su gran mayoría  de un
proceso de fermentación y una destilación
posterior.

La fermentación es una reacción de
oxido-reducción realizada por bacterias como las levaduras
que son microorganismos que trasforman  tres posibles
monosacáridos (glucosa, fructosa y galactosa) en alcohol
etílico y CO2 mezclado con algunos desechos. El
 proceso de fermentación es simple y los sobrantes,
como el bagazo, es utilizado como alimento para animales o
combustible. En la fermentación de caña de
azúcar no solo se produce etanol sino también
butanol, glicerina, ácido cítrico y ácido
levulínico.

La implementación de un sistema de control que
permita la obtención de alcohol etílico a partir de
levaduras es el reto que tiene el programa de Ingeniería
Agroindustrial de la Universidad del Cauca, razón por la
cual se realiza un trabajo entre estudiantes e ingenieros de la
universidad del Cauca para lograr diseñar un sistema de
automatización para el proceso de fermentación
etílica que logra alcanzar ciertos aspectos óptimos
de producción. Inicialmente se realiza una
observación detallada de la situación actual del
proceso y se abordan los posibles espacios, métodos o
equipos que no están aportando de manera eficiente para el
proceso y sobre los cuales se podría actuar.

Se desarrolla un sistema que permita la
optimización de los recursos utilizados para el proceso de
fermentación que se realiza actualmente en el área
de biotecnología de la Facultad de Ciencias agropecuarias
de la universidad del Cauca (como se muestra en el laboratorio de
biotecnología, ver figura 1) y poder brindar una
herramienta académica que familiarice de alguna forma a
los estudiantes con el campo industrial y los diferentes sistemas
e instrumentación con que se van a encontrar en su
desarrollo profesional.

Figura 1. Área de
Biotecnología.

• 1. Sistema de alarmas 11.
  Lavamanos

• 2. Incubadora analógica 12.
  Columna de destilación de OH

• 3. Incubadora digital 13. Compresor de
  aire

• 4. Autoclave manual 14. reactivos
  químicos

• 5. Horno eléctrico 15.
  Recipientes plásticos

• 6. Autoclave eléctrica 16. Stand
  de equipos lab. biotecnología

• 7. Autoclave a presión 17.
  Refrigerador

• 8. Tablero acrílico 18.
  Mesón de laboratorio

9. Calentador eléctrico 19. Butacas
de madera

10. Destilador de agua.

Como muchos procesos de producción que podemos
encontrar en la industria es el de crear, idear o proponer
metodologías de procedimiento de producción que
permitan optimizar el proceso de la mejor forma. El proceso de
fermentación no es la excepción y más si
consideramos el hecho de que el origen y aplicación actual
de este proceso es más de tipo académico, de
aprendizaje, de experimentación y que talvez no se haya
pensado, hasta el momento, en una posible implementación y
producción industrial.

Figura 2. Equipos para el proceso de
oxigenación de las levaduras

Actualmente se tiene una producción bastante
manual, como se muestra en la figura 1 y 2, donde intervienen
muchas personas haciendo tareas muy técnicas o
mecánicas. Métodos, instrumentos o equipos que no
permiten aumentar la producción, mejorar tiempos de
trabajo, de esfuerzo, de personal, de calidad, etc. Las variables
(temperatura, pH, densidad, cantidad de volúmenes de
materia prima, nivel, etc) y situaciones "extrañas" del
proceso no son medidas, supervisadas ni mucho menos
controladas.

Figura 3. Obtención de alcohol
a escala de laboratorio

Con el planteamiento técnico y financiero
realizado inicialmente de este proyecto se logra ofrecer un
sistema de automatización que busca mejorar el
procedimiento del proceso y por lo tanto de los resultados
obtenidos del mismo. De esta manera se plantea un sistema basado
en un controlador lógico programable (PLC) y un sistema
SCADA, que en conjunto permiten adquirir la información de
los instrumentos de campo, hacer y ejecutar una ley de control
sobre el proceso con la supervisión y monitoreo de un
operario desde una sala u área de control. Esta
implementación permitirá reducir notablemente los
costos de producción convirtiendo un proceso como la
fermentación en un generador de eficiencia, rendimiento y
desarrollo optimo dentro de un proceso productivo o como segmento
de producción más grande.

Marco
teórico

2.1 LA FERMENTACIÓN
ALCOHÓLICA

La fermentación es el proceso donde la glucosa es
transformada por un microorganismo en etanol y en una serie de
componentes con especiales cualidades sensoriales (olor y sabor)
y con desprendimiento de CO2 y calor.

Para tener una idea, la transformación de 1 Kg.
de azúcar, produce aproximadamente 500 a 520 gr. de
alcohol y de 480 a 500 gramos de CO2.

2.2 LA LEVADURA:

Las levaduras son microorganismos unicelulares, pero con
una evolución apreciable, de manera que les hace estar mas
cerca de la escala evolutiva de los vertebrados que de las
bacterias, por lo que tendrán un metabolismo complejo,
capaz de generar toda una serie de productos.

Dentro del género Saccharomyces (que engloba
más de 20 especies), solo la S. Cerevisiae y la S.
Bayanus, son importantes en la fermentación.

El crecimiento y desarrollo de la levadura, como
cualquier microorganismo, esta condicionado por un número
de factores y condicionantes físico-químicos.
Así llamamos "factor limitativo" a aquel cuya ausencia o
modificación acarrea la detención del crecimiento,
evitando la presencia de estos factores se consigue que todo se
desarrolle según los intereses.

Es importante tener claro que el desarrollo de la
levadura y la fermentación están íntimamente
ligados. El azúcar se transforma a medida que las
levaduras se multiplican. Por lo tanto la fermentación
será más rápida, cuando las levaduras se
reproducen con rapidez.

2.3 NECESIDADES DE LA LEVADURA DE
CERVEZA

– OXIGENACIÓN:

La limitación de la aireación, hace que la
fermentación sea mas lenta, las tasas de
fermentación son menores (se fermenta menos
azúcar), con lo que será difícil transformar
todo el alcohol.

Si sometemos a la solución a una aireación
constante. Obtendríamos un incremento en el crecimiento de
las levaduras y más rápida es la
descomposición del azúcar.

– TEMPERATURA:

Tabla 1. Rango de temperatura en la
fermentación

La fermentación es el doble de rápida a
30ºC, que a 20ºC, o lo que es lo mismo, por cada grado
que se eleva la temperatura las levaduras transforman el 10% mas
de azucares en el mismo tiempo.

Un mosto de 200 gr./l de azúcar, fermentaría en
3 o 4 días a 30ºC, tardaría 15 días a
20ºC, pero semanas a 10ºC. 

La mayoría de las Saccharomyces tiene su
máximo de desprendimiento de CO2 a 20ºC.

 - ACIDEZ:

Se fermentan mas azucares en un medio neutro que en uno
ácido. Para su crecimiento, la levadura tiene un
óptimo de pH entre 4 y 6. Un pH alcalino ralentiza el
crecimiento de las levaduras. Este rango debe garantizarse en el
proceso.

– ALCOHOL:

La resistencia al alcohol, depende de cada levadura. La
proporción de azúcar transformado y el alcohol
formado, disminuye en presencia de un medio parcialmente
alcoholizado (atención a los que se plantean el cambio de
parte de la solución de agua y azúcar).

CO2:

Solo en casos en que se produce la fermentación
bajo presión, puede ser un factor importante, llegando a
parar la fermentación. Si el CO2 escapa libremente, carece
de importancia.

– AZÚCAR:

El exceso de azúcar, puede paralizar o impedir la
fermentación, basándose simplemente en el
fenómeno de la osmosis. Así es fácil deducir
que no por añadir mas azúcar obtendremos mas
alcohol y por tanto mas CO2.

En enología se conoce como grado
alcohólico probable el resultado de dividir la
concentración en gramos por litro de azúcar por 17.
Si pensamos en las graduaciones normales de los vinos
jóvenes (aproximadamente de 10 a 12º), es
fácil deducir la cantidad de azúcar apropiada que
deberíamos de añadir.

Diseño

Se plantea un sistema de automatización (ver
figura 4), que lo integran un Controlador Lógico
Programable (PLC) de la familia micrologix 1500 de Allan
Bradlley, un sistema SCADA que permite la supervisión y
monitores del proceso, una marmita industrial de 220 VAC, 8
electrovalvulas y un agitador eléctrico de 12VDC como
actuadores del proceso, sensores del proceso: sensores de
temperatura, de nivel, concentración de oxigeno y pH, que
permiten conocer el estado de las variables, un sistema
neumático alimentado por un compresor de 550W y 90Lbs de
capacidad para permitir el cierre y apertura de la compuerta de
la marmita por medio de un pistón que actúa
directamente sobre ella, el compresor también permite
suministrar controladamente cantidades de oxigeno al fermento en
proceso. Se tienen también 14 circuitos de control, 10
para transmitir la señal de salida del controlado hacia
cada uno de los actuadores de campo y los cuatro circuitos de
control restantes para adquirir la señal leída por
los sensores del proceso.

El sistema diseñado tendrá el siguiente
funcionamiento:

• 1. Activación del
  sistema.

Un operador o encargado de dar inicio al proceso de
fermentación enciende o activa el sistema energizando la
instrumentación de campo. Además de esto
también previamente se debe realizar una
observación preventiva y si es necesario una
verificación del buen estado de los elementos de
campo.

• 2.  Apertura de compuerta de la
  marmita.

La apertura de la compuerta de la marmita se
podrá realizar de forma esporádica por parte del
operador o sino de acuerdo al diseño software que se
disponga para este sistema. Teniendo en cuenta que esta tarea es
realizada por personal capacitado y que las sustancias utilizadas
en el proceso de obtención del alcohol no son nocivas para
la salud. Desde el sistema supervisorio se podrá dar la
orden de apertura de la compuerta o por cumplimiento de alguna
condición software del sistema se abrirá en ese
momento.

• 3. Adición de la solución,
  sustancias o compuesto en la marmita.

Con la supervisión de una persona experta en el
proceso de fermentación, la cual verifica la cantidad de
levadura, melaza, condiciones del medio que se deben presentar
(temperatura, concentración de oxigeno, etc.), y teniendo
en cuenta producción fijadas por los encargados del
proceso, se agrega la sustancia que se quiere fermentar por el
sistema de control.

La cantidad de melaza que se debe suministrar a la
marmita esta programada desde software y se ejecuta por medio de
una electrovalvula ON/OFF, para que se introduzca la cantidad
correcta en el momento correcto. La cantidad de levadura que se
debe agregar a la marmita se hace de forma manual por el
operador. Esto es debido a que esta fase del proceso es
fundamental para la adecuada obtención del alcohol, por lo
cual se debe hacer cargo personal calificado.

Figura 4. Diseño realizado
para el proceso de fermentación.

• 4. Inicio de la fase
  aerobia.

Esta fase del proceso dura aproximadamente 48 horas,
aunque con la manipulación de las condiciones del medio
que permite hacer este tipo de sistema, se estima dure menos. De
esta forma, durante el tiempo que dura esta fase se llevaran a
cabo periódicamente toma de muestras y seguidamente se
observaran y analizaran en el microscopio por parte de personas
encargadas; esto permite saber el estado, crecimiento y
comportamiento de las levaduras, con lo que se podrá
entrar a actuar sobre rangos de temperatura, cantidad de oxigeno
presente, grado pH de la sustancia y demás manipulaciones
que se puedan hacer con el fin de optimizar el proceso de
fermentación, que consistiría básicamente en
aumentar el crecimiento de las levaduras, disminuir el tiempo de
duración de esta fase, extraer la mayor cantidad de etanol
de las moléculas de azúcar y obtener un producto de
muy buena calidad.

• 5. Finalización de fase
  aerobia

Esto ocurre de acuerdo a la observación y
consideraciones que puedan tomar los encargados después de
analizar las muestras realizadas del fermento. De esta manera se
cierra la compuerta de la marmita y se da inicio a la segunda
etapa, la fase anaerobia.

• 6. Inicio de fase
  anaerobia.

Luego de que se a cumplido la fase aerobia se da inicio
a la fase anaerobia, donde se suspende el suministro de oxigeno a
la sustancia y a las levaduras del proceso, dando comienzo a la
ultima etapa de este proceso de fermentación. Esta inicia
cuando se considera que el crecimiento del cultivo de levaduras
es de tipo exponencial.

• 7. Finalización fase
  anaerobia.

Una vez finaliza la etapa anaerobia se abre la compuerta
de la marmita y se deja reposar cierto tiempo para que se separe
la parte mas liquida, la cual contiene la mayor
concentración de etanol. Por parte del personal autorizado
se realiza la verificación de la calidad y estado del
proceso y una vez se considere viable, se abre la válvula
de salida hacia el tanque de descarga y se da por terminado el
proceso de fermentación para la cantidad dispuesta en el
contenido de la marmita. El sustrato o sustancia densa que queda
en el fondo de la marmita luego de terminar el proceso y de
extraer el etanol, se expulsa hacia un depósito dispuesto
para esta sustancia por medio de una electrovalvula. Luego de
esto el sistema, teniendo en cuenta consideraciones
técnicas y de funcionamiento por parte del personal
autorizado, quedara listo para realizar nuevamente el proceso de
fermentación indicado.

En esta etapa la agitación se hace también
de manera continua y bastante lenta, y solo hasta cierto tiempo
antes de terminar esta fase. Es importante mencionar que durante
la etapa aerobia se tiene activado de manera constante el
agitador, que permite:

• Tener una buena oxigenación de las
  levaduras.

• Mantener en continuo contacto las levaduras con toda
  la azúcar disponible en la marmita.

• Que la manipulación que se pueda ejercer
  sobre las variables del proceso (temperatura, pH y oxigeno)
  se han efectivas.

Desde el sistema supervisorio realizado en RSView (la
programación del PLC en RSlogix y el supervisorio asociado
no se realizan en este proyecto, es mucho mas técnico y
depende de los criterios de producción que se adopten al
considerar esta propuesta), desde un área de control se
podrá monitorear el funcionamiento del proceso y actuar
sobre él de forma eficiente y productiva.

Figura 5. Micrologix
1500

Se decide seleccionar un controlador lógico
programable (PLC), figura 5, como elemento central y
cerebro del proceso, porque permite mayor confiabilidad y
eficiencia en el manejo de las variables y del tratamiento de la
información que se adquiere de ellas. Además de ser
un instrumento industrial muy confiable permite la flexibilidad
en el momento que se requiera hacer modificaciones de
procedimiento o de equipos dentro del proceso. También,
algo bien importante que hay que considerar es el hecho de contar
con el conocimiento y experiencia de haber manipulado este tipo
de instrumento y de los equipos e interfaz de comunicación
que se requieren para efectuar el control.

Se propone realizar un sistema de SCADA para integrar el
supervisado y funcionamiento del sistema desde una
estación central o desde un lugar alejado de ambientes
hostiles y pesados que se puedan generar en este tipo de
procesos, que despliega y procesa datos para que los operadores
puedan supervisar y evaluar el sistema en tiempo real. Esto
permite observar condiciones atípicas o anormales que
pueden servir como indicadores de amenazas potenciales.

Resultados

Al plantear la problemática y establecer una
posible solución a la misma, se propone llevar a cabo la
implementación del sistema descrito a lo largo de este
documento con el fin de optimizar el método llevado a cabo
en el proceso de fermentación para la obtención de
alcohol etílico a partir de la melaza. De acuerdo al
estudio realizado para realizar esta propuesta se considera que
al tener el sistema funcionando se lograra observar que
evidentemente el sistema utilizado satisface las condiciones y
requerimientos propuestos inicialmente por las partes.

Adicionalmente, con el paso del tiempo, se lograra
obtener importantes resultados que permiten a la empresa ahorrar
significativamente consumos de potencia, ejecutar tareas de
análisis en forma mucho más continua, aumentar y
flexibilizar la producción y contar con información
total del estado del sistema en un tiempo dado, lo que resultara
valioso para medir características de desempeño y
de capacidad de los equipos. Con base en lo anterior, se logra
demostrar que el desarrollo de esta aplicación cumple con
los objetivos o metas previstas de ganar eficiencia y reducir
costos a través de la implementación de un proceso
de automatización.

Conclusiones

1. Con la automatización del proceso de
fermentación se logra optimizar los recursos disponibles,
mayor confiabilidad y seguridad del proceso controlado, mejorar
la calidad de producción, enriquecer el conocimiento de
los estudiantes con un sistema de automatización de un
proceso real del sector industrial, flexibilidad para expansiones
futuras

2. Es de anotar que aunque el proceso reviste
mejoras y beneficios significativos su implementación
inicial es costosa, factor que debe analizarse muy bien en el
momento de la planeación y de ser posible descartar otras
opciones.

3. Se debe tener en cuenta que debido a los
enormes avances tecnológicos que se dan día a
día, se hace estar al tanto del surgimiento de nuevas
técnicas y dispositivos que ofrezcan ventajas en cuanto a
su aplicabilidad en los diferentes ámbitos de la
ingeniería en automática industrial en
relación a este tipo de proceso productivo, con miras a
que se analice su viabilidad y factibilidad de
aplicación.

Referencias

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producción de alcohol etílico a partir de la
caña de azúcar. Bogota, 1980. Tesis (Ingeniero
Industrial). Universidad de los andes. Facultad de
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GIRAL PEREIRA, José. Fermentos.
México, D.F. La Casa de España en México,
1940

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www.zonadiet.com/bebidas/fermento.htm

BIOLOGÍA. Fermentación.

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GEPLACEA, "La diversificación de la agroindustria
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GOOGLE. Sensores.

www.google.com/dispositivosdemedida/sensores.
html

Autor:

Pablo Turmero