Desarrollo industria alcoholera. (página 2)

Este efecto de inhibición aeróbica se
conoce con el nombre de reacción o efecto Pasteur. Tal
efecto no se produce cuando en lugar de células vivas se
utilizan extractos de levadura. Se manifiesta, sin embargo, de
nuevo, si se añaden al sustrato enzimas
óxido-reductoras. Podría suponerse que el efecto
era causado por algunas enzimas desconocidas. Lo que hoy se sabe
acerca de las modificaciones producidas por el efecto Pasteur
indican que no es probable que tales enzimas sean los
únicos agentes que afectan el mecanismo de control. Se han
supuesto muchas explicaciones del efecto Pasteur, entre ellas las
expuestas por Nord y Weiss, pero sin señalar
exclusivamente la causa de este efecto a una enzima especifica,
más bien se inclina por explicarlo a partir de varios
factores combinados. (Sánchez, 1996; Navarro,
2009).

En 1897 el químico alemán Eduard Buchner,
descubrió que un extracto de levaduras libre de
células puede producir fermentación
alcohólica. Preparó un jugo de levaduras (que
tenían la propiedad de producir a partir de azúcar,
etanol y dióxido de carbono), triturándolas con
arena y sometiéndolas a elevada presión. La antigua
incógnita fue entonces resuelta, la levadura produce la
enzima y esta lleva a cabo la fermentación. (Enciclopedia,
2002; Navarro, 2009). Este descubrimiento prestó gran
empuje a los estudios subsiguientes sobre las reacciones
intermedias de la fermentación alcohólica. Luego,
el primer paso importante para aclarar el mecanismo
bioquímico de la fermentación lo dieron los
alemanes quienes observaron que la fermentación
podía producirse sin las células vivas de levadura,
demostrando así por vez primera que este proceso
metabólico se llevaba a efecto catalizado por enzimas o
fermentos. (Sánchez, 1996; Navarro, 2009). El
dióxido de carbono y el etanol, son el resultado principal
de la fermentación alcohólica, pero se
descubrió pronto que durante el proceso fermentativo se
encontraban presentes otros productos, aunque en cantidades
pequeñas, tales como el acetaldehído (CH3CHO),
glicerol (CH2OH-CH-OH-CH2-OH), ácido pirúvico
(CH3CO-COOH) y otros. En 1905 Harden y Young descubrieron la
importancia de los fosfatos en la fermentación sin
células. Demostraron que durante la primera parte de la
fermentación desaparecen los fosfatos inorgánicos
mientras se producen fosfatos orgánicos, como
ésteres de hexosa.

El difosfato de hexosa es un intermediario importante en
los esquemas de Embden –Meyerhof y otros autores, sobre el
desdoblamiento de los hidratos de carbono. Este compuesto tiene
dos restos de fosfato o ácido fosfórico, unidos al
primero y al sexto átomo de carbono de la hexosa, que
parece ser la fructosa. Se han procesado dos monofosfatos de
hexosa que tienen propiedades distintas:

• El éster de Robinson ( éster – 6
  – fosfórico de la glucopiranosa)

• El éster de Neuberg ( éster – 6
  – fosfórico de la fructofuranosa)

Robinson y Morgan han aislado un fosfato de la trehalosa
a partir de una fermentación llevada a cabo con levadura
desecada. El esquema de Neuberg para el mecanismo de la
fermentación alcohólica está basado en
parte, en el hecho de que el ácido pirúvico es un
intermediario y fermenta a una velocidad igual a la de la glucosa
y también en la posibilidad de aislamiento de una
triosa.

La formación de la glicerina que sobreviene
pasajeramente durante la fermentación alcohólica se
puede proseguir de formas diferentes. C. Neuberg y L. Hirson
agregaban sulfito o bisulfito de sodio, con lo cual se fijaba el
acetaldehído y por ello, no podía actuar como
aceptor de hidrógeno. Esta forma de fermentación
glicérica se denomina segunda ecuación de Neuberg.
La cantidad de glicerina formada en estos procesos depende de la
especie de la levadura y de la composición del
líquido fermentativo.

(Segunda ecuación de Neuberg)

Desde el punto de vista teórico, de 100 kg de
hexosa deberían formarse 57 kg de glicerina, pero en la
práctica esta cantidad difícilmente rebasa los 20
kg y además de glicerina también se forma algo de
alcohol, ya que debido a la acción tóxica de
sulfito, a la levadura no se le puede agregar tanta cantidad de
sulfito como para fijar el aldehído.

Así mismo, Neuberg ha demostrado que la glicerina
también puede obtenerse en grandes cantidades cuando la
fermentación se efectúa en sustrato alcalino, es
decir, con un pH = 8.95. Entonces no se produce ninguna
desasimilación entre los fosfatos de triosa, con la cual
el azúcar se descompone en glicerina, acetaldehído
y dióxido de carbono.

Evidentemente, ha quedado bien establecido que las
enzimas de los microorganismos son las responsables de que un
sustrato, de origen azucarado, amiláceo o
celulósico, pueda ser transformado en el producto de
nuestro interés (alcohol etílico). (Sánchez,
1996; Navarro, 2009)

Tradicionalmente las levaduras, han sido las más
utilizadas para esta transformación de los diferentes
sustratos, entre ellas podemos citar:

• Saccharomyces cerevisiae.

• Saccharomyces anamensis.

• Saccharomyces cerevisiae var.
  ellipsoideus.

• Candida seudotropicalis.

• Kluyveromyces marxianus.

• Kluyveromyces fragilis.

• Saccharomyces carlbergensis.

• Saccharomyces uvarum.

Fermentación
alcohólica

Fermentación:

No es más que la degradación de las
moléculas combustibles, para los seres vivos, para obtener
energía.

La fermentación alcohólica es el proceso
principal para obtener alcohol etílico. Diferentes
procedimientos tecnológicos pueden ser:

• Método Melle – Boinot.

• Sistema Jaquemine.

• Sólido.

• Sumergido.

• Inmovilizada.

• Al vacío.

Fermentación Método Melle –
Boinot

Este sistema concibe la idea de recuperar la levadura
contenida en baticiones fermentadas y utilizarlas en
fermentaciones posteriores. Se previene la contaminación
bacteriana al tratar la crema centrifugada con ácido
sulfúrico a pH 1.5 – 2.0 durante 2 horas. Algo muy
importante es que se requiere una temperatura de 32 ºC en
fermentadores. Si se compara este método con el sistema
Jaquemine, vemos que posee una mayor productividad y
además permite la recuperación de levaduras que
pueden ser destinadas a la alimentación animal y la
recirculación de la misma.

Si vemos las condiciones objetivas de Cuba este sistema
resulta peligroso y caro ya que el riesgo de la
contaminación siempre está presente y esto equivale
a pérdidas sustanciosas en tiempo y dinero. Por otro lado
es un sistema caro ya que para mantener la temperatura de los
fermentadores en 32 ºC se requiere de una planta de
refrigeración que es sumamente costosa. Si a esto le
sumamos la centrifugación y separación de
levaduras, entonces se encarece aún más. (David,
1986; Navarro, 2003; Navarro, 2008; Navarro, 2009)

Fermentación Sistema Jaquemine

El proceso de fermentación discontinua consiste
en realizar las fermentaciones en fermentadores independientes
unos de otros, mediante la adición en cada uno de ellos
del fermento y la miel diluida. La etapa inicial del ciclo es la
necesaria limpieza del fermentador. La etapa de llenado del
fermentador, como un paso más en el desarrollo y
multiplicación de las levaduras la podemos acometer de 3
formas diferentes:

• 1.  De modo lento y continuo.

• 2.  En tres o más etapas de llenado
  llamadas "refrescos".

• 3.  De modo rápido y
  continuo.

La elección del método depende
fundamentalmente de los recursos de refrigeración
disponibles, ya que el propósito es evitar la
elevación de la temperatura más allá de los
niveles aceptados por los microorganismos. (David, 1986;
Sánchez, 1996; Navarro, 2003; Navarro, 2008; Navarro,
2009). El proceso industrial de obtención de alcohol lleva
dos etapas, una aeróbica y otra
anaeróbica

Etapa aeróbica:

Para obtener etanol es necesario primeramente la
reproducción de las células de los microorganismos
empleados en el proceso, ya que a mayor población de
microorganismos en el proceso obtendremos mayor cantidad de
etanol. Esto se logra durante la etapa aeróbica durante la
cual se adiciona el oxigeno necesario para que los
microorganismos se multipliquen. (David, 1986; Sánchez,
1996; Navarro, 2003; Navarro, 2008; Navarro,
2009)

Etapa anaeróbica:

Esta es la etapa final del proceso de
fermentación. Es un sencillo y primitivo mecanismo
biológico que permite la obtención de
energía de las moléculas nutritivas
(azúcares). Esta etapa ocurre en ausencia de
oxígeno. (David, 1986; Sánchez, 1996; Navarro,
2003; Navarro, 2008; Navarro, 2009)

Fermentación sólida

Este tipo de fermentación ocurre en ausencia de
líquido y generalmente en frutas, materias azucaradas y
materiales lignocelulósicos, puede ocurrir
espontáneamente o mediante el empleo de levaduras, hongos
o enzimas. Ocurre generalmente en bandejas (Dustet, 2006;
Navarro, 2009).

Fermentación sumergida

Este tipo de fermentación, es la que se realiza
dentro de los fermentadores en presencia de líquido
(Navarro, 2003; Navarro, 2009).

Fermentación inmovilizada

Este es un tipo de fermentación novedosa, y
dentro de ella las células inmovilizadas son las
más empleadas. Este es un proceso más eficiente
donde se han variado las levaduras y los azúcares a
fermentar con la finalidad de obtener alcohol
etílico.

En la producción de glucosa y celobiosa (Herrera,
1981, Navarro, 2009) se ha inmovilizado la enzima a –
glucosidasa de Aspergillus phoenicis en presencia de
alúmina y celulosa para la hidrólisis de los
materiales lignocelulósicos. Se han utilizado las
células de Saccharomyces cerevisiae inmovilizadas en
alginato para producir etanol a partir de glucosa (Biotech and
Bioeng, 1995; Navarro, 2009).

En 1994, Sauroman ha utilizado células de Pichia
stipitis inmovilizadas para producir etanol a partir de
xilosa.

En 1992 Iconomou, en Grecia ha utilizado células
de Saccharomyces cerevisiae en gamma – alumina Houndry Ho
415 pellets cilíndricos para reducir los costos de
producción del etanol a partir de melazas.

Se ha desarrollado la sacarificación con
células inmovilizadas de hongos Aspergillus awamori y
comparado lo resultados con los de la sacarificación con
células de Saccharomyces pastorianus para producir etanol
a partir de celulosa (Fujii y colbs, 2001; Navarro,
2009).

En Brasil se está utilizando la tecnología
Lentikats para la inmovilización de células de
Zymomonas mobilis en gel PVA (alcohol polivinílico), el
cual es más barato, no es tóxico, no es
biodegradable y posee una buena estabilidad mecánica,
entre otras propiedades (Rebros y colbs, 2006; Navarro,
2009).

Evolución
de la destilación y la
rectificación

El primer tratado sobre destilación fue publicado
por Arnaud de Villenove en 1478, pero fue Raymond de Lluye en
España el primero en divulgar la destilación en
Europa. El francés Charentel destiló vino de mala
calidad, apareciendo el brandy (González, 1997; Navarro,
2009). Simultáneamente con el gran progreso en el campo de
la fermentación ocurrió un notable progreso en los
equipos mecánicos de las destilerías. A fines del
siglo XIX aparecieron los aparatos de destilación con
calderas múltiples, que representaron un gran avance en
relación con los alambiques simples. El desarrollo
técnico del siglo impulsó la
industrialización del alcohol, sus múltiples usos
lo convirtieron rápidamente en uno de los productos
industriales de mayor valor y significación.

Durante el siglo XX otros acontecimientos
científicos e innovaciones tecnológicas han hecho
progresar notablemente esta industria y en poco tiempo han
ejercido una influencia modernizante y progresista en las
destilerías de alcohol (David, 1986; Navarro,
2009).

Destilación y
rectificación

La destilación tiene por objeto separar uno o
más líquidos entre si o de sustancias disueltas en
ellos, aplicando los fenómenos de vaporización y
condensación.

Es evidente que cuando se evapora una mezcla de dos
líquidos, la cantidad proporcional del componente
más volátil será mayor en los vapores que en
la mezcla líquida original. Si estos vapores son
condensados sucederá que en la nueva mezcla líquida
que se obtiene, la cantidad proporcional del componente
más volátil será igual a la de los vapores.
Esta operación se denomina destilación simple y se
aplica en muchos procesos industriales y de laboratorio. En sus
primeros tiempos la industria alcoholera utilizó la
destilación simple mediante aparatos llamados
alambiques.

El alambique consiste en un recipiente cerrado que tiene
en su parte superior un tubo conectado a un serpentín por
cuyo exterior se hace circular agua. Dentro del recipiente se
pone el líquido a destilar y se le aplica calor hasta
alcanzar el punto de ebullición. Los vapores emitidos
pasan al serpentín, donde se condensan. Este es el
procedimiento primitivo de destilación para
fabricación de aguardiente.

Si repetimos sucesivamente las operaciones descritas de
destilación y condensación simple, es posible
obtener un líquido en el que progresivamente
aumentará la concentración de alcohol, tal
operación es la destilación fraccionada.

Los vapores emitidos no se condensan totalmente de una
sola vez en un condensador, sino en 2 ó 3 etapas, en otros
tantos condensadores en serie, por lo que se obtendrá en
los distintos condensadores, líquidos de diferentes
composiciones. Si la mezcla es de agua – alcohol, el
líquido del primer condensador será más rico
en agua que el obtenido en el segundo condensador y el de este a
su vez será más rico que el del tercero. Este es el
fundamento de la condensación fraccionada.

En la industria alcoholera el proceso denominado
genéricamente destilación, consiste en la
destilación, seguida de rectificación y
condensación fraccionadas (David, 1986; Navarro,
2009).

En las últimas décadas del siglo XX se
desarrolló la destilación al vacío, en la
destilación alcohólica con el objetivo de mejorar
esta operación disminuyendo el tiempo requerido para
destilar y reduciendo las temperaturas de ebullición de
los líquidos. Es decir es un método para destilar
sustancias por debajo de su punto de ebullición. Cuanto
mayor es el grado de vacío, menor es la temperatura de
destilación. Por lo que la principal ventaja de este
método es la utilización de bajas temperaturas
(Domenech, 2006; Navarro, 2003; Navarro, 2009;
www.alambiques.com).

Obtención del aguardiente
industrial

Tiene lugar en la columna destiladora, la cual tiene la
función de extraer del líquido fermentado la
totalidad del alcohol que este contiene. Tal extracción es
llamada destilación y proporciona un producto de
composición compleja que contiene 40 – 70 % de
alcohol en volumen y cantidades importantes de aldehídos,
esteres, ácidos, alcoholes superiores y agua. Este
producto es el que se llama aguardiente en el lenguaje de oficio,
pero de acuerdo a la terminología técnica se
denomina flegma. Si esta flegma o aguardiente es sometida a una
rectificación posterior obtendremos un alcohol de calidad
apropiada (David, 1986; Navarro, 2009).

Obtención del alcohol de
cabezas

El alcohol de cabezas se obtiene en los condensadores de
la columna rectificadora. La columna rectificadora, tiene la
función de obtener en el mayor grado de pureza posible, el
alcohol contenido en las flegmas o aguardiente procedente de la
columna destiladora.

Esta columna funciona bajo el mismo principio de
destilación que la destiladora: Un líquido que
desciende a contracorriente con vapores, ocurriendo en cada plato
una condensación y una vaporización con el
consecuente enriquecimiento de los vapores en alcohol. Entre
ambas columnas existe una importante diferencia de
operación: La destiladora se alimenta en un plato superior
y la rectificadora en un plato inferior.

Una vez obtenidos los vapores alcohólicos en la
columna rectificadora, estos pasan a los condensadores.
Aquí es donde se produce el alcohol de cabezas. Del flujo
que al primer condensador llega, una parte es retrogradada a la
columna para mantener la relación de reflujo necesario que
permita la calidad del alcohol pasteurizado. La otra parte es
conducida hasta el condensador secundario, donde ocurre la misma
operación, ya que la condensación es también
fraccionada, luego esta corriente pasa al condensador terciario,
donde se termina de completar la operación.

Hay dos teorías clásicas, enunciadas a
fines del siglo XIX por dos eminentes científicos
franceses, a quienes se debe fundamentalmente el desarrollo de la
rectificación continua.

Ernesto Sorel sostiene que la eliminación
de una impureza en la rectificación es dependiente del
grado de solubilidad de esa impureza en alcohol concentrado y
caliente. Su idea tiene una expresión matemática
muy sencilla.

i = K * I

Donde: i – peso de la impureza contenida en 1 kg
de vapor.

K – coeficiente que es función de la
composición del líquido generador.

I – peso de la misma impureza en 1 kg de
líquido generador de vapor.

El valor de K fue obtenido experimentalmente para
distintas impurezas en flegmas típicas y es conocido como
el coeficiente de Sorel.

Emilio Barbet admite la diferencia de solubilidad
de las impurezas, pero se apoya preferentemente en las
diferencias de los puntos de ebullición de las impurezas
con respecto al alcohol etílico. Unas tienen un punto de
ebullición inferior al alcohol etílico y otras
superior.

Barbet determinó el coeficiente K" y lo
llamó coeficiente de purificación, el cual
relaciona la concentración de las impurezas y la del
alcohol, tanto en el líquido como entre los
vapores.

K" = (i / d) / (I / D) I / D = e y i / d = s entonces K"
= s /e

Donde: i – peso de la impureza en 1 kg de
vapor.

I – peso de la impureza en 1 kg de
líquido.

d – peso del alcohol en 1 kg de vapor.

D – peso del alcohol en 1 kg de
líquido.

También Barbet determinó valores de K"
para diversas impurezas.

El líquido resultante de la condensación
parcial de los vapores en el calientavinos, es retornado o
retrogradado al plato más alto de la columna. Este
líquido contiene más agua, es decir, es menos rico
en alcohol que el obtenido en el segundo condensador. Entra al
plato superior y desciende para terminar uniéndose a la
batición que entra en el plato de alimentación. En
el descenso hace contacto con los vapores ascendentes y mediante
los mecanismos ya explicados, los vapores se enriquecen en los
productos más volátiles, en tanto en el
líquido permanecen el agua y los componentes de punto de
ebullición más alto.

Los primeros vapores despedidos serán ricos en
los productos más volátiles, es decir, de
más bajo punto de ebullición, como son los
aldehídos, en consecuencia, el producto obtenido en la
primera fase de la rectificación será un alcohol
con alta proporción de productos más
volátiles que él. En el oficio este producto se
llama alcohol de cabezas o simplemente cabezas (Palacios, 1956;
David, 1986; Navarro, 2009).

Conclusiones

Teniendo en cuenta todo lo antes expuesto se puede
considerar que la industria alcoholera a partir de materias
primas azucaradas, es una industria en crecimiento sostenido.
Acontecimientos científicos e innovaciones
tecnológicas en los últimos 30 años, han
hecho progresar notablemente esta industria y en poco tiempo han
ejercido una influencia modernizante y progresista en las
destilerías de alcohol.

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• 14. Sánchez O. Monografía,
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• 15. 

Verónica Navarro Hernández:
Especialista del Grupo de Control de Calidad. Dirección de
Aseguramiento del CENSA. Graduada de Ingeniera
química–tecnóloga y Master en
Ingeniería Alimentaria (ISPJAE, 2009). Con 16 años
de experiencia en destilería y tres años en
laboratorio de control de producciones
biofarmaceúticas.

Autor:

Verónica Navarro
Hernández

Grupo de Control de Calidad.
Dirección de Calidad. Centro Nacional de Sanidad
Agropecuaria (CENSA). Carretera de Tapaste y 8 Vías. Apdo
10, San José de las Lajas, La Habana, Cuba