OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO FERMENTACIÓN

Memorias del XXXVI Encuentro Nacional de la AMIDIQ
5 al 8 de Mayo de 2015, Cancún, Quintana Roo, México
OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO FERMENTACIÓN-DESTILACIÓN DE MELAZA PARA
LA OBTENCIÓN DE BIOETANOL
Marco Antonio Parra Inzunzaa, Martín Castro Lópeza, José Luis Cristerna Gonzáleza, Jesús Raúl Ortíz del Castilloa, Ramón
Ignacio Castillo Lópeza, Arlete Du Pond Barreraa, Fernando Cázares Pérezb
a
Facultad de Ciencias Químico Biológicas, Universidad Autónoma de Sinaloa, Av. Américas y Bld. Universitarios, Culiacán,
Sin., CP 80030, MÉXICO. [email protected]
b
Centro de Instrumentos, Universidad Autónoma de Sinaloa, Av. Álvaro Obregón , Culiacán, Sinaloa, CP, MÉXICO.
Resumen
Dada la gran preocupación respecto al calentamiento global y las escasas reservas de petróleo, las
políticas energéticas se han orientado hacia la utilización de energías alternativas, y entre éstas, la
producción de biocombustibles más amigables con el ambiente. El etanol es considerado un recurso
energético sostenible, puesto que ofrece diversas ventajas sobre los derivados del petróleo, como son la
disminución en la producción de gases invernadero, disminución del costo del combustible, mayor seguridad
energética y apoyo a producciones agrícolas. Éste se obtiene a gracias a la acción de microorganismos sobre
los carbohidratos que se encuentran en productos vegetales, llevándose a cabo la fermentación alcohólica;
dichos carbohidratos pueden provenir de subproductos de grandes procesos industriales para la producción
del azúcar como la melaza; también pudiera ser directamente del jugo fresco de la caña de azúcar, entre
otros. El emplear estos subproductos o desechos como sustratos para ser fermentados y obtener etanol genera
una serie de oportunidades interesantes en el desarrollo de nuevas formas de energía renovable y en los
cuales se realice un proceso amigable con el medio ambiente. El propósito general de este trabajo se centró
en el aprovechamiento de la melaza mediante la optimización de las condiciones de fermentación para la
producción de etanol. La melaza fue preparada, pasteurizada, enfriada e inoculada con levadura activada
Saccharomyses cerevisiae. Se ajustó la concentración de azúcar y de levadura en función del diseño
experimental. Los mostos se dejaron fermentar durante tres días a condiciones normales. Las variables
de proceso escogidas fueron grados Brix del mosto y concentración de levadura. Se ajustó pH a 4.6
mediante la adición de ácido cítrico. Las gráficas de contornos de cada variable de respuesta se
sobrepusieron bajo la técnica de superposición de la Metodología de Superficie de Respuesta (MSR),
con lo cual se generó una región donde se ubican las mejores combinaciones de las variables de proceso,
seleccionándose el punto medio como la mejor combinación. Los mostos fermentados fueron destilados
en un alambique hechizo de acero inoxidable durante 30 minutos, recogiéndose las cabezas para su
ulterior análisis. Los datos experimentales se sometieron a análisis estadístico, se obtuvieron modelos
matemáticos del comportamiento de las variables de respuesta. En general la variable que más efecto
mostró fue la concentración de azúcar del mosto original. Se recomienda ampliar el trabajo para
determinar el rendimiento y calidad del alcohol destilado.
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ISBN 978-607-95593-3-5
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Introducción
El petróleo es un producto básico, siendo la principal fuente de energía usada en la actualidad a nivel
mundial. Éste debe ser extraído de las profundidades de la tierra, pero su disponibilidad no es uniforme en el
mundo; siendo un recurso no renovable y con proyecciones pesimistas a mediano plazo, pronosticando
problemas para satisfacer la demanda mundial, lo que se ve reflejado en los precios; generando así
repercusiones negativas en la economía de los países tercermundistas; por lo que se ha hecho indispensable
el estudio, desarrollo y uso de nuevos combustibles (7). Cada vez la demanda del petróleo se acelera debido
al crecimiento económico, derivado de la industrialización, mejoras en la infraestructura y urbanización de
países en desarrollo; trayendo consigo incrementos en los precios debido al escaso abastecimiento de este
producto. Adicional a esto, la utilización del petróleo como fuente energética trae como consecuencia daño
sobre el entorno natural, no solo por la producción de grandes cantidades de dióxido de carbono, el cual
aumenta la absorción de calor contribuyendo al calentamiento global, sino también por el impacto que tiene
sobre el territorio en el que se realizan las explotaciones. En la actualidad existe una gran preocupación por
el calentamiento global y las expectativas negativas de las reservas de hidrocarburos fósiles. En este
sentido la orientación de las políticas energéticas es la utilización de energías alternativas, y entre éstas,
la producción de biocombustibles más amigables con el ambiente. El etanol se perfila como un recurso
energético
potencialmente
sostenible,
de
alta
viabilidad
técnica,
que
puede
ofrecer
ventajas
medioambientales y económicas a largo plazo puesto que a diferencia del petróleo, éste se obtiene a partir de
fuentes vivas como microorganismos, los cuales realizan la fermentación de azúcares que pueden provenir de
subproductos de grandes procesos industriales; emplear éstos subproductos, como sustratos para ser
fermentados y obtener etanol, generan una oportunidad importante en el desarrollo de nuevas formas de
energía renovable y en los cuales se encuentre un desarrollo sostenible con el medio ambiente (8). El etanol
ha sido obtenido por fermentación de diversos sustratos, principalmente de la industria agro-azucarera,
aunque es posible obtenerlo de otras fuentes ricas en almidón o celulosa. Las principales responsables de la
fermentación de estos sustratos han sido levaduras como Saccharomyces cerevisiae, aunque existen estudios
que demuestran producción de alcohol empleando bacterias como Zymomona mobilis (9). En los últimos
años la melaza, se ha convertido en un sustrato de alto interés para la obtención de alcohol por medio de vías
fermentativas debido a su bajo precio y a que es considerado como un subproducto de la fabricación del
azúcar crudo. La melaza está compuesta principalmente de diversos azúcares los cuales pueden ser
fermentados por levaduras o bacterias, generando así un valor agregado para este subproducto y encontrando
una fuente renovable de energía para frenar la crisis que se avecina por el uso del petróleo, puesto que éste es
un recurso no renovable que tiende a agotarse rápidamente. Por lo anterior, el objetivo general de este
trabajo se centra en el aprovechamiento de la melaza, que es un líquido denso y viscoso de color
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obscuro, producto final de la fabricación del azúcar de caña, contiene sacarosa, glucosa, fructuosa y
rafinosa los cuales son fermentables, azúcar invertido, sales y otros compuestos, también sustancias
reductoras no fermentables (4, 5), mediante la optimización de las condiciones de fermentación para la
producción de etanol. El proceso consiste de adecuación de la melaza, inoculación, fermentación y
destilación del mosto fermentado.
Metodología
Se utilizó melaza y levaduras comerciales Saccharomyses cerevisiae. La melaza se diluyó y se sometió a
pasteurización (85°C, 15 min), posteriormente fue enfriada a 35°C, se inoculó con levadura activada
(40°C, 30 min). Se ajustó la concentración de azúcar (°Bx) y de levadura (g/L) en función del diseño
experimental. Los mostos se dejaron fermentar durante tres días en condiciones anaerobias. Se escogió
Diseño Central Compuesto Rotable de la MSR, de segundo orden, a cinco niveles de variación. Las
variables de proceso fueron grados Brix y concentración de levadura, con niveles alto y bajo de 10 y 20
°Bx para la primera, y 0.20 y 1.0 g/L para la segunda. Resultando trece corridas experimentales (2). El
pH se ajustó a 4.6 mediante la adición de ácido cítrico. Se tomó una muestra de 10 ml y se le adicionó
solución de NaOH al 0.1 N hasta vire de color para determinar la acidez titulable. Se utilizó
refractómetro digital Hanna Instruments (USA) para la determinación de los grados Brix. Se utilizó
densímetro de laboratorio para determinar los grados Gay Lussac. La densidad se determinó pesando un
volumen de mosto. Las gráficas de contornos de cada variable de respuesta se sobrepusieron bajo la
técnica de superposición de la MSR, con lo cual se genera una región donde se ubican las mejores
combinaciones de las variables de proceso, seleccionándose el punto medio como la mejor combinación
(1, 6, 3). Destilación. Los mostos fermentados fueron destilados en un alambique hechizo de acero
inoxidable durante 30 minutos, recogiéndose las cabezas para su ulterior análisis.
Resultados
En base al diseño experimental se realizaron las corridas y se obtuvieron los datos experimentales,
mismos que fueron sometidos a análisis estadístico.
Grados Brix: se destacó que los cambios fueron promovidos por la concentración de azúcar (°Bx) del
mosto original (X1, P ≤ 0.0001; X12, P ≤ 0.0001) dando como resultado el siguiente modelo matemático:
Y °Bx = 7.06 + 2.22 X1 + 0.75 X12
Este modelo de regresión múltiple explicó el 96.26% de la variación total (P≤ 0.0001) de los datos de
°Bx del mosto fermentado (Figura 1 y 2).
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ºBx
1.00
11
0.80
5
7.24105
0.60
6.40467
8.25
8.07742
8.9138 9.75017
ºBx
B: ConcLev
9.625
6.875
5.5
0.40
1.00
20.00
0.80
0.20
10.00
12.50
15.00
17.50
20.00
17.50
0.60
A: ºBr
15.00
0.40
B: ConcLev
12.50
0.20
A: ºBr
10.00
Figura 1 y 2. Gráficas de comportamiento de los grados Brix en función de la concentración de levadura y de
melaza.
Grados Gay Lussac: se destacó que los cambios fueron provocados por los grados Brix del mosto
original (X1, P ≤ 0.0007), presentándose como resultado el siguiente modelo matemático:
Y°GL= 3.92 + 1.46 X1
Este modelo de regresión múltiple explicó el 82.84% de la variación total (P≤ 0.0131) (Figura 3y 4).
ºGL
1.00
6.7
0.80
3.65
2.6212
0.60
3.15913
3.69705
5
4.23498
4.7729
ºGL
B: ConcLev
5.175
2.125
0.6
0.40
1.00
20.00
0.80
0.20
10.00
12.50
15.00
17.50
20.00
17.50
0.60
B: ConcLev
15.00
0.40
12.50
0.20
A: ºBr
A: ºBr
10.00
Figura 3 y 4. Gráficas de comportamiento de los grados Gay Lussac en función de la concentración de levadura
y de melaza.
Densidad: se notó que los cambios fueron provocados en esta variable por la Concentración de azúcar
(X1, P ≤ 0.0001) dando como resultado el siguiente modelo matemático
YDensidad = 1.03 + 8.889x10-3 X1
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Este modelo explicó el 96.84% de la variación total (P≤ 0.0001) (Figura 5 y 6)
Dens
1.00
1.042
1.0365
1.031
0.60
1.02437
5
1.02767
1.03096
1.03426
Dens
B: ConcLev
0.80
1.03755
1.0255
1.02
0.40
1.00
20.00
0.80
0.20
10.00
12.50
15.00
17.50
17.50
0.60
20.00
B: ConcLev
15.00
0.40
12.50
0.20
A: ºBr
A: ºBr
10.00
Figura 5 y 6. Gráficas de comportamiento de la densidad en función de la concentración de levadura y de
melaza.
Las gráficas de contornos y de superficie de respuesta muestran el comportamiento de cada variable en
función de la combinación Concentración de azúcar y concentración de levadura.
Overlay Plot
1.00
ºB x : pH: A c T it: ºG L : D ens : X1
X2
0.80
5. 87316
4. 90376
1. 78559
2. 89919
1. 02301
11. 59
0. 70
B: ConcLev
ºBx : 5 .8
ºBx : 5 .9
ºG L : 2 .7
0.60
5D e n s : 1 .0 3
Ac Tit: 1 .7 5
Ac Tit: 1 .9
ºG L : 2 .9 5
0.40
0.20
10.00
12.50
15.00
17.50
20.00
A: ºBr
Figura 7. Región de las mejores combinaciones resultante de la sobreposición de gráficas de contornos del
comportamiento de cada variable de respuesta en función de las variables de proceso.
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Optimización de condiciones. La región generada donde se ubican las mejores combinaciones de las
variables de proceso y el punto medio se muestran en la Figura 7.
Conclusiones
La mejor combinación de variables de proceso fue Concentración de Azúcar 11.59 °Bx y una
Concentración de levadura de 0.7 g/L en el mosto dulce u original. Las propiedades que caracterizan al
producto obtenido en las mejores condiciones fueron: grados Brix de 5.873, pH de 4.503, Grados Gay
Lussac 2.89, Acidez titulable 1.785 y Densidad 1.023. Se recomienda ampliar el trabajo para determinar
el rendimiento y calidad del alcohol destilado.
Referencias
1. Box, G. E. P., Hunter, W. G. y Hunter, J. S. “Estadística para Investigadores”. Ed Reverté.
México. 1999
2. Design Expert. Versión 6.04 por State Ease, Inc.,MN, EUA. 2002
3. Gutiérrez-Pulido, H. y De la Vara-Salazar, R.. “Análisis y Diseño de Experimentos”.
McGraw-Hill. Segunda Edición. México. 2008
4. Honing, P. “Principios de Tecnología Azucarera”. Segunda edición. Compañía editorial
continental. México. Pag; 23- 54. 1974
5. Leeson, S. y Summers, J. “Nutrition aviar comercial”. Editorial Le, print club express Ltda.
Bogotá, Colombia. Pag; 43- 45. 2000.
6. Montgomery, D. C. “Diseño y Análisis de Experimentos”. Limusa Wiley. Segunda Edición.
México. 2007
7. Levtona, Fabiola. (2006). Revista Ciencia y Tecnología: Energías "Alternativas": el Etanol.
8. Mancheno Gnecco, José. 2004. El precio de la melaza continua creciendo. Nota técnica
Sucromiles S.A.
9. Vázquez H. J, Dacosta. O. 2007. Fermentación alcohólica: una opción para la producción de
energía renovable a partir de desechos agrícolas. INGENIERÍA investigación y tecnología VIII.
4. 249-259.2007.
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