Camilo.Mahnert,Ignacio.Oliva,Renzo.Razeto

PROYECTO PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL QUÍMICO
Evaluación técnica económica del uso de levadura inmovilizada en el
proceso de fermentación para obtención de bebida alcohólica tipo
cerveza artesanal
CANDIDATOS: CAMILO MAHNERT, IGNACIO OLIVA, RENSO RAZETO
PROFESOR GUÍA: MARTHA CUENCA
DICIEMBRE/2017
Agradecimientos
Como grupo, queremos agradecer a la Escuela de Ingeniería Química de la Pontificia Universidad
Católica de Valparaíso por los conocimientos y sello entregado. A la profesora Martha Cuenca por
confiar en este equipo formado para llevar adelante este trabajo.
Camilo Mahnert:
Quiero agradecer a mi polola Valentina y mi hijo recién nacido Máximo por entregarme la motivación y las
fuerzas necesarias para terminar de la mejor manera esta linda y difícil etapa que fue la universidad.
También agradezco a mis padres y mis abuelos que siempre me apoyaron en todo, me motivaron a seguir
adelante y me entregaron su cariño incondicional. Además, agradezco a mi tío Guatón y mi tía Brenda por
la gran cantidad de comida que me dieron siempre durante mis 6 años de vida universitaria, sin sus
almuerzos y empanadas los días domingos no hubieran sido lo mismo (aguante la U).
Finalmente agradecer a mis antiguos amigos y aquellos que me fui formando durante la universidad ya
que me aconsejaron, me apoyaron y me ayudaron en todo, permitiendo que la vida universitaria no todo
fuera solamente estudiar.
Salud por todos los que de alguna y otra manera formaron parte importante de mí, en estos 6 años de vida
universitaria y sé que sin su apoyo no hubiera sido lo mismo.
Gracias totales.
«Somos arquitectos de nuestro propio destino (Albert Einstein)»
Ignacio Oliva:
Quiero comenzar agradeciendo a mis padres Ricardo y Erica, por la confianza depositada en todos estos
años, la oportunidad de estudiar y el amor entregado junto a mis hermanos.
A mis abuelos, Juan y Edith, pilar fundamental durante mi formación académica en la V región que ya no
se encuentran físicamente aquí para acompañarme en este momento. A ustedes infinitas gracias por todo
el cariño y buenos momentos juntos, sé que se hubieran sentido orgulloso de su nieto.
A los amigos que gane durante estos largos 6 años en la universidad, me refiero al grupo “Canallas 2.0
DS”.
A Victoria por alentarme a seguir siempre, confiar en mis conocimientos y el cariño entregado.
Al profesor Fernández por los consejos, amistad entregada y confiar en mi como su ayudante. Al profesor
Silva, por creer en mí y orientarme en la toma de decisiones académicas, las risas y por hacerme sufrir
hasta mi último día como estudiante.
Renso Razeto:
Al finalizar esta etapa de formación profesional, me gustaría agradecer a quienes me ayudaron en este
camino para lograr esta meta tan importante en la vida de toda persona.
A mi familia, por su apoyo incondicional, sin ellos hubiese sido difícil superar las dificultades que se me
fueron presentando.
A mi hermano Guido, quien fue un leal compañero a través de estos años por su preocupación permanente,
su optimismo en los momentos difíciles y su alegría ante los resultados positivos.
A mi hermano Sandrino, que desde el cielo siempre ha estado a mi lado, ya que los dos, caminamos y
seguiremos caminando juntos por la vida.
A mi Padre, por sus palabras alentadoras, recordándome siempre que, la perseverancia y la constancia
son las claves del éxito.
Y a la persona más importante en mi formación como profesional, mi Madre, por su amor, comprensión y
apoyo incondicional. Sea esta tesis el fruto que simbolice sus sacrificios y desvelos durante este largo
camino.
Resumen
La cerveza es un producto que proviene de la fermentación alcohólica en la cual participan levaduras que
transforman el azúcar en dióxido de carbono y etanol. En la actualidad, existen diversos estudios sobre
técnicas diferentes al proceso tradicional para la fermentación alcohólica. Entre las cuales se destaca el
uso de levaduras inmovilizadas, ya que ha arrojado grandes resultados con respecto a la estabilidad,
eficiencia y reutilización de la levadura. En Chile, los estudios relacionados al uso de levadura inmovilizada
para los procesos de fermentación alcohólica para la obtención de cerveza son muy escasos, es por este
motivo que se decidió realizar una evaluación técnico-económico sobre esta técnica, para así analizar sus
ventajas y desventajas durante la elaboración de cerveza artesanal.
La experimentación se realizó a nivel laboratorio, y consistió principalmente en tomar muestras diarias
sobre la fermentación utilizando levadura inmovilizada, y libre. Como fermentadores se utilizaron 12
botellas de vidrio llenadas con 600 (𝑚𝑙) de mosto con levadura y para los análisis en laboratorio se usaron
diferentes equipos como: destilador, refractómetro, pH-metro, picnómetro y balanza analítica con el fin de
poder determinar parámetros como concentración de etanol, grados Brix, pH y densidad específica
respectivamente. Se realizaron en total tres fermentaciones por triplicado, en la primera se utilizó levadura
libre e inmovilizada, en la cual se comprobó que la producción de etanol luego de 17 días de fermentación
𝑔
𝑔
𝑔
𝑚𝑙
𝑚𝑙
𝑑í𝑎∙𝑙
fue de 0.038 ( ) y 0.039 ( ) respectivamente, entregando una productividad de 2.199 (
2.313 (
𝑔
𝑑í𝑎∙𝑙
) y
). Para la segunda fermentación se analizó la levadura libre, inmovilizada y reutilizada, en donde
𝑔
𝑔
𝑔
𝑚𝑙
𝑚𝑙
𝑚𝑙
𝑔
la producción de etanol en los 17 días de fermentación fue de 0.047 ( ), 0.045 ( ) 𝑦 0.05 ( )
respectivamente, entregando así mismo una productividad de 2.171 (
𝑔
𝑑í𝑎∙𝑙
) , 2.642 (
𝑔
𝑑í𝑎∙𝑙
) 𝑦 2.926 (
𝑑í𝑎∙𝑙
).
Por último, se tiene que para la tercera fermentación se estudió el comportamiento de la levadura
𝑔
𝑔
𝑚𝑙
𝑚𝑙
reutilizada por primera y segunda vez arrojando una concentración de etanol de 0.041 ( ) 𝑦 0.048 ( )
respectivamente, la cual entrego una productividad final de 2.401 (
𝑔
𝑑í𝑎∙𝑙
) 𝑦 2.815 (
𝑔
𝑑í𝑎∙𝑙
). De acuerdo con los
resultados anteriores se comprobó que el uso de levadura inmovilizada y su posterior reutilización mejoran
en gran medida la productividad de etanol durante el proceso de fermentación alcohólica. Con respecto a
la evaluación económica se procedió a realizar una comparación entre una planta tradicional y una planta
utilizando levadura inmovilizada, para una producción final de 450 (
𝑙
𝑚𝑒𝑠
). Para la estimación del costo de
los equipos, se hizo necesario diseñar algunos equipos tales como: intercambiador de calor (45 placas),
fermentador, mezclador y tanque de maceración. Por otra parte, para poder determinar el costo total de
inversión y costo del producto se utilizó el método del porcentaje y Lang & Chilton respectivamente. Del
costo total de inversión se obtuvo que para el proceso utilizando levadura inmovilizada se gastó un total
de 1.96 ∙ 105 (𝑈𝑆𝐷), mientras que para el otro proceso el capital total de inversión fue de 1.85 ∙ 105 (𝑈𝑆𝐷).
Con respecto al costo total del producto para el proceso tradicional se obtuvo un valor de 6.21 ∙ 104 (𝑈𝑆𝐷),
mientras que para el otro proceso el costo total de producto fue de 6.22 ∙ 104 (𝑈𝑆𝐷). Una vez obtenido estos
resultados se realizó una comparación entre ambas plantas utilizando los métodos de selección de
alternativas CAUE y valor presente (VP). El método de CAUE entrego un resultado de 6.61 ∙ 104 (𝑈𝑆𝐷)
para el proceso con levadura inmovilizada, mientras que para el tradicional arrojo un valor de 6.43 ∙
104 (𝑈𝑆𝐷). Por otro lado, al utilizar el método del valor presente se obtuvo un resultado de 3.34 ∙ 105 (𝑈𝑆𝐷)
para el proceso con levadura inmovilizada y para el proceso tradicional un valor de 3.24 ∙ 105 (𝑈𝑆𝐷).
Finalmente, se concluye que el proceso tradicional sigue siendo más rentable que el proceso analizado.
Abstract
Beer is a product that comes from alcoholic fermentation in which yeasts that transform sugar into carbon
dioxide and ethanol participate. At present, there are several studies on techniques different from the
traditional process for alcoholic fermentation. Among which the use of immobilized yeasts stands out, since
it has yielded great results with respect to the stability, efficiency and reuse of the yeast. In Chile, studies
related to the use of immobilized yeast for alcoholic fermentation processes to obtain beer are very scarce,
that is why it was decided to perform a technical-economic evaluation on this technique, in order to analyze
its advantages and disadvantages during the brewing of craft beer.
The experimentation was carried out at the laboratory level, and consisted mainly of taking daily samples
of the fermentation using immobilized and free yeast. 12 glass bottles filled with 600 (ml) of yeast must
were used as fermenter and for laboratory analyzes different equipment was used such as: distiller,
refractometer, pH meter, pycnometer and analytical balance in order to determine parameters such as
Ethanol concentration, Brix degrees, pH and specific density respectively. A total of three fermentations
were carried out in triplicate; in the first, free and immobilized yeast was used, in which it was found that
g
g
ml
ml
the production of ethanol after 17 days of fermentation was 0.038 ( ) and 0.039 ( ) respectively,
delivering a productivity of 2.199 (
g
day∙l
)
and 2.313 (
g
day∙l
). For the second fermentation, the free,
immobilized and reused yeast was analyzed, where the production of ethanol in the 17 days of fermentation
was
2.171 (
yeast
g
0.047 ( ),
g
day∙l
) , 2.642 (
was
g
g
ml
ml
0.045 ( ) and 0.05 ( )
ml
g
day∙l
studied
) and 2.926 (
for
g
g
ml
ml
0.041 ( ) and 0.048 ( )
the
g
respectively,
delivering
a
productivity
of
). Finally, for the third fermentation, the behavior of the re-used
day∙l
first
and
second
time,
yielding
an
ethanol
respectively, which gave a final productivity of 2.401 (
concentration
g
) y 2.815 (
day∙l
of
g
).
day∙l
According to the previous results it was proved that the use of immobilized yeast and its subsequent reuse
greatly improve the productivity of ethanol during the alcoholic fermentation process. With respect to the
economic evaluation, a comparison was made between a traditional plant and a plant using immobilized
yeast, for a final production of 450 (
l
month
). To estimate the cost of the equipment, it was necessary to
design some equipment such as: heat exchanger (45 plates), fermenter, mixer and maceration tank. On
the other hand, to determine the total cost of investment and cost of the product, the percentage method
and Lang & Chilton respectively were used. From the total investment cost, it was obtained that for the
process using immobilized yeast a total of 1.96 ∙ 105 (𝑈𝑆𝐷) was spent, while for the other process the total
investment capital was 1.85 ∙ 105 (𝑈𝑆𝐷). With respect to the total cost of the product for the traditional
process, a value of 6.21 ∙ 104 (𝑈𝑆𝐷) was obtained, while for the other process the total product cost was
6.22 ∙ 104 (𝑈𝑆𝐷). Once these results were obtained, a comparison was made between both plants using the
selection methods of alternatives CAUE and present value (VP). The CAUE method gave a result of 6.61 ∙
104 (𝑈𝑆𝐷) for the process with immobilized yeast, while for the traditional one it gave a value of 6.43 ∙
104 (𝑈𝑆𝐷). On the other hand, when using the present value method, a result of 3.34 ∙ 105 (𝑈𝑆𝐷) was
obtained for the process with immobilized yeast and for the traditional process a value of 3.24 ∙ 105 (𝑈𝑆𝐷).
Finally, it is concluded that the traditional process continues to be more profitable than the analyzed
process.
índice
Agradecimientos ........................................................................................................................................... 1
1
Introducción .......................................................................................................................................... 1
1.1Descripción del problema .................................................................................................................... 2
2
3
1.2
Hipótesis........................................................................................................................................ 2
1.3
Marco teórico................................................................................................................................ 2
1.3.1
Materia prima usada para la elaboración de la cerveza ....................................................... 3
1.3.2
Proceso de elaboración de la cerveza [8] ............................................................................. 4
1.3.3
Fermentación alcohólica ....................................................................................................... 7
1.3.4
Cinética de fermentación ...................................................................................................... 8
1.3.5
Factores que afectan en la fermentación ........................................................................... 10
1.3.6
Inmovilización celular.......................................................................................................... 11
1.3.7
Clasificación de los sistemas con células inmovilizadas ...................................................... 12
1.3.8
Selección del soporte .......................................................................................................... 13
1.3.9
Reutilización de levadura inmovilizada ............................................................................... 14
1.3.10
Problemas con la inmovilización celular ............................................................................. 14
1.3.11
Influencia del método de inmovilización sobre la viabilidad de las células........................ 15
1.3.12
Estabilidad catalítica de las células inmovilizadas .............................................................. 15
1.3.13
Difusión en células inmovilizadas ....................................................................................... 15
1.3.14
Fermentación utilizando levadura inmovilizada ................................................................. 16
1.3.15
Descripción del producto .................................................................................................... 16
1.3.16
Descripción del mercado..................................................................................................... 17
Objetivos ............................................................................................................................................. 20
2.1
Objetivo general.......................................................................................................................... 20
2.2
Objetivos secundarios ................................................................................................................. 20
Metodología ........................................................................................................................................ 20
3.1
Materiales ................................................................................................................................... 20
3.1.1
3.2
Materias primas .................................................................................................................. 21
Metodología ................................................................................................................................ 22
3.2.1
Observación de la levadura inmovilizada por medio de microcopia .................................. 22
3.2.2
Medición de pH [47]. .......................................................................................................... 22
3.2.3
Medición de la densidad específica del mosto ................................................................... 22
3.2.4
Medición de azúcares solubles ........................................................................................... 23
3.2.5
Medición de etanol en el mosto ......................................................................................... 23
3.2.6
Consumo de azúcar ............................................................................................................. 23
3.2.7
Preparación del mosto ........................................................................................................ 24
3.2.8
Inmovilización por atrapamiento ........................................................................................ 24
3.2.9
Caracterización del soporte para inmovilización de las levaduras ..................................... 24
3.2.10
Cinética del consumo de Azúcar ......................................................................................... 25
3.2.11
Cinética para la producción de etanol por modelo de Gompertz ...................................... 25
3.2.12
Reutilización de la levadura inmovilizada. .......................................................................... 25
3.2.13
Rendimiento y productividad [12] ...................................................................................... 25
3.2.14
Análisis estadístico de los datos .......................................................................................... 26
3.2.15
Estimación por costos indexados y por capacidad ............................................................. 26
3.2.16
Estimación del capital de inversión y costo del producto [52] ........................................... 27
3.2.17
Selección de alternativas [53] ............................................................................................. 27
3.3
4
Explicación de la metodología .................................................................................................... 28
Resultados y discusiones..................................................................................................................... 30
4.1
Observación de levadura inmovilizada a través de un microscopio ........................................... 30
4.2
Caracterización de la inmovilización en Alginato de calcio ........................................................ 31
4.3
Análisis de pH .............................................................................................................................. 32
4.4
Análisis de densidad específica ................................................................................................... 33
4.5
Análisis de azúcares solubles ...................................................................................................... 35
4.6
Análisis de la concentración de azúcar en el mosto ................................................................... 36
4.7
Análisis de concentración de etanol ........................................................................................... 38
4.8
Cinética para el consumo de azúcar en la fermentación alcohólica ........................................... 39
4.9
Cinética para la para la producción de etanol ............................................................................ 40
4.10
Rendimiento y productividad ..................................................................................................... 43
4.11
Diseño de experimentos ............................................................................................................. 45
5. Consideraciones económicas .................................................................................................................. 46
5.1
Estimación de costos para equipos y materia prima .................................................................. 49
6
5.2
Consumo mensual de la materia prima ...................................................................................... 51
5.3
Estimación del costo total de producción y del capital total de inversión ................................. 48
5.4
Selección de alternativa entre fermentación con levadura libre y levadura inmovilizada......... 50
Conclusión ........................................................................................................................................... 50
Referencias.................................................................................................................................................. 53
Anexos........................................................................................................................................................... 1
Anexo 1. Características de la levadura .................................................................................................... 1
Anexo 2. Curva de calibración para el etanol ........................................................................................... 3
Anexo 3. Preparación del mosto ............................................................................................................... 4
Anexo 4. Procedimiento para inmovilización de levadura ....................................................................... 5
Anexo 5. Análisis estadístico ..................................................................................................................... 6
Anexo 6. Método del porcentaje para estimar capital total de inversión .............................................. 17
Anexo 7. Método de Lang y Chilton para estimación del costo de productos ....................................... 18
Anexo 8. Evaluación de parámetros para levadura inmovilizada, libre y reutilizada. ............................ 19
Anexo 9. Determinación del orden de reacción para el consumo de azúcar en el proceso de
fermentación alcohólica ......................................................................................................................... 23
Anexo 10. Cálculos para determinación de cantidad de materia prima utilizada en el proceso de
fermentación alcohólica ......................................................................................................................... 24
Anexo 11. Diseño de intercambiador de calor de placas........................................................................ 26
Anexo 12. Diseño del fermentador ......................................................................................................... 33
Anexo 13. Diseño madurador ................................................................................................................. 38
Anexo 14. Diseño del mezclador............................................................................................................. 45
Anexo 15. Costo de materia prima en insumos lagunilla ....................................................................... 54
Anexo 16. Cálculo por método del valor presente y CAUE para selección de alternativa, y
determinación de su rentabilidad”. ........................................................................................................ 56
Anexo 17. Tabla para cálculo de los valores máximos de esfuerzos permitidos .................................... 59
Anexo 18. Tabla para la determinación den la eficacia de la soldadura en función del tipo de junta ... 60
Anexo 19. Solubilidad del CO2 en cerveza .............................................................................................. 61
1 Introducción
Desde la antigüedad el hombre se ha dedicado a elaborar alimentos mediante procesos fermentativos,
obteniendo un sinnúmero de productos como: el pan, queso, yogurt, entre otros. Así pues, mediante la
fermentación de ciertos cereales se han obtenido una variedad de bebidas fermentadas como el saque en
Asia, cervezas en Europa y chicha en América.
En la elaboración de la cerveza se ha utilizado una enorme variedad de materias primas como la cebada,
maíz, arroz y una mezcla de las mismas. La mezcla ha dado como resultado un producto de alto contenido
proteico y beneficios en ciertos aspectos como nutrientes para generar energía, hacia personas que las
consumen de una forma adecuada y sin excesos.
En la actualidad la cerveza se ha caracterizado por ser un producto de alta aceptación dentro del marcado
nacional e internacional. La producción está dedicada exclusivamente para el público adulto que tiene
mayor inclinación por productos elaborados artesanalmente; ya que, en su elaboración el productor pone
un minucioso énfasis en los detalles, puesto que no cuenta con la tecnología que tienen las cervecerías
industriales, por lo que, el producto final es de mejor calidad.
La información generada por esta investigación será de positivo beneficio para impulsar la creación de
microempresas, transfiriendo la tecnología adecuada para la elaboración de cerveza artesanal,
contribuyendo a su vez con el aumento de fuentes de trabajo, llevando al campo laboral la idea de lo que
tú puedes hacer no lo compres, e incluso lograr una entrada económica adicional mediante la producción
y comercialización de esta bebida.
Actualmente, en nuestro país no hay suficiente información acerca del uso de levadura inmovilizada como
soporte para la fabricación de cerveza. La producción nacional se lleva a cabo a base de levadura libre,
debido al desconocimiento o falta de información en la elaboración de ésta utilizando levadura
inmovilizada.
Los problemas antes mencionados, fueron los factores fundamentales que dieron base para la realización
de la presente investigación, en la cual se determinó el comportamiento de una fermentación a base de
levadura inmovilizada y su reutilización en posteriores fermentaciones para la elaboración de cerveza de
modo artesanal; con este proceso se logra dar un valor agregado al producto y disminuir sus costos.
1
1.1Descripción del problema
Es de importancia saber las características del uso de levaduras inmovilizadas para poder ver su
factibilidad en el mercado. De acuerdo con lo estudiado, las cervezas obtenidas con levaduras
inmovilizadas no presentan una gran diferencia en las características físicas (clarificación, color, cuerpo y
espuma) en relación con las obtenidas por un proceso tradicional y por ende sería bueno innovar en las
técnicas tradicionales de fermentación alcohólica. Por otra parte, los usos de levaduras inmovilizadas
permiten que sean reutilizadas, y tengan un menor tiempo de fermentación que el proceso normal, por lo
tanto, se hace posible disminuir de alguna manera los costos de producción y con esto lograr rentabilidad
en el mercado de las cervezas en Chile.
La importancia de este proyecto será que, a partir de los resultados obtenidos en la investigación, se podrá
determinar la factibilidad para innovar en el proceso de fermentación alcohólica tradicional utilizando
levaduras inmovilizadas y su posible reutilización con el fin de determinar su rentabilidad a nivel industrial.
1.2 Hipótesis
Es posible obtener bebidas alcohólicas tipo cerveza artesanal a partir del uso de levaduras inmovilizadas
1.3 Marco teórico
La cerveza es una bebida alcohólica que se obtiene de la fermentación de los azúcares presentes en
diversos cereales como son la cebada, trigo, avena, etc., en donde estos forman el mosto que reacciona
con las levaduras produciendo alcohol y dióxido de carbono como producto principal.
Según el libro “ATLAS ILUSTRADO DE LA CERVEZA” se puede mencionar que es posible encontrar dos
tipos de cervezas. Una llamada Ale que se caracteriza porque el proceso de fermentación se realiza a
temperatura ambiente principalmente a temperaturas mayores a 10 °C y menores de 30 °C. Por otro lado,
se encuentran las cervezas tipo Lager, que se caracterizan porque la fermentación se realiza a una
temperatura más baja, principalmente menor a 10 °C y además el proceso fermentativo es más prolongado
que el de las cervezas tipo Ale [1].
Las personas que se encargan de producir cervezas artesanales fabrican por lo general cervezas tipo Ale,
ya que suele ser mucho más económico y rentable para ellos.
Para la fabricación de cervezas se necesitan diversas materias primas, siendo la principal los cereales,
entre los cuales es posible encontrar la cebada (tostadas, caramelo, café, etc.), avena, quinoa, trigo entre
muchos otros y estos son utilizados para la elaboración del mosto. Estos se encargan principalmente de
entregarle los diversos sabores que puede tener una cerveza. Por otra parte, es importante mencionar el
lúpulo que se encarga de entregar el aroma y amargor de la cerveza, por lo tanto, contrarresta el dulzor
2
entregado por el mosto. Finalmente se encuentra la levadura que es la encargada de llevar a cabo el
proceso de fermentación de las cervezas.
En Chile la producción y consumo de la cerveza ha aumentado a gran escala en los últimos años, y cada
vez es posible encontrar una mayor variedad de estas en el comercio.
La legislación chilena en sus artículos 41 ° al 47° del decreto N°78 [2] establece que se considera como
cerveza todo producto que contenga las siguientes características:
•
•
•
•
•
•
Aspecto claro y brillante, salvo en cervezas especiales
Sabor, color y aroma característico
Estar exenta de cuerpos ajenos a los ingredientes utilizados
Estar libre de microorganismos patógenos
Estar libre de levaduras u otros microorganismos en estado activo, exceptuando las cervezas no
estabilizadas biológicamente.
Tener un pH que fluctué entre 3,8 y 4,5.
1.3.1 Materia prima usada para la elaboración de la cerveza
a) Agua
El agua es el principal componente de la cerveza, pero no solo para su elaboración, sino que también es
usada como liquido enfriador y para la limpieza de los diversos equipos.
Para la elaboración de la cerveza, el agua tiene que ser ajustada para ser usada en el proceso. Para su
ajuste es necesario eliminar todas las impurezas que es posible encontrar en el agua ya sea sólidos,
eliminación de un exceso de minerales y eliminación de cualquier bacteria.
Principalmente el exceso de minerales son los principales factores que afectan en la producción de la
cerveza, por ejemplo los sulfatos aumentan la sequedad de la cerveza, los manganesos y hierros afectan
en el color y sabor de la cerveza, mientras que el calcio es uno de los minerales con mayor beneficio ya
que se encarga de proteger la α-amilasa [3], que es una enzima que se encarga de digerir el glucógeno y
almidón para formar azúcares simples [4] que luego es usado en el proceso de fermentación.
b) Cebada y otros cereales
La planta de cebada es la hierba principal para la fabricación de la cerveza, su parte de importancia para
todos los cerveceros es la semilla (granos) que entregan estas.
Se utilizan dos tipos de cebadas en la elaboración de la cerveza. La cebada de dos filas, que se
caracterizan porque tiene un grano por nudo y las cebadas de 6 filas con tres granos por nudo. Mientras
menos son los núcleos por nudo, más rico en almidón será el grano, pero a la vez tendrá menos proteína,
pero en caso contrario, para la cebada de 6 filas presenta menos almidón y una mayor cantidad de
proteína. La elección del tipo de cebada pasara a ser opción del cervecero [5].
3
c) Lúpulo
En comparación con la cebada y el agua, el lúpulo es el que se usa en menor cantidad para la fabricación
de la cerveza, pero a su vez cumple un papel muy importante en la producción de la cerveza final. Este
componente de la cerveza proviene de una planta llamada Humulus lupulus y los cerveceros utilizan la
planta hembra. Los lúpulos se encargan de entregar aroma y amargor a la cerveza. Se puede decir que
los lúpulos que son más amargos son producto de una alta concentración de α-ácidos (componente que
entrega amargor), mientras que los aromáticos se caracterizan porque presentan un α-ácido menor.
En la actualidad las grandes industrias cerveceras utilizan lúpulos con forma de pellets, ya que de esta
manera se permite su exportación a varios rincones del mundo [5] .
d) Levadura
Las levaduras son hongos unicelulares que forman sobre las medias de cultivos colonias pastosas,
constituidas en su mayoría de células aisladas de forma esférica, ovoides, elipsoides. Estas son de tamaño
muy pequeño que no pasan los 20 µm, por lo tanto, solo pueden ser vistas al microscopio [6].
La floculación es el proceso reversible, asexual por el cual las células de la levadura se pegan el uno al
otro para formar grandes agregados celulares conocidos como flóculos utilizando esta función como
defensa, mecanismo que le permite huir rápidamente del duro entorno desarrollado durante la
fermentación. Por otro lado, para la industria, la floculación permite separar la levadura de la cerveza recién
elaborada [7].
Para el proceso de elaboración de la cerveza se utiliza principalmente un tipo de levadura conocida como
Saccharomyces cerevisia que cumple la función de la fermentación alcohólica.
La Saccharomyces cerevisia es la levadura de uso industrial para la fabricación de cervezas producto de
la capacidad que tiene para producir dióxido de carbono y etanol. Se caracteriza porque es un sistema
eucariótico que presenta una gran rapidez para propagarse y crecer. Esta levadura se alimente de
carbohidratos y principalmente de diversos azúcares que pueden ser monosacáridos como la glucosa,
fluctuosa y galactosa entre otros.
Una de sus principales vías metabólicas consiste en consumir estos azúcares (monosacáridos) para
transformarlos en alcoholes principalmente etanol, originando de esta manera la fermentación alcohólica.
1.3.2 Proceso de elaboración de la cerveza [8]
La cerveza tiene un proceso de elaboración tradicional bastante estructurado en los que podemos
encontrar.
4
a) Maltear cebada
Este consiste en la obtención de malta, por lo tanto, tiene una primera fase en la que el grano se deja
remojando, para posteriormente proceder al germinado del mismo. Una vez que tiene el producto
germinado, se procede a su secado o deshidratación, para ser almacenado para su uso posterior. Se
busca un grano que contenga una pequeña cantidad de proteína (entre un 9 % y un 12%) ya que de esta
manera se permite tener una mayor cantidad de almidón.
b) Molienda
Este consiste en moler el grano lo menor posible con el fin de que las cascaras no queden completamente
destruidas ya que actuaran como elemento filtrante más adelante.
c) Maceración
Este consiste en agregar a la malta un volumen determinado de agua a una temperatura de 40ºC, con el
fin de extraer las enzimas y favorecer la proteólisis; después de esto, la temperatura será mantenida a
50ºC para la proteólisis completa y la peptonización. Luego se pasa a 60 - 65ºC para producir la
sacarificación por las β - amilasa, y de 70 a 75ºC 28 para la dextrinización de la parte de almidón que
quedase sin transformar por acción de las α – amilasa. Los procesos de malteado y maceración en la
fabricación de cerveza se llevan a cabo de tal manera que solo el 60% del almidón se transforma en
azúcares fermentables. El 40% restante son dextrinas no fermentables que convierten a la cerveza en una
bebida rica en calorías. Estos son los responsables también de impartir cuerpo o viscosidad a la cerveza.
d) Filtración
Al término de la maceración se procede a realizar el proceso de filtración que consiste en separar el mosto
que contiene un alto contenido de azúcares de los restos insolubles conocidos como orujos. El tipo de
filtración va a depender del fabricante de la cerveza.
e) Ebullición del mosto y agregado del lúpulo
Este proceso tiene 5 propósitos principales:
•
•
Desnaturalizar las proteínas de alto peso molecular para poder separarlas por precipitación,
para ello se utiliza un determinado precipitante.
Evaporar agua para concentrar el mosto.
5
•
•
•
Conferirle a la cerveza el carácter amargo.
Esterilizar el mosto para liberarlo de posteriores crecimientos de microorganismos
indeseables.
Conferir color al mosto.
f) Enfriamiento y aireación del mosto
Para el enfriamiento se utilizan intercambiadores de calor en donde los más usados son el serpentín, un
intercambiador de placas o una chaqueta por el cual circule agua helada que se encargue de enfriar el
mosto con el objetivo de llegar a una temperatura optima de fermentación (20°C).
g) Fermentación
Este es un proceso anaeróbico (sin presencia de oxígeno) que es llevado a cabo por células eucarióticas
conocidas como levaduras que se encargan de consumir azúcares para producir etanol, dióxido de
carbono y calor.
h) Maduración y reposo
La maduración dura entre 7 y 10 días y se realiza a temperaturas de entre 10-12ºC cuando se utiliza
levaduras del tipo ale y a 4-6ºC cuando se utiliza las del tipo lagers. En esta etapa se producen los sabores
que son deseables para el producto final. Otro factor importante, es que durante la maduración se producirá
la gasificación natural de la cerveza, llevada a cabo sólo si se agrega una mayor cantidad de azúcares,
permitiendo de esta manera una fermentación secundaria. Para los cerveceros caseros esto se logra
dentro del envase final, es decir, al embotellar la cerveza y agregar el extracto en forma de azúcar o mosto
fresco. Las células de levaduras que han quedado en suspensión generan gas carbónico que se disuelve
en la cerveza.
i)
Embotellado y pasteurización
Consiste en someter el producto a temperaturas sobre los 60°C, para que de esta manera se puedan
eliminar todos los agentes patógenos que pueden contaminar la cerveza produciendo un mal sabor.
A continuación, se presenta un pequeño esquema sobre el proceso de elaboración de cervezas para su
mejor comprensión.
6
Figura 1 . Diagrama del proceso de elaboración de cerveza [9].
.
1.3.3 Fermentación alcohólica
La fermentación alcohólica es un proceso de bio-reacción que permite degradar azúcares para producir
etanol, dióxido de carbono y calor.
Este proceso comienza con la descomposición de la glucosa en una serie de reacciones que finalmente
dan como resultado metabolito-piruvato. A esta vía metabólica se le conoce como glucolisis.
Luego viene el proceso de descarboxilación del piruvato para producir CO 2 y acetaldehído. Finalmente se
forma el etanol por la reducción del acetaldehído [7].
La siguiente imagen permite comprender de mejor manera esta secuencia de reacciones.
Figura 2. Reacciones del proceso de fermentación alcohólica [80]
.
7
De manera más simple la fermentación alcohólica se encuentra representada por la siguiente ecuación.
𝐶6 𝐻12 𝑂6 → 2𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻 + 2𝐶𝑂2 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟
Las responsables de llevar a cabo la fermentación alcohólica son las levaduras, siendo la Saccharomyces
cerevisia o Saccharomyces carlsbergis las más usadas [10].
A pesar de que todo este proceso suena bastante simple, es mucho más complejo de lo que parece, ya
que la levadura utiliza la glucosa para poder reproducirse.
Para evaluar la transformación de glucosa a etanol se utilizan dos tipos de rendimientos.
•
•
Rendimiento biomasa/sustrato: cantidad de levadura producida por cantidad de sustrato
consumido.
Rendimiento sustrato/producto: cantidad de producto sintetizado por cantidad de sustrato
consumido.
El proceso de fermentación alcohólica se realiza en biorreactores o también conocidos como
fermentadores. Por lo general un biorreactor es un recipiente de acero inoxidable y cilíndrico en donde se
introduce la levadura junto con el azúcar para que de esta manera se pueda producir la fermentación.
Es posible encontrar diversos tipos de biorreactores como los de flujo continuo, los semicontinuos o los
bach. Su elección va a depender del producto final que se desee obtener, del manejo de las variables y
del dinero que se tenga disponible [11].
1.3.4 Cinética de fermentación
a) Curva de crecimiento microbiano
El crecimiento microbiano se relaciona con el aumento poblacional de una especie microbiana en un medio
de cultivo provisto de todas las necesidades del microorganismo (temperatura, pH, nutrientes óptimos,
etc.).
La curva de crecimiento microbiana consta de 4 etapas bien definidas, aunque el tiempo de duración de
cada etapa puede variar de acuerdo con el tipo de fermentación que se esté desarrollando y al tipo de
levadura utilizada [12].
•
•
•
Fase de lactancia: corresponde a un periodo de transición para el microorganismo cuando son
transferidos a una nueva condición (ambiente), en esta etapa no hay incremento en el número de
células, pero si un aumento en su actividad metabólica.
Fase de crecimiento exponencial: periodo en que el crecimiento del microorganismo ocurre de
manera exponencial
Fase estacionaria: periodo en que ocurren las limitaciones de crecimiento, ya sea por falta de
nutrientes o por acumulación de productos tóxicos que en el caso de la fermentación alcohólica
es el etanol.
8
•
Fase de muerte: luego de que se halla realizado la fase estacionaria, comienza una disminución
en el número de las células viables, entrando la población a la fase de muerte.
Figura 3. Fases de crecimiento microbiana [13].
b) Consumo de azúcar por parte de la levadura
Existen estudios que para poder determinar el consumo de azúcar por parte de la levadura se utiliza el
mecanismo básico de velocidad de reacción [14]. Este mecanismo permite determinar la variación de la
concentración de azúcar en el tiempo, tal como se muestra en la ecuación 1.
𝑑𝑆/𝑑𝑡 = −𝑟𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑦 − 𝑟𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 = 𝑘𝑆 𝑛
Ecuación 1
De la ecuación anterior se tiene que el n representa el orden de reacción y que el k corresponde a la
constante de reacción.
c) Producción de etanol por modelo de Gompertz
La ecuación de Gompertz es una función empírica formulada originalmente para la evaluación del
crecimiento de diversos parámetros como producción de etanol [14], crecimiento de cerdos [15], etc. Si
bien este no es un modelo de carácter explicativo en cuanto al crecimiento celular, ofrece una alternativa
satisfactoria en la representación de cinéticas de tipo sigmoidal.
9
𝑦 = 𝑎 ∗ 𝑒 −𝑒
−𝑘(𝑡−𝑐)
Ecuación 2
En la ecuación 2 se puede apreciar el modelo de Gompertz, en donde se tiene que 𝑎 es el valor potencial
máximo de la variable de respuesta (𝑦) cuando la variable independiente (𝑡) tiende a infinito, 𝑐 es el punto
de inflexión de la curva y 𝑘 es un factor estrictamente relacionado con la pendiente de la curva.
La utilización de modelos basados en la función de Gompertz ha mostrado buenas propiedades de ajuste
en el modelamiento de datos experimentales de procesos de fermentación alcohólica [16], para el ajuste
de la cinética de consumo de Azúcar, producción de etanol y el crecimiento celular [17]. La ecuación 3
muestra el modelo de Gompertz modificado para poder determinar la cinética de la producción de etanol
[16].
𝑅𝑚 (𝜆−𝑡)
+1)
𝑃𝑀
(2.71∗
𝐸
log ( ) = 𝑃𝑀 ∗ 𝑒 −𝑒
𝐸0
Ecuación 3
De la ecuación anterior se tiene que “PM “corresponde a la producción máxima de etanol, “Rm“ representa
la tasa máxima de producción de etanol (h-1), “t “corresponde al tiempo (h) y “𝜆” representa el tiempo de
retraso (h).
1.3.5 Factores que afectan en la fermentación
Los factores que afectan en el crecimiento y desarrollo de la fermentación suelen ser muy variados y
complejos, ya que estos coinciden con algunos parámetros como la cantidad de nutrientes suministrados,
lo que produce que muchas veces se potencien y generen diversos problemas en la fermentación
alcohólica.
a) Temperatura de la fermentación
Para comenzar con la fermentación alcohólica se recomienda que esta comience a una temperatura de
20°C con el fin de lograr la estimulación de las levaduras y así su crecimiento de manera más rápida. Por
otro lado, la temperatura de cada proceso fermentativo va a depender del tipo de fermentación
desarrollado, como se dijo anteriormente para la elaboración de cervezas tipo Ale se trabajan a
temperatura entre los 10°C y los 25°C, mientras que para las Lager la temperatura tiene que ser entre 5°C
y 10°C [7].
A temperaturas muy elevadas comienza a aumentar la toxicidad de las levaduras frente al etanol y además
este se comienza a evaporar, generando problemas en el sabor de la cerveza. Las temperaturas bajas
tampoco son muy recomendables ya que el proceso de fermentación se torna más lento [18].
10
De acuerdo a lo anterior, la fermentación es un proceso exotérmico y por ende existe liberación de energía,
que a su vez se verá afectado por la concentración de azúcar en el mosto, la temperatura inicial del mosto,
la velocidad de fermentación, la temperatura ambiente y el tamaño del reactor.
b) Aireación
La levadura Saccharomisses cerevisia se caracteriza porque realiza el proceso de fermentación de manera
anaeróbica (sin oxígeno). Sin embargo, las presencias de pequeñas cantidades de aire no son
perjudiciales para los procesos de fermentación, ya que permiten el metabolismo de algunos a
aminoácidos. Pero en grandes cantidades de aire, existirá un aumento en la cantidad de oxígeno y por
ende inhibirá el proceso de fermentación otorgando un sabor bastante desagradable a la cerveza [8].
c) pH
Cambios en el pH son causantes de la desnaturalización de enzimas y de problemas con el intercambio
iónico de la membrana celular (principalmente H+ y OH-). En la fermentación de levadura el pH entre 3 y
6 generalmente favorecen el crecimiento y la actividad fermentativa [19]. Con respecto al mosto, la elevada
acidez de este permite que solo crezcan ciertos microorganismos como lo son la levadura y las bacterias
de ácido láctico, por lo tanto, la concentración de Hidrogeno es un factor muy importante para el crecimiento
microbiano siendo un valor entre 4 y 5 el óptimo para la producción de etanol en la fermentación [20].
d) Producción de CO2
Es uno de los productos de la fermentación alcohólica, la liberación de este gas sirve para disipar parte
del calor y producir corrientes dentro del mosto que permiten la difusión de nutrientes.
1.3.6 Inmovilización celular
El proceso de inmovilización celular consiste en dejar sin un libre movimiento a las células (levaduras)
sobre un soporte solido o por medio de membranas, de manera de lograr obtener mejores características
con respecto a su uso continuo y su estabilidad [19].
Las células inmovilizadas tienen como principal función su reutilización en diversos procesos fermentativos
durante determinados tiempos [21], permitiendo de esta manera reducir costos en los procesos
industriales.
Según muchos estudios, se ha podido determinar que los usos de levaduras inmovilizadas han arrojado
importantes ventajas para el proceso de fermentación. Dentro de las cuales es posible mencionar [22]:
11
•
•
•
•
El aumento de la estabilidad de las células.
La posible reutilización de las células.
Aumento en la productividad, luego de su reutilización.
Menor riesgo de contaminación.
Pero al tener sus ventajas, también presenta las siguientes desventajas [23]:
•
•
•
•
La alteración de la conformación de las células respecto de su estado nativo.
La gran heterogeneidad del sistema célula-soporte donde pueden existir distintas fracciones de
proteínas inmovilizadas con un diferente número de uniones al soporte.
Siempre suele haber una pérdida de actividad de las células durante la inmovilización.
Muchas veces el biocatalizador suele ser mucho más caro que las células nativas.
No es muy común ver el uso de levaduras inmovilizadas en la industria de los alimentos, pero es posible
encontrar algunos estudios que hacen mención a esta técnica como por ejemplo para la fabricación de
hidromiel [14] y para la elaboración de vinos [24]. Sin embargo, es en la biotecnología donde esta técnica
es muy usada y valorada, principalmente cuando se busca reutilizar células que son muy costosas [25].
1.3.7 Clasificación de los sistemas con células inmovilizadas
Las células inmovilizadas pueden clasificarse en tres categorías que se caracterizan principalmente en
base al mecanismo físico causante de la inmovilización.
a) Adsorción sobre soportes
La adsorción consiste en la adhesión de las levaduras a la superficie externa de un soporte como es el
caso del gluten o de la DEAE-Celulosa [26] . La incorporación de células a matrices sólidas se realiza por
el atrapamiento de las mismas en el seno de un material polimérico. Las matrices más adecuadas son
polímeros naturales como el alginato, el carragenato y el agar ya que polimerizan en condiciones muy
suaves, aunque también se pueden usar matrices sintéticas como poliacrilamida y poliuretano [27].
Dentro de las ventajas que presenta este tipo de inmovilización es posible mencionar: preparación sencilla,
bajo coste, no hay cambios de especificidad enzimática y los derivados son estables en medio de trabajo
con bajo contenido de agua.
Los inconvenientes son: la optimización de las variables que controlan adsorción, los derivados obtenidos
son poco estables desde el punto de vista mecánico y la unión es débil al soporte [28].
.
12
b) Células atrapadas dentro de una matriz
El atrapamiento de levaduras en matrices sólidas puede realizarse por difusión de las células en matrices
sólidas sintetizadas previamente [29] o por formación de las matrices alrededor de las células [30]. Este
método de inmovilización permite conseguir grandes concentraciones de biomasa (Stewart y Russel, 1986)
con el uso de reactores fluidizados [31]. Además, se pueden inmovilizar en matrices independientes células
que no podrían coexistir en contacto directo debido al efecto “killer” [32](Pérez e et al., 2001). No obstante,
al igual que los otros métodos de inmovilización presenta desventajas. Las más importantes son los
posibles problemas de difusión de nutrientes y productos a través de la matriz porosa y la pobre resistencia
mecánica de los soportes sólidos. Dentro de los soportes más utilizados tenemos: la poliacrilamida y el
alginato de calcio [28].
La inmovilización de levaduras en perlas de alginato y poliacrilamida se ha utilizado con éxito en la
fermentación de vino blanco y en la producción de etanol [33]. Debido a cambios en la composición de las
células por interacción con el soporte de alginato, estos catalizadores se vuelven más activos y se observa
que la fermentación ocurre a mayor velocidad respecto a los casos en los que se emplean levaduras libres
[34]. Otra ventaja importante de estos sistemas inmovilizados es que el soporte protege la levadura de la
acción de inhibidores, metales pesados, fenoles y temperaturas extremas. Además, a diferencia de los
flóculos de biomasa, estos sólidos al ser más sencillos de manejar permiten un mejor control de la actividad
catalítica en reactores de tipo lote y continuos.
c) Auto agregación
El proceso de auto floculación consiste en la floculación de las células de manera natural [35]. Por ejemplo,
se estudió el aislamiento y caracterización de saccharomyses cerevisiae LEG-06 para la producción de
etanol a partir de bananas. Los resultados arrojados muestran que se libera mucho más etanol que usando
levadura comercial.
En la actualidad existen grandes agregados formados por algunas células que pueden ser utilizados en
diversos reactores como los de lecho empacado, lecho fluidizado y CSTR. Se pueden agregar agentes
químicos que permiten ayudar a la floculación de células que no floculan de manera natural [19].
1.3.8 Selección del soporte
Las características de las matrices o soportes son de gran importancia en la determinación de la eficiencia
del sistema de inmovilización de enzimas. Las propiedades ideales de un soporte incluyen la resistencia
física a la compresión, hidrofobicidad, inertes entre las enzimas y sus derivados, biocompatibilidad,
resistencia al ataque de microbios y bajo costo [36].
Las características físicas de los soportes (como el tamaño medio de partícula, resistencia mecánica a la
compresión, etc.) son de gran importancia en el comportamiento del sistema inmovilizador y determinará
el tipo de reactor por usar bajo condiciones técnicas. En particular, el parámetro de poro y el tamaño de
13
partícula establecerán el total del área superficial, por lo tanto, la adecuada selección incidirá en la
capacidad de enlace de las enzimas.
Los soportes no porosos muestran pocas limitaciones difusionales, pero presentan baja capacidad de
carga. Por lo tanto, los soportes porosos son generalmente preferidos por su alta área superficial que
permite una alta carga de enzimas, así como porque las enzimas inmovilizadas quedan aisladas del medio
ambiente.
Se debe controlar la distribución del tamaño de poro en los soportes porosos para optimizar la capacidad
y las propiedades de flujo. A pesar de las muchas ventajas de los soportes inorgánicos (ej. alta estabilidad
ante degradación física, química y microbial), la mayoría de las aplicaciones industriales se realizan con
soportes orgánicos. El carácter hidrofílico es uno de los factores más importantes que se utilizan para
determinar el nivel de actividad de las enzimas inmovilizadas [37]. Una excelente matriz o soporte que ha
sido utilizada es la agarosa. Además de su alta porosidad que influye en su elevada captación de proteínas,
también presenta un carácter hidrofílico, fácil obtención, ausencia de grupos con carga (el cual previene la
adsorción no específica del sustrato y los productos) y es de bajo costo. Sin embargo, como la mayoría de
las enzimas son relativamente inestables, el costo del aislamiento es todavía alto, y es técnicamente difícil
recuperar un enzima activa después de una reacción.
1.3.9 Reutilización de levadura inmovilizada
Entre las principales características del uso de levadura inmovilizada se encuentra la reutilización de estas
entregando múltiples ventajas para los diferentes procesos.
Se estudio la reutilización de levadura en el proceso de fermentación de la cerveza y el rendimiento de
esta al ser reutilizada aumento en comparación al proceso tradicional [38]. También se inmovilizo levadura
y se reutilizo para el proceso de fermentación del hidromiel y del vino, llegando a obtener un
comportamiento idéntico al proceso tradicional [39].
A partir de la información anterior se puede concluir que la reutilización de la levadura puede entregar
ahorros económicos para las empresas industriales.
1.3.10 Problemas con la inmovilización celular
Es posible encontrar una serie de problemas producidos por la inmovilización celular, estos se nombran
a continuación.
Los sistemas floculados presentan un difícil manejo debido a que la floculación depende de factores como
el pH, la concentración de Ca2+, temperatura y la agitación [31]. Además, cada cepa de levadura presenta
un comportamiento diferente.
El uso de membranas micro porosas como filtros para retener las levaduras en el reactor, lo cual resulta
muy costoso cuando se emplean reactores continuos. El mayor problema que presenta esta técnica es el
14
bloqueo que eventualmente sufren los poros de la membrana debido a partículas o a las mismas levaduras
[40]. Por otra parte, la inmovilización de células por adsorción sobre la superficie de materiales es fácil de
conseguir, pero al ser la adsorción un fenómeno fundamentalmente electrostático, durante los procesos
en continuo, especialmente por efecto de la agitación, las células se liberan del soporte. Además, por este
método es difícil inmovilizar grandes cantidades de biomasa [31].
1.3.11 Influencia del método de inmovilización sobre la viabilidad de las
células
La viabilidad que presentan las células inmovilizadas va a depender principalmente del tipo de soporte y
del tipo de células a utilizar en el proceso de fermentación.
Según estudios desarrollados, indican que por medio del entrampamiento de células en gel de
poliacrilamidas destruye la viabilidad entre un 50-90% [41], pero caso contrario sucede cuando una célula
es inmovilizada por medio de la adsorción en un soporte poroso (existe una gran viabilidad entre las
células) [19].
1.3.12 Estabilidad catalítica de las células inmovilizadas
La inmovilización de células permite entregarle una mayor protección al ambiente frente a cambios físicos
y químicos gracias a la resistencia que generan los soportes en los cuales se encuentran las células.
Dentro de los cambios ambientales es posible mencionar cambios en el pH, temperatura, solventes
orgánicos, etc.
1.3.13 Difusión en células inmovilizadas
La propiedad física más importante para el estudio de células inmovilizadas es el de la difusión efectiva ya
que a través de esta se llevan a cabo reacciones como la fermentación. El proceso de difusión va a
depender de la resistencia tanto externos como internos.
a) Resistencia difusional interna: debida a que los sustratos tienen que atravesar el interior del
gel, micro cápsula, fibra o poro del soporte donde se encuentra la enzima inmovilizada. Existen
diversas maneras de minimizar estos efectos difusionales [42], como, por ejemplo: disminuir
el tamaño del biocatalizador, aumentar la concentración de sustrato, incrementar la agitación
o el flujo en el reactor.
15
b) Resistencia difusional externa: si el soporte es insoluble en el medio de reacción, el sustrato
deberá atravesar la película líquida estacionaria (capa de Nernst o de disfusión) que rodea el
soporte. En las proximidades de un soporte no cargado, la concentración de sustrato es menor
que en el resto de la disolución, puesto que existe un gradiente de concentración a través de
la zona de difusión.
Para poder establecer un modelo para el proceso de difusión de las células inmovilizadas se tienen que
realizar algunas suposiciones. Una de ellas es considerar que el proceso se comporta de acuerdo con el
modelo de Fick, es decir dependiendo solo del gradiente de concentración y la difusividad efectiva,
despreciando de esta manera la convección [28].
1.3.14 Fermentación utilizando levadura inmovilizada
Son muchos los estudios que permiten respaldar el uso de levadura inmovilizada en los procesos de
fermentación. Se demostró que la levadura inmovilizada logra una alta estabilidad (por más de 14 meses)
para los procesos de producción de cerveza tipo lager, aunque el uso de este proceso afecto ligeramente
en el sabor del producto final [43]. También se logró elaborar cervezas utilizando un soporte lignocelulósico
en un reactor con aireación continuo y se comprobó que el desempeño optimo se logró a las 25 horas de
fermentación, presentando el mismo comportamiento que el proceso tradicional [44]. Por último, se
demostró que es posible elaborar hidromiel utilizando levadura inmovilizada e incluso se logró aumentar
el rendimiento de la fermentación al reutilizar estas células [39].
La información del uso de levadura inmovilizada en procesos de fermentación es muy abundante en
internet, pero aun así falta información económica sobre el uso de esta técnica.
1.3.15 Descripción del producto
La cerveza es una bebida alcohólica hecha a base de cebada u otros cereales fermentados en agua, la
cual se aromatiza con lúpulo u otras plantas. Cada uno de los ingredientes para elaborar la cerveza son
considerados de gran importancia, puesto que le dan la consistencia, sabor, cuerpo y aroma a este brebaje.
Es la bebida alcohólica más consumida en el mundo, superando con creces al vino y los diversos
destilados. Se ha probado que la cerveza posee propiedades terapéuticas y beneficios para la salud,
gracias al bajo grado alcohólico, ausencia de grasas y azúcares y una gran cantidad de hidratos de
carbono, vitaminas y proteínas. Alguno de los beneficios de la cerveza son la disminución del riesgo de
sufrir infartos al corazón, combate la formación de cálculos renales, ayuda en la prevención de la anemia
gracias a la presencia de ácido fólico en sus minerales, entre otros.
El proceso productivo comienza al mezclar los granos de cereal (malta o trigo generalmente) con agua
previamente calentada, para posteriormente realizar el macerado y separar el grano del líquido. Luego, se
procede a agregarle lúpulo al líquido obtenido en pasos anteriores con el fin de darle cierto amargor al
producto. Posteriormente, se agrega la levadura al líquido y se procede a iniciar la fermentación de este
para que genere el alcohol y pueda ser servida a los consumidores. Dependiendo de la levadura y el lúpulo
utilizado, sumado al tiempo de fermentación, se pueden obtener diversos tipos de cerveza, ya sea en
16
aroma, sabor y color. Mediante la mezcla de estos tipos de ingredientes se pueden diferenciar dos grandes
familias de estilos de cerveza: la Ale y la Lager. La cerveza de tipo Ale se destaca al producirse mediante
fermentación alta, es decir, se produce en la superficie exterior alta del tanque de fermentación y demora
entre 15 y 20 días. Por otro lado, la cerveza del tipo Lager es de fermentación baja, en donde la levadura
actúa a bajas temperaturas (entre 6°C y 10°C) y generalmente este proceso dura entre 8 y 10 días.
1.3.16 Descripción del mercado
El mercado de la cerveza en Chile estuvo centrado en sólo un tipo de cerveza por varias décadas, la
famosa Lager. Sin embargo, hace algunos años el mercado ha variado, los gustos, adaptándose a la
variedad de sabores y aromas que ofrece hoy en día, incluyendo a la cerveza artesanal. Según datos de
Euromonitor Internacional, el año 2013 en Chile se comercializaron cerca de 1.028 millones de litros de
bebidas alcohólicas, de los cuales cerca de 735 millones fueron de cerveza.
Un crecimiento de 3% ha tenido el consumo de cerveza durante este año 2017. Anualmente, cada chileno
bebe 46 litros de cerveza, cantidad que ha ido en explosivo aumento, creciendo tres veces más que hace
diez años.
Este incremento se observa principalmente en el segmento artesanal, que ha experimentado un alza de
15% en el consumo en relación con el año anterior. Actualmente, este tipo de cervezas tiene una
participación de 1% en el mercado de los alcoholes.
La Asociación de Productores de Cerveza de Chile (Acechi) proyecta que el consumo, la producción y la
exportación de cervezas artesanales aumentarán paulatinamente [45].
Según encuesta realizada a 1000 usuarios de forma online respecto de la percepción de cerveza artesanal
en Chile se recabaron los siguientes datos:
17
¿Por qué compras cerveza artesanal?
Figura 4. Gráfica sobre el porqué se compra cerveza artesanal en Chile.
¿Qué aspectos negativos tiene la cerveza artesanal?
Figura 5. Gráfico sobre aspectos negativos de la cerveza artesanal
18
¿Dónde compras cerveza artesanal?
Figura 6. Gráfico sobre dónde comprar cervezas artesanales en Chile.
A partir de los gráficos mostrados anteriormente, queda claro que el consumo de la cerveza artesanal en
Chile se ha vuelto cada vez más popular, ganando de esta manera más adeptos.
Por otra parte, los resultados de la Primera Encuesta Nacional de Percepción a Pequeños Cerveceros
realizada a más de 25 productores reflejan el impacto que ha tenido la masiva entrada de nuevos actores
y la sofisticación del consumidor en el mercado cervecero nacional, dándole una importante alza al
consumo de cerveza artesanal en Chile.
El objetivo del estudio, que contó con la participación de más de 40 productores y fue encargado por el
gremio, es conocer el estado actual y desarrollo de la industria, la que se ha destacado por la entrada de
nuevos actores, la diversificación de la oferta y la sofisticación del consumidor, el que ha aumentado el
consumo per cápita hasta los 44 litros, cifra muy superior a los 25 litros que se registraban a principios de
la década pasada.
Uno de los resultados más interesantes del estudio se refiere a la masiva aparición de nuevos productores
durante el último tiempo, lo que queda reflejado en que el 63% de los encuestados señaló que produce
cerveza de manera formal desde hace menos de cinco años, mientras que sólo un 11% declara llevar más
de una década en el rubro. Según cifras de ACECHI, actualmente Chile cuenta con alrededor de 300
productores de cerveza.
El incremento, tanto en el número de productores locales como internacionales, considerando también que
la importación de cervezas aumentó 11 veces desde 2007, ha obligado a las empresas a buscar
mecanismos para diferenciarse de su competencia, abriendo nuevos nichos de mercado y ajustando su
oferta de productos a las nuevas demandas de los consumidores. Lo anterior, se ve reflejado en la alta
tasa de innovación declarada por los pequeños cerveceros, la cual alcanza un 95% en los últimos 12
meses.
19
La innovación de los productores de cerveza se ha llevado a cabo principalmente en las áreas relativas a
las variedades de cerveza y sus ingredientes, lo que ha generado que el 65% de ellos elabore entre tres y
seis tipos diferentes. Asimismo, se ha abierto un gran nicho con la aparición de las líneas de cervezas
Premium, segmento que ha mostrado un importante crecimiento, registrando un incremento de 10%
durante el período de mayo 2014 - mayo 2015 y productos como la cerveza sin alcohol, los que han
aportado a aumentar la diversidad en el mercado nacional. El dinamismo y constante crecimiento de la
industria cervecera chilena se ve reflejado también en que el 55% de los encuestados sitúa su nivel de
producción actual entre los 100 y los 50.000 litros anuales, mientras que el 47% de los consultados espera
llegar a niveles de producción que fluctúan entre 50.001 y 200.000 litros anuales en un período de tres
años, entendiendo así la positiva proyección del mercado nacional [46].
2 Objetivos
2.1 Objetivo general
• Obtener evaluación técnico-económica para elaboración de bebidas alcohólicas tipo cervezas
artesanales utilizando levaduras inmovilizadas.
2.2 Objetivos secundarios
•
•
•
•
Evaluar el comportamiento que presenta la levadura inmovilizada en el proceso de fermentación
alcohólica.
Evaluar una posible reutilización de las levaduras inmovilizadas en el proceso de fermentación
alcohólica.
Evaluar la obtención de cervezas artesanales a partir de levadura inmovilizada y levadura libre.
Analizar económicamente el uso de levaduras inmovilizadas para determinar su rentabilidad en
las industrias.
3 Metodología
3.1 Materiales
Los materiales utilizados durante el desarrollo de esta tesis se encuentran a continuación.
20
3.1.1 Materias primas
Como grupo decidimos por realizar una cerveza tipo Pale Ale, ya que privilegiamos la simplicidad en el
estilo de la cerveza y la facilidad para conseguirse los insumos.
A continuación, se mencionarán todos los insumos utilizados en el proceso.
a) Malta
Para la elaboración de la cerveza utilizamos dos tipos de malta diferente. Una llamada Pale Ale y la otra
llamada Caramunich II, ambas maltas fueron provistas por “insumos Lagunillas”, ubicado en Viña del Mar,
3 oriente 886.
b) Agua
El agua utilizada en el proceso corresponde al agua de llave, sin embargo, esta antes de ser utilizada,
primero se hirvió para limpiarla de todas las impurezas que puede llegar a contener.
c) Lúpulo
El lúpulo usado para la elaboración de la cerveza presento la forma de un pellet y es del tipo Cascade.
Este elemento fue provisto por “insumos Lagunillas”, ubicado en Viña del Mar, 3 oriente 886.
d) Levadura
La levadura utilizada fue la Saccharomyces cerevisiea, del tipo “Nottingham”, marca “Lallemand”. Esta fue
provista por “insumos Lagunillas”, ubicado en Viña del Mar, 3 oriente 886. Las características de la levadura
se encuentran en el “anexo 1. Características de la levadura”.
e) Alginato de sodio y cloruro de calcio
El alginato de sodio y el cloruro de calcio utilizados para la inmovilización fueron donados por la profesora
Martha Cuenca, estos fueron traídos desde la Universidad Nacional de Colombia.
21
f) Equipos utilizados
Se utilizaron 12 botellas de vidrio de 1 litro cada una como reactor tipo Batch. Se decidió por escoger
botellas de vidrio ya que debido a los escasos recursos se nos hizo imposible trabajar en otro tipo de
reactor. Se decidió por utilizar 12 botellas, de manera que en el momento de sacar muestras estas no se
contaminaran por parámetros externos como la humedad, aireación, etc. Se utilizó además un destilador
de vidrio y picnómetro de vidrio para poder calcular la cantidad de etanol producido durante la fermentación
alcohólica. Debido a que el laboratorio no contaba con tomas de aguas a la cual conectar el destilador, se
hizo necesario utilizar una bomba de diafragma con el fin de poder recircular el agua (líquido refrigerante)
en el proceso de destilación. Otros equipos utilizados fueron un refractómetro y pH-metro cuyo uso se
encuentra explicado en la metodología.
3.2 Metodología
3.2.1 Observación de la levadura inmovilizada por medio de microcopia
Para poder determinar si la levadura se inmovilizo de buena manera al interior del alginato, se mandó a
analizar una muestra de levadura inmovilizada a la Universidad de la Frontera, ubicada en la ciudad de
Temuco. Para la observación, se utilizó un microscopio electrónico de barrido de marca Hitachi (SU3500)
y se analizó la muestra de levadura inmovilizada en alginato con el fin de determinar la efectividad de este
compuesto como agente inmovilizador.
3.2.2 Medición de pH [47].
Esta medición se realizó de manera directa utilizando un electrodo (HANNA,HI 8424), calibrado
anteriormente con tampones comerciales. Para la medición se utilizaron 10 ml de mosto, realizando tres
mediciones por día de manera que los resultados arrojados fueran confiables.
3.2.3 Medición de la densidad específica del mosto
Para la medición de la densidad específica del mosto se utilizó un picnómetro de 10 ml de capacidad, que
fue facilitado por las laboratoristas. Se pesó el picnómetro en una balanza analítica marca (LT1002B) de
hasta 4 decimales y con una precisión de 0.1 mg. El peso obtenido se dividió por el peso del agua pesado
en el picnómetro [48], tal como se muestra en la ecuación 4, por lo tanto, de esta manera se hace posible
calcular la densidad específica del mosto.
22
Con respecto a las mediciones, se realizaron tres diarias de manera de obtener resultados mucho más
confiables.
SGmosto =
Masa mosto
Masa agua destilada
Ecuación 4
3.2.4 Medición de azúcares solubles
Para realizar la medición de los azúcares solubles en el mosto, se utilizó un refractómetro (Marca HEDAO,
modelo RHB-5ATC). El refractómetro nos entrega los grados Brix, que nos permite determinar la cantidad
de materia seca disuelta en un líquido.
Se realizaron tres mediciones de azúcares soluble de manera diaria de manera que los resultados
obtenidos fueran mucho más confiables.
3.2.5 Medición de etanol en el mosto
Para realizar las mediciones del etanol en el mosto, se hizo una curva de calibración que se encuentra en
el “anexo 2. Curva de calibración de etanol” en donde los ejes corresponden a la densidad específica y a
la concentración de etanol. Se prepararon diferentes soluciones acuosas de etanol y de determinó su
densidad específica con un picnómetro.
La determinación del contenido de alcohol se determinó usando el método oficial [49], para lo cual se
obtuvo una muestra de 100 ml del mosto y se destilo, una vez obtenido el destilado, el volumen restante
fue llenado con agua destilada, para que luego esta solución fuera pesada en el picnómetro, con el fin de
obtener su densidad especifica. A partir de la densidad específica, nos vamos a la curva de calibración y
podemos calcular la concentración de etanol que tiene nuestra cerveza .
3.2.6 Consumo de azúcar
Con el propósito de realizar una comparación entre las levaduras libres y las inmovilizadas se decidió por
realizar un estudio cinético que tiene relación con el consumo de azúcares en el proceso de fermentación.
Para los cálculos de la concentración de azúcar se usó la ecuación 5, que consiste en multiplicar los grados
Brix por la densidad del mosto.
23
Concentración de azúcar = °Brix ∗ ρmosto
Ecuación 5
La ecuación anterior fue utilizada en algunas investigaciones, como por ejemplo para determinar la
concentración de azúcar en la fermentación alcohólica para la obtención de hidromiel [14].
3.2.7 Preparación del mosto
Todo lo que tenga relación con la preparación del mosto es posible encontrarlo en el “anexo 3. Preparación
del mosto”.
3.2.8 Inmovilización por atrapamiento
Los pasos por seguir para lograr la inmovilización de la levadura por atrapamiento se encuentran en el
“anexo 4. Pasos para inmovilización de levadura”.
3.2.9 Caracterización del soporte para inmovilización de las levaduras
Se realizó la medición de la densidad del biocatalizador como la división entre la masa por el volumen de
esta. La densidad se obtuvo pesando 15 esferas con levadura inmovilizada de diferentes tamaños en una
balanza analítica y midiendo el diámetro de cada una de estas con el fin de obtener el volumen de las
esferas que se encuentra en la ecuación 6.
El diámetro fue medido por un pie de metro electrónico (Blue & Grey, 0-150mm) y luego asumiendo que el
biocatalizador presentaba la forma de una esfera, se permitió utilizar la fórmula del volumen de una esfera
para poder calcular el volumen del biocatalizador.
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 =
4
∗ 𝜋 ∗ 𝑟3
3
Se realizaron 15 mediciones para obtener un valor que nos entregue una mayor confianza.
24
Ecuación 6
3.2.10 Cinética del consumo de Azúcar
Para poder determinar la variación del consumo de la glucosa en el tiempo, se hizo necesario linealizar e
integrar la ecuación 1 que se mostró anteriormente en la metodología, con el fin de poder obtener una
expresión matemática que se ajuste a la regresión lineal y que entregue el valor de las variables. A
continuación, se muestra la cinética del consumo de azúcar para orden 0 (ecuación 7), orden 1 (ecuación
8) y orden 2 (ecuación 9). Estas ecuaciones nos permiten determinar el comportamiento de la fermentación
alcohólica.
Orden 0
𝐶𝑎 = 𝐶𝑎0 − 𝑘 ∗ 𝑡
Orden 1
ln(𝐶𝑎) = ln(𝐶𝑎0 ) − 𝑘 ∗ 𝑡
Ecuación 8
1
1
= 𝑘𝑡 +
𝐶𝑎
𝐶𝑎0
Ecuación 9
Orden 2
Ecuación 7
3.2.11 Cinética para la producción de etanol por modelo de Gompertz
Se utilizo la ecuación (3), que representa el modelo de Gompertz modificado para poder determinar la
cinética en la producción de etanol.
3.2.12 Reutilización de la levadura inmovilizada.
Realizada la primera fermentación con levaduras inmovilizadas, el producto obtenido fue botado y las
células fueron lavadas con agua destilada para su reutilización en el proceso de fermentación [39].
Al igual que en la primera fermentación se realizó un seguimiento de los diferentes parámetros
mencionados anteriormente con el fin de poder realizar una comparación entre los diferentes procesos de
fermentación.
3.2.13 Rendimiento y productividad [12]
El rendimiento fue calculado a partir de la concentración de azúcar consumido y etanol producido por
medio de la ecuación 10.
25
𝑌𝑃 =
𝑆
∆𝑃
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜
=
−∆𝑆 −𝑛𝑢𝑡𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜
Ecuación 10
Para los cálculos de la productividad volumétrica se utilizó la ecuación 11 que fue obtenida del libro
“Fundamentos de ingeniería bioquímica” [12].
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 =
𝐶𝑝 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜
=
𝑡
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
Ecuación 11
3.2.14 Análisis estadístico de los datos
Sabemos que la información de tipo cuantitativa es fundamental para un correcto análisis científico y de
ingeniera, por lo tanto, con el fin de determinar qué tan erróneos fueron los datos y cálculos de los valores
obtenidos debido a la repetición de las mediciones, se decidió realizar un estudio estadístico mediante el
uso de dos softwares dedicados al tema: Microsoft Excel y Origin Data Analysis and Graphing Software.
En ambos programas se calculó el promedio, error y desviación estándar de los distintos parámetros
analizados. Los resultados de este análisis se pueden encontrar en el “anexo 5. Análisis estadístico de las
muestras experimentales”.
Es de importancia también poder determinar la sensibilidad de las variables que afectan en la fermentación
alcohólica. Por lo tanto, se decidió por realizar un diseño de experimentos utilizando el software MINITAB,
en donde las variables analizadas fueron concentración de azúcar, concentración de alcohol y densidad
del mosto, y el diseño a seguir fue el de factorial. La matriz usada para el diseño de experimento también
se encuentra en el “anexo4. Análisis estadístico de las muestras experimentales.
3.2.15 Estimación por costos indexados y por capacidad
Debido a que se hizo necesario estimar el costo de diversos equipos para realizar el análisis económico
del uso de levadura inmovilizada en la fermentación alcohólica, se decidió utilizar dos métodos para poder
estimar estos costos y llevarlo a un valor actual.
Para la estimación por costos indexados se encuentra la ecuación 12 que permite realizar sus cálculos.
𝐶𝑝 = 𝐶0 ∗
𝐼𝑝
𝐼0
Ecuación 12
26
Donde “Cp” es el costo en valor presente, “C0” es el costo del pasado, “Ip” es el costo indexado presente y
“I0” es el costo indexado pasado.
Los costos indexados se pueden encontrar en la revista “Chemical Engineering” [50].
Para calcular la estimación por capacidad, se utilizó la ecuación 13
𝐶2 = 𝐶1 ∗ (
𝑄2 𝑋
)
𝑄1
Ecuación 13
Donde “C1” representa el costo del equipo de capacidad “Q 1”, “C2” representa el costo de capacidad “Q 2”
y x es un factor que depende del equipo a analizar.
Todos los costos de las diversas variables que aparecerán en esta tesis se encontrarán en dólares (US$),
por lo tanto, para la conversión de dólar a peso chileno (CLP) se usara la siguiente igualdad que fue sacada
de la página web “valor-dólar.com” [51].
1𝑈𝑆$ = 625.16 𝐶𝐿𝑃
3.2.16 Estimación del capital de inversión y costo del producto [52]
Para poder realizar el análisis económico de nuestro proyecto fue necesario en primer lugar, tener
conocimiento de los equipos y materias primas que serán utilizados en el proceso de fermentación
alcohólica. Conociendo ya los productos y la materia prima, se hace necesario conocer los proveedores
que nos entreguen estos productos con el fin de conocer sus costos.
Sabiendo el costo de los equipos y materia prima se utilizaron métodos de ingeniería económica para
poder estimar el capital total de inversión y costo total del producto.
Para estimar el capital total de inversión, se utilizó el método de porcentajes, que se basa principalmente
en determinar qué tipo de planta se analizara y a partir de esto poder determinar el capital total de inversión.
Se multiplicará el valor de los equipos en costo CIF por el porcentaje de todas las variables que se
presentan en el “anexo 6. Método del porcentaje para estimar capital total de inversión”.
Con respecto a la estimación del costo total del producto se utilizó el método de Lang y Chilton, que es
muy similar al método de porcentajes. En el “anexo 7. Método de Lang y Chilton para estimar costo total
del producto”, se muestran las variables para obtener la estimación del costo total de productos.
3.2.17 Selección de alternativas [53]
Debido a que este proyecto se encargó de evaluar económicamente el uso de levaduras inmovilizadas
para la elaboración de cerveza artesanal, se decidió por realizar una comparación económica entre el
27
método tradicional con el método estudiado con el fin de poder determinar si es conveniente
económicamente.
Para realizar la comparación entre ambos métodos se decidió por utilizar la selección de alternativas, en
donde se utilizaron dos métodos para poder determinar cuál es el más conveniente.
•
•
Selección de alternativa por valor presente: este método consiste en llevar todos los valores a
valor presente, escogiendo la alternativa que tenga un valor presente (VP) más pequeño.
Selección de alternativa por el costo anual uniforme equivalente (CAUE): este método consiste en
llevar todos los valores a costo anual. Se escoge la alternativa que presente un valor de CAUE
más pequeño.
Se decidió por utilizar estos dos métodos, ya que son los menos complejos y permiten dar un resultado
bastante confiable.
3.3 Explicación de la metodología
La primera parte de nuestra tesis desarrollada durante el primer semestre del año 2017 consistió en
pruebas y análisis de laboratorio. A continuación, se explica el diseño experimental que se siguió.
Se realizaron tres fermentaciones con el fin de determinar las variables mencionadas anteriormente y
evaluar el comportamiento de la levadura inmovilizada y su reutilización.
En primer lugar, se procedió a preparar el mosto de la cerveza tal como se dijo en la metodología, una vez
preparado, se trasvasijo 600 ml de mosto entre 12 botellas de vidrio de 1 litro cada una esterilizadas
previamente. De estas 12 botellas, 6 fueron utilizadas para el proceso de levadura libre y las restantes se
les agrego levadura inmovilizada. A cada botella se les realizo tres muestreos de los diferentes parámetros
diarios. Por lo tanto, se realizaron un total de 72 muestreos, donde 36 corresponden a las levaduras libres
y el resto al mosto con levadura inmovilizada.
Al terminar la primera fermentación, se decidió por realizar una segunda fermentación, pero en esta se
reutilizaron las levaduras inmovilizadas de la primera y además se volvió a inmovilizar levadura, formando
esta vez esferas con un mayor diámetro. Al igual que en la primera parte, el mosto total cocinado fue
trasvasijado en 12 botellas de 1 litro esterilizadas previamente, para que de esta manera comience la
segunda fermentación. A cada botella se les tomaron las mismas muestras que en la primera parte, sin
embargo. La tercera fermentación se llevó a cabo una vez terminada la segunda fermentación y al igual
que los procesos anteriores se realizaron mediciones a los mismos parámetros, siguiendo el mismo patrón
de orden. La idea de haber realizado una tercera fermentación fue para ver el comportamiento de la
levadura reutilizada por segunda vez. Las fotos de los experimentos desarrollados en el laboratorio, es
posible encontrarlo en el “anexo 8. Evaluación de parámetros para levadura inmovilizada, libre y
reutilizada”.
La segunda parte de nuestra tesis se llevó a cabo durante el segundo semestre del año 2017 y consistió
en realizar todos los análisis tanto estadísticos como experimentales desarrollados en el laboratorio
durante el primer semestre. Luego de haber obtenido estos análisis, se procedió a realizar una evaluación
económica de nuestro proyecto. Para esto se hizo necesario diseñar un par de equipos (fermentador,
28
madurador, intercambiador de placas y agitador) con el fin de poder determinar el tipo de material y la
capacidad de estos en el momento de cotizar sus precios.
Una vez diseñados los equipos se procedió a cotizar estos con diferentes proveedores de manera de poder
obtener el costo total del producto y el capital de inversión por medio de los métodos nombrados
anteriormente.
Para finalizar nuestra tesis, se realizó una comparación entre la fermentación con levadura libre y la
fermentación con levadura inmovilizada para poder determinar su es económicamente conveniente utilizar
la nueva metodología.
A continuación, se encuentra un diagrama de flujo con todos los pasos usados para realizar la fermentación
alcohólica en el primer semestre del año 2017.
Molienda
Amostamiento
Temperatura =70°C
Enfriamiento mosto
Levadura
Inmovilización de
levadura
Temperatura =25°C
Fermentación con
levadura libre
Lúpulo
Fermentación con
levadura inmovilizada
Análisis de
parámetros
pH
Densidad
específica
Grados Brix
Concentración de
etanol
Reutilización de
levadura
Figura 7. Diagrama de flujo sobre la metodología desarrollada.
29
Concentración de
azúcar
4 Resultados y discusiones
A continuación, se mostrarán los resultados obtenidos en el laboratorio de los tres procesos de
fermentación desarrollados durante el primer semestre del año 2017.
4.1 Observación de levadura inmovilizada a través de un microscopio
A partir de las muestras analizadas en el laboratorio, se obtuvieron las siguientes imágenes.
Figura 8. Levadura inmovilizada en Alginato vista
a 50 µm.
Figura 9. Levadura inmovilizada en Alginato vista
a 100 µm.
30
Figura 10. Levadura inmovilizada en Alginato vista a 30 µm.
En la figura 8 y 10 se puede apreciar la levadura inmovilizada con un acercamiento de 50 y 30 µm
respectivamente en el microscopio. Con respecto a la figura 9, se puede decir que la levadura se encuentra
inmovilizada en alginato, por lo tanto, se comprueba que este compuesto sirve como mecanismo para
lograr la inmovilización.
4.2 Caracterización de la inmovilización en Alginato de calcio
En la siguiente tabla se puede apreciar la caracterización de la levadura inmovilizada usada en las tres
fermentaciones.
Tabla 1. Caracterización de la levadura inmovilizada en los tres procesos de fermentación .
Levadura (tipo)
Levadura inmovilizada
Levadura inmovilizada
reutilizada por primera vez
Levadura inmovilizada
reutilizada por segunda vez
Diámetro
(mm)
2.994±0.133
3.182±0.165
Volumen(ml)
Peso (g)
Densidad (g/ml)
0.016±0.002
0.019±0.003
0.029±0.003
0.035±0.001
2.165±0.367
2.449±0.453
4.031±0.099
0.036±0.003
0.046±0.002
1.363±0.072
Como se puede ver en la tabla anterior, es importante mencionar que el diámetro y el peso de las esferas
va aumentando al avanzar con las etapas fermentativas.
31
El aumento de estas variables es debido a una serie de factores entre los cuales se puede mencionar: el
aumento de la biomasa durante la fermentación, dióxido de carbono atrapado en el gel y sustrato atrapado
en el gel [39].
Debido a que la biomasa (levadura) durante la fermentación va aumentando y producto de que esta se
encuentra atrapada en el gel, se comienza a acumular, aumentando de esta manera el peso, el diámetro
y la densidad. Pasa exactamente lo mismo con el dióxido de carbono y la cantidad de sustrato [54].
4.3 Análisis de pH
Se realizo un seguimiento de pH a los tres procesos fermentativos con el fin de ver como varia este durante
la fermentación y al inmovilizar la levadura en alginato de calcio.
pH vs Tiempo
5,5
pH vs Tiempo
6
5,5
pH
pH
5
4,5
5
4,5
4
4
0
5
10
15
20
0
5
Tiempo (días)
Levadura libre
10
15
20
Tiempo (días)
levadura libre
Levadura inmovilizada
levadura inmovilizada
levadura reutilizada
Figura 11. Comportamiento del pH en el tiempo para
la primera fermentación.
32
Figura 12. Comportamiento del pH en el tiempo
para la segunda fermentación.
pH vs Tiempo
6
pH
5
4
3
0
5
10
15
20
Tiempo (días)
Levadura reutilizada
Levadura reutilizada por segunda vez
Figura 13. Comportamiento del pH en el tiempo
para la tercera fermentación.
De acuerdo con todos los resultados mostrados en los gráficos anteriores, se puede decir que el proceso
de fermentación en los tres casos fue correcto, ya que el pH siempre estuvo entre los valores 3 y 6.
En los datos obtenidos de las experiencias, se puede concluir que el proceso en el que se utilizó levadura
inmovilizada presento un pH mayor que aquel que utilizo levadura libre. Esto se debe a que durante el
proceso de fermentación se tienden a liberar una gran cantidad de ácidos orgánicos y la levadura al
encontrarse inmovilizada genera cierta resistencia para el paso de estos ácidos hacia el mosto, por lo
tanto, la concentración de ácidos en la solución final será menor que el proceso tradicional.
Para el seguimiento del pH en la segunda fermentación, se puede concluir que la reutilización de la
levadura produce que se libera una menor cantidad de ácidos orgánicos y por ende se estabilice la acides
del mosto en un tiempo mucho más rápido que por medio del proceso tradicional [28]. Sin embargo, en la
tercera fermentación, fue la levadura reutilizada por segunda vez la que arrojo un valor de pH más bajo
que el resto. Este comportamiento se debe al desgaste que tuvo el alginato de calcio que mantiene
inmovilizada a la levadura en su interior, generando de esta manera una mayor liberación de ácidos
orgánicos al mosto.
4.4 Análisis de densidad específica
En las siguientes figuras es posible encontrar los resultados obtenidos de la densidad específica para los
tres procesos de fermentación.
33
Densidad específica vs Tiempo
1,04
Densidad específica
Densidad específica
Densidad específica vs Tiempo
1,04
1,03
1,03
1,02
1,02
1,01
1,01
1
0,99
1
0,99
0,98
0
5
10
15
0
20
levadura libre
levadura reutilizada
Levadura inmovilizada
15
20
levadura inmovilizada
Figura 15. Comportamiento de la densidad
específica en el tiempo para la segunda
fermentación.
Figura 14. Comportamiento de la densidad
específica en el tiempo para la primera
fermentación.
Densidad específica
10
Tiempo (días)
Tiempo (días)
Levadura libre
5
Densidad específica vs tiempo
1,025
1,02
1,015
1,01
1,005
1
0,995
0,99
0
5
10
15
20
Tiempo (días)
levadura reutilizada
Levadura reutilizada por segunda vez
Figura 16. Comportamiento de la densidad específica
en el tiempo para la tercera fermentación.
De los datos obtenidos se puede mencionar que la densidad específica del mosto fue disminuyendo, ya
que a medida que avanzaba el proceso de fermentación la levadura fue consumiendo el azúcar hasta
transformarlo en dióxido de carbono y etanol principalmente [12]. Estos productos formados presentan una
densidad específica mucho más baja que el azúcar lo que permite explicar la disminución de esta variable.
También es importante mencionar que la densidad especifica llega a un valor estable durante el tiempo
que se dejó la fermentación (17 días), lo que permite explicar el lento consumo de azúcar por parte de la
levadura durante ese tiempo.
34
Se puede ver que tanto en las figuras 14,15 y 16, la densidad específica varia, es decir de un día para otro
aumenta y baja. Esta variación es producida por una mala medición de las muestras, ya que muchas veces
cuando se midieron las muestras, estas presentaban una determinada concentración de dióxido de
carbono provocando una medición no tan certera.
La densidad específica disminuyo de manera más lenta al utilizar levadura inmovilizada. Esto se debe a
que el gel de alginato de calcio genera cierta resistencia para la difusión de nutrientes entre las células y
el mosto provocando que la fermentación sea más lenta. Para los muestreos utilizando levadura reutilizada,
se hace de importancia saber que este es el que presenta una densidad especifica más baja que las otras
dos (figura 15). Esto puede ser provocado por que las levaduras al ser reutilizadas tienden a consumir
azúcares presentes en el mosto de manera más rápida producto de que se encuentran en estrés.
4.5 Análisis de azúcares solubles
A continuación, se presenta la cantidad de azúcar soluble en el mosto por parte de las levaduras durante
los tres procesos de fermentación.
°Brix vs Tiempo
8
8,5
6
7,5
°Brix
°Brix
°Brix vs Tiempo
9,5
4
6,5
5,5
2
4,5
3,5
0
0
5
10
15
0
20
Tiempo (días)
5
10
Tiempo (días)
15
20
levadura libre
levadura inmovilizada
levadura reutilizada
Grados Brix levadura libre
Grados Brix levadura inmovilizada
Figura 17. Comportamiento de los grados Brix en
el tiempo para la primera fermentación.
Figura 18. Comportamiento de los grados Brix en el
tiempo para la segunda fermentación.
35
°Brix vs tiempo
8
°Brix
6
4
2
0
0
5
10
15
20
Tiempo (días)
Levadura reutilizada
Levadura retulizada por segunda vez
Figura 19. Comportamiento de los grados Brix en el
tiempo para la tercera fermentación.
En los tres casos la concentración de azúcar soluble en el mosto disminuye, ya que las levaduras
consumen este azúcar para poder realizar el proceso de fermentación. El proceso de fermentación con
levaduras inmovilizadas presento una disminución de los grados Brix más lento que el proceso tradicional
ya que tal como se dijo anteriormente, el gel de alginato de calcio genera resistencia para el intercambio
de los nutrientes. Al finalizar el proceso de fermentación que duro 17 días, la cantidad de azúcar soluble
en el mosto se hace estacionaria (no cambia en el tiempo), lo que permite indicar que la levadura ya no
puede consumir más azúcar y por ende el proceso de fermentación se detiene.
4.6 Análisis de la concentración de azúcar en el mosto
El consumo de azúcar es uno de los factores más importantes de la fermentación, ya que a partir de esto
se logra producir etanol y dióxido de carbono que son componentes claves de una buena cerveza. Entre
los principales azúcares que se consumen tenemos la glucosa, la fructuosa, la sacarosa es decir todos los
azúcares que tenga la forma empírica de la glucosa [12]. Estos se consumen de manera más rápida ya
que son considerados azúcares simples [55]. El método para poder realizar el cálculo de la concentración
de azúcar se encuentra explicado en la metodología. A continuación, se encuentran los resultados
obtenidos para los tres procesos de fermentación.
36
Concentración azúcar vs Tiempo
0,11
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
Concentración (g/ml)
Concentración (g/ml)
Concetración azúcar vs tiempo
0,09
0,07
0,05
0,03
0,01
0
5
10
15
0
20
Tiempo (días)
Levadura libre
5
levadura libre
Levadura inmovilizada
10
15
20
Tiempo (días)
levadura inmovilizada
levadura reutilizada
Figura 20. Comportamiento de la concentración
de azúcar en el tiempo para la primera
fermentación.
Figura 21. Comportamiento de la concentración de
azúcar para la segunda fermentación.
Concentración (g/mL)
Concentración de Azúcar vs Tiempo
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
5
10
15
20
Tiempo (días)
Levadura reutilizada
Levadura reutilizada por segunda vez
Figura 22. Comportamiento de la concentración de azúcar
para la tercera fermentación.
Como era de esperarse, la concentración de azúcar fue disminuyendo a medida que avanzaba el tiempo
de fermentación. Esto se debe a que las levaduras necesitan consumir azúcar como nutriente para realizar
la fermentación y así liberar productos como el etanol y el dióxido de carbono. La concentración de azúcar
disminuye rápidamente durante los primeros 8 días de fermentación, llegando a un valor estable que no
varía en el tiempo. Durante los últimos días que se dejó fermentando la levadura el consumo de nutrientes
por parte de estas fue demasiado lento dando por finalizado el proceso de fermentación alcohólica.
37
Para el uso de levadura inmovilizada en este proceso se puede mencionar que la concentración de azúcar
en el mosto disminuye de manera más lenta, ya que el gel de alginato de calcio genera resistencia lo que
evita un buen proceso de difusión entre el mosto y las células.
Por medio de la reutilización de la levadura se logró comprobar que estas seguían consumiendo azúcar
sin ningún problema y por ende se seguía desarrollando el proceso de fermentación. De hecho, se
demostró analíticamente que la reutilización de la levadura genera un consumo mucho más acelerado del
azúcar presente en el mosto (ver figura 21).
4.7 Análisis de concentración de etanol
La concentración de etanol está ligada directamente con el consumo de azúcar, la densidad específica y
la concentración de biomasa. A continuación, es posible observar el resultado de la concentración de
etanol en los tres procesos de fermentación desarrollados.
Concentración etanol vs
Tiempo
0,05
Concentración (g/ml)
Cocentración (g/mL)
Concentración de etanol vs
Tiempo
0,04
0,03
0,02
0,01
0
0
5
10
15
20
0,06
0,04
0,02
0
0
Tiempo(días)
5
levadura libre
Levadura libre
Levadura inmovilizada
10
Tiempo (días)
15
20
levadura inmovilizada
levadura reutilizada
Figura 24. Comportamiento de la concentración de
etanol en el tiempo para la segunda fermentación.
Figura 23. Comportamiento de la concentración de
etanol en el tiempo para la primera fermentación.
38
Concentración (g/mL)
Concentración de etanol vs
Tiempo
0,06
0,04
0,02
0
0
5
10
Tiempo (días)
15
20
Levadura reutilizada
Levadura reutilizada por segunda vez
Figura 25. Comportamiento de la concentración de
etanol en el tiempo para la tercera fermentación.
De acuerdo con los datos obtenidos de la concentración de etanol en el tiempo, se puede decir que esta
aumenta, ya que el azúcar consumido es transformado en etanol y dióxido de carbono durante la
fermentación alcohólica. El uso de levadura inmovilizada genero una liberación de etanol más lenta que el
proceso tradicional producto de la resistencia que genera el gel de alginato de calcio, para el paso del
etanol desde las células hacia el mosto.
Con respecto a la reutilización de la levadura, se puede concluir que esta libero etanol de manera más
rápida y en mayor cantidad que el proceso tradicional, ya que como se vio anteriormente, el consumo de
azúcar por parte de la levadura inmovilizada reutilizada fue mucha más rápido que los otros procesos.
Existieron pequeñas variaciones en las mediciones de los diversos procesos fermentativo y nosotros
creemos que esto fue producto del tipo de agua destilada utilizada para la medición del etanol. Se
comprobó en laboratorio que el agua destilada no siempre presentaba las mismas densidades específicas
y por ende pudo alterar las mediciones realizadas.
4.8 Cinética para el consumo de azúcar en la fermentación alcohólica
Por tema de simplicidad, solo se analizó la cinética del consumo de azúcar en la segunda fermentación
alcohólica. Para esta fermentación se analizó la levadura libre, levadura inmovilizada y la reutilización de
la levadura inmovilizada.
Es importante mencionar que solo se analizó el proceso de fermentación durante las primeras 70 horas,
ya que si se analizaba el tiempo completo que duro nuestro proceso (17 días), los datos obtenidos no
presentaban un valor de regresión aceptable (R2>0.9) y por ende no se ajustaba a la curva de los datos
experimentales. Por otra parte, para poder obtener el orden de reacción se realizaron tres gráficos para
cada uno de los casos. Cada gráfico representaba el orden de reacción del consumo de azúcar en la
fermentación. Se decidió por tomar como un orden de reacción correcto aquel que presento un valor de
regresión mayor. A continuación, es posible observar una tabla con los valores de regresión y las
39
constantes de reacción para la segunda fermentación, los gráficos obtenidos es posible encontrarlo en el
“anexo 9. Determinación del orden de reacción para el consumo de azúcar en el proceso de fermentación
alcohólica”.
Tabla 2. Ajuste de curva para determinación del orden cinético de la fermentación alcohólica.
Tipo de fermentación
Levadura libre
Levadura inmovilizada
Levadura inmovilizada
reutilizada
R2
Ecuación de regresión
lineal
𝑦 = −0.0092𝑋 − 0.6534
𝑦 = −0.0062𝑋 − 0.658
𝑦 = −0.0097𝑋 − 0.6431
0.9362
0.9952
0.9475
Constante cinética (k)
[h-1]
0.0092
0.0062
0.0097
De acuerdo con los resultados obtenidos, se determinó que el orden de reacción que sigue el consumo de
azúcar por parte de los tres tipos de levaduras (libre, inmovilizada y reutilizada) fue de orden 1, ya que
como se explicó anteriormente, fue por medio de este modelo el que nos arrojó un valor de regresión
mayor. Con respecto a la constante cinética de reacción, los valores entres los tres procesos fue muy
similar, sin embargo, fue la levadura inmovilizada reutilizada la que entrego un valor de “k” más elevado,
lo que permitió concluir que el consumo de azúcar por medio de la reutilización se llevó a cabo de manera
más rápida que el resto. El orden de reacción para el consumo del azúcar en la fermentación alcohólica
fue el mismo que otras investigaciones en la que analizaron la fermentación para la producción de hidromiel
[14] y en la fermentación láctica [56] por lo tanto el consumo de azúcar por lo general presenta orden 1 en
la mayoría de los procesos fermentativos.
Para finalizar se puede decir que el mecanismo utilizado para poder determinar el consumo de sustrato
por parte de la levadura es bastante básico ya que no se tomó en cuenta la biomasa generada durante la
fermentación que puede influir de manera considerable en el proceso.
4.9 Cinética para la para la producción de etanol
Al igual que el análisis cinético para el consumo de azúcar, se realizó solo un análisis cinético para la
producción de etanol de la segunda fermentación, evaluando de esta manera el uso de levadura libre,
levadura inmovilizada y levadura inmovilizada reutilizada.
Se utilizo la ecuación 3 que representa el modelo de Gompertz modificado para poder determinar las
variables cinéticas en la producción del etanol. Sin embargo, como el modelo de Gompertz no es lineal, se
decidió por utilizar el software llamado “Origin Lab” para poder determinar de manera más sencilla las
variables del modelo de Gompertz.
A continuación, se muestran los gráficos obtenidos a partir de datos experimentales que se encuentran
ajustados al modelo de Gompertz.
40
Figura 26. Curva de crecimiento por el modelo de Gompertz para levaduras libres utilizando Origin Lab.
Modelo de Gompertz levadura inmovilizada
5
Log(E/Eo)
4
3
Model
SGompertz
Equation
y = a*exp(-exp(-k
*(x-xc)))
Reduced
Chi-Sqr
0,06999
Adj. R-Square
0,96003
Value
2
1
Log(E/Eo)
a
Log(E/Eo)
xc
Log(E/Eo)
k
Standard Error
4,81617
0,07887
12,79771
2,41278
0,08666
0,01677
Log(E/Eo)
SGompertz Fit of Sheet1 Log(E/Eo)
0
0
200
400
Tiempo (Hora)
Figura 27. Curva de crecimiento por el modelo de Gompertz para levaduras inmovilizadas utilizando
Origin Lab.
41
Modelo de Gompertz para levadura inmovilizada reutilizada
5
Log(E/Eo)
4
3
Model
SGompertz
Equation
y = a*exp(-exp(-k*(
x-xc)))
0,03133
Reduced Chi-Sqr
0,98143
Adj. R-Square
a
xc
k
Log(E/Eo)
Log(E/Eo)
Log(E/Eo)
2
Value
4,82775
11,10463
0,14012
Standard Error
0,05147
3,4831
0,03826
1
Log(E/Eo)
SGompertz Fit of Sheet1 Log(E/Eo)
0
0
200
400
Tiempo (Hora)
Figura 28. Curva de crecimiento por el modelo de Gompertz para levaduras inmovilizadas reutilizadas
utilizando Origin Lab.
En los gráficos mostrados anteriormente es posible encontrar una tabla en donde se muestran los valores
de las constantes del modelo de Gompertz, su error estándar y el valor de la correlación.
De los resultados obtenidos, se puede comprobar que el modelo de Gompertz se ajustó a la perfección
con la producción de etanol en el proceso de fermentación alcohólico, entregando un valor de correlación
mayor a 0.9 para los tres casos analizados. Con respecto al análisis de los parámetros cinéticos, se siguió
el estudio desarrollado por Amaury Blanco que analizo la producción de etanol en la fermentación
alcohólica [57].
A continuación, se presenta un cuadro de resumen con los valores de las variables del modelo de
Gompertz modificado (ecuación 3).
42
Tabla 3. Ajuste de curva por modelo de Gompertz para la producción de etanol durante la fermentación.
Tipo de
fermentación
Levadura
libre
Modelo de Gompertz modificado
𝐸
log ( )
𝐸0
= 4.8719 ∗ 𝑒 −𝑒
Levadura
inmovilizada
𝐸
log ( )
𝐸0
= 4.8162 ∗ 𝑒 −𝑒
Levadura
inmovilizada
reutilizada
𝐸
log ( )
𝐸0
= 4.8277 ∗ 𝑒 −𝑒
Producción
logarítmica
máxima de
etanol (Pm)
4.8719
Tasa de
producción
máxima (RM)
[h-1]
0.6092
Tiempo de
retraso (𝜆)[h]
4.8162
0.4173
1.2584
4.8277
0.6765
3.9535
3.7671
0.6092(3.7671−𝑡)
(2.71∗
+1)
4.8719
0.4173 (1.2584−𝑡)
(2.71∗
+1)
4.8262
0.6765 (3.9535−𝑡)
(2.71∗
+1)
4.8277
De los datos que se encuentran en la tabla anterior, se puede decir que el tiempo de retraso fue mucho
más bajo en la levadura inmovilizada, permitiendo determinar que la producción de etanol durante las
primeras horas de fermentación se realizó de manera más rápida que el resto de los procesos.
Con respecto a la tasa de producción máxima de etanol, se concluye que el proceso en el que se
reutilizaron las levaduras inmovilizadas arrojó el valor más elevado, cumpliendo de esta manera con la
gráfica de la figura (21), en donde se puede apreciar que, al reutilizar la levadura inmovilizada, se logró
obtener la mayor concentración de etanol que el resto de los procesos durante el tiempo que duro la
fermentación.
Para finalizar, se pude decir que la producción logarítmica máxima de etanol fue para el uso de levadura
libre, ya que como se pudo apreciar en la figura (21), fue por medio de este proceso el que logro valores
de concentraciones de etanol más elevados durante los primeros 14 días de la fermentación.
4.10
Rendimiento y productividad
Tanto el rendimiento como la productividad son muy importantes para poder determinar la eficiencia en la
fermentación alcohólica.
A continuación, se presenta una tabla que muestra la concentración de etanol y azúcar durante los 17 días
que duró la fermentación, además de representar el rendimiento y productividad.
43
Tabla 4. Rendimiento y productividad para la primera fermentación.
Tipo de
fermentación
Tiempo
(días)
Concentración
de etanol (g/ml)
Levadura libre
Levadura
inmovilizada
17
17
0.038±0.002
0.039±0.002
Concentración
de azúcar
(g/ml)
0.032±0
0.032±0.005
Rendimiento
experimental (g
etanol/g azúcar)
0.482±0.002
0.507±0.005
Productividad
(g*L -1día -1)
2.199±0.002
2.313±0.002
Tabla 5. Rendimiento y productividad para la segunda fermentación.
Tipo de
fermentación
Tiempo
(días)
Concentración
de etanol (g/ml)
Concentración
de azúcar
(g/ml)
Productividad
(g*L -1día -1)
0.042±0
0.042±0
Rendimiento
experimental (g
etanol/g
azúcar)
0.477±0.001
0.467±0.001
Levadura libre
Levadura
inmovilizada
Levadura
inmovilizada
reutilizada
17
17
0.047±0.001
0.045±0.001
17
0.050±0.001
0.040±0
0.548±0.001
2.926±0.001
2.717±0.001
2.642±0.001
Tabla 6. Rendimiento y productividad para la tercera fermentación.
Tipo de
fermentación
Tiempo
(días)
Concentración
de etanol (g/ml)
Concentración
de azúcar
(g/ml)
Productividad
(g*L -1día -1)
0.030±0
Rendimiento
experimental (g
etanol/g
azúcar)
0.526±0.002
Levadura
inmovilizada
reutilizada por
primera vez
Levadura
inmovilizada
reutilizada por
segunda vez
17
0.041±0.001
17
0.048±0.002
0.030±0
0.617±0.002
2.815±0.002
2.401±0.001
Para los datos que aparecen en la tabla 4 y que corresponden a la primera fermentación, se puede decir
que el rendimiento y la productividad de ambos casos fueron muy similares, por lo tanto, el proceso
fermentativo con inmovilización de levadura en Alginato de calcio no afecta de manera considerable en la
fermentación alcohólica. Sin embargo, fue la fermentación con levaduras inmovilizadas la que arrojo un
rendimiento experimental mayor que el tradicional (levadura libre), producto de que se liberó una mayor
cantidad de etanol durante los 17 días que duró la fermentación.
De acuerdo con los resultados mostrados en la tabla 5 que corresponden a la segunda fermentación, se
puede decir que el uso de levaduras inmovilizadas no afecto de manera considerable el proceso de
fermentación alcohólica obteniendo rendimientos muy similares al teórico. Además, se hace de importancia
mencionar que el proceso que obtuvo un mayor rendimiento y productividad fue la levadura reutilizada
44
debido principalmente porque fue esta la que consumió más azúcar y produjo una mayor cantidad de
etanol.
Por otra parte, la levadura inmovilizada también tuvo un rendimiento aceptable y muy similar al proceso
con levadura libre, sin embargo, sus valores fueron más bajos producto de la resistencia que genera la
capa de alginato de calcio para el paso de los nutrientes.
Con respecto a los datos que corresponden a la tercera fermentación y que aparecen en la tabla 6, se
puede apreciar claramente que el rendimiento de la levadura reutilizada por segunda vez es mucho mayor
que el de la levadura reutilizada, principalmente porque la cantidad de etanol producido a partir de la
cantidad de azúcar es mucho mayor.
Con respecto a la productividad, la levadura reutilizada por segunda vez fue mayor que el de la levadura
reutilizada por primera vez y además fue más grande que todos los valores obtenidos en la primera y
segunda fermentación, por lo tanto, se concluye que es posible reutilizar la levadura por segunda vez ya
que esta entrega valores muy eficientes para la producción de etanol a partir del azúcar consumido durante
el proceso de fermentación.
A partir del análisis de los datos mostrados en las tablas anteriores se puede concluir que el rendimiento
y la productividad entregado por las levaduras inmovilizadas fue muy similar al proceso tradicional.
Además, cada vez que se reutilizaron estas levaduras se consumió más azúcar liberando más etanol y
aumentando el rendimiento experimental, por lo tanto, la fermentación se desarrolló en un menor tiempo
que el resto.
4.11
Diseño de experimentos
Para el diseño de experimentos se obtuvo el siguiente gráfico.
Figura 29. Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para diseño de experimentos.
45
Figura 30. Gráfica de efectos principales para rendimiento.
De la figura 29, se puede apreciar que las variables que más afectan en el rendimiento de la fermentación
alcohólica es la densidad del mosto, seguida por la combinación de las variables de concentración de
azúcar y alcohol. La densidad del mosto es la que más afecta en el rendimiento de la fermentación
alcohólica, ya que esta variable se relaciona de manera directa con la concentración de azúcar y
concentración de alcohol. Por lo tanto, a mayor densidad, mayor será la concentración de azúcar y menor
la concentración de alcohol.
En la figura 30, se aprecia que la densidad es la variable más influyente ya que la recta presenta un mayor
crecimiento desde -1 (menor influencia) a 1 (mayor influencia).
5. Consideraciones económicas
Para comenzar con las consideraciones económicas de nuestro proyecto, se presenta a continuación un
diagrama de flujo general en donde es posible encontrar todos los equipos y la materia prima utilizada
tanto para el proceso tradicional como el inmovilizado, para una producción final de 450 (L/mes). Todos
los cálculos utilizados para determinar las cantidades de materia prima para cada proceso se encuentran
en el “anexo 10. Cálculos para determinación de cantidad de materia prima utilizada en el proceso de
fermentación alcohólica”.
46
Agua
purificada
230 (L)
Agua
purificada
3 (L)
Estanque de agua purificada (500 (L) de agua)
Malta
70 (Kg)
Levadura
230 (g)
Alginato de
sodio
100 (g)
Cocinador
Malta cocida
Entrada
Agua de
proceso
Mezclador
Bomba
peristáltica
Salida
agua de
proceso
Intercambiador
de placas (45
placas)
Levadura
inmovilizada
110 (g)
Levadura
inmovilizada
110 (g)
Cloruro de
calcio (2%)
3 (L)
Levadura
inmovilizada
220 (g)
Fermentador 2
Fermentador 1
Separador solido-líquido
Lúpulo
400 (g)
Lúpulo
400 (g)
Madurador 1
Filtro 1
Madurador 2
Estanque de
CO2
Filtro 2
Envasado
450 (L/mes) de
cerveza
Figura 31. Diagrama general de una planta de cerveza utilizando levadura inmovilizada.
47
Agua
purificada
230 (L)
Estanque de agua purificada (500 (L) de agua)
Malta
70 (Kg)
Cocinador
Malta
cocida
Intercambiador
de placas
Entrada
Agua de
proceso
Salida
agua de
proceso
Levadura
110 (g)
Levadura
110 (g)
Fermentador 1
Fermentador 2
Lúpulo
400 (g)
Lúpulo
400 (g)
Madurador 2
Madurador 1
Estanque de
CO2
Filtro 2
Filtro 1
Envasado
450 (L/mes) de
cerveza
Figura 32. Diagrama general de una planta de cerveza utilizando levadura libre.
De acuerdo con los diagramas de flujos mostrados en las figuras anteriores, se puede conocer los equipos
que participaran en el proceso y por ende se hace posible realizar una estimación de sus costos.
48
5.1 Estimación de costos para equipos y materia prima
Para la estimación de los costos, fue necesario diseñar los siguientes equipos: intercambiador de placas
cuyo desarrollo se encuentra en el “anexo 11. Diseño de intercambiador de calor de placas, fermentador
cuyo desarrollo se encuentra en el “anexo 12. Diseño de fermentador”, madurador cuyo desarrollo se
encuentra en el “anexo 13. Diseño de madurador” y un mezclador junto con su agitador cuyo desarrollo se
encuentra en el “anexo 14. Diseño del mezclador.
Se presenta a continuación una tabla resumen con los costos de todos los equipos que participan en el
proceso de elaboración de cerveza artesanal.
Tabla 7. Costo de los equipos participantes del proceso de fermentación.
Equipo
Fermentador
Material y/o
modelo
Acero Inox 316
Madurador
Acero Inox 316
Intercambiador de calor
T5-MFG
(ALFA
LAVAL),
Acero
Inoxidable 316
Tanque con agua destilada
Acero inoxidable
Molino
Acero inoxidable
Cocinador
Bomba de cerveza para
enfriador
Acero inox 304
Bomba Chugger
1/8, Acero inox
316
Bomba para circulación de
cerveza
Bomba Chugger,
cabezal de acero
inoxidable
Bomba peristáltica
Dulco flex DF4a,
Acero inox 316
Acero inoxidable
Agitador
Características
Proveedor
Costo (US$)
Volumen total de 300 (L),
cabezal inferior cónico y
superior elíptico.
Diámetro de 72 (cm) y
altura total de 2.2 (m).
Volumen total de 300 (L),
cabezal superior e inferior
elíptico, diámetro de 0.58
(m) y altura total de 1.16
(m).
Flujo máximo de 50.4
(m3/h), número de placas
de 45 y presión máxima
de operación de 16 bar.
Volumen total de 550 (L),
cabezal inferior y superior
elíptico.
Molino
eléctrico,
consumo de 400 (KW).
Diámetro de 70 (cm).
Flujo máximo de 64
(L/min),
125
rpm,
conexión eléctrica de 115
V, presión máxima de
operación 12 bar.
Flujo máximo de 26.5
(L/min), consumo de 115
V y motor de potencia de
1/20 HP.
Flujo máximo de 12 (L/h)
y presión de 2 a 4 bar.
Paleta
con
entrada
superior, potencia de 0.4
HP.
Inoximexico
[58]
3653.36
Inoximexico
[58]
2809.08
ALFA
[59]
LAVAL
4169.93
www.matche.c
om [60]
2667.25
Insumosprost
[61]
Inoximex [58]
Inoximex [58]
15.98
Inoximex [58]
293.75
Prominent [62]
260.00
www.matche.c
om [60]
820.69
49
839.29
589.93
Tanque para agitar
Acero inox 316
Tanque para levadura y
cloruro (separador solidolíquido)
Falso fondo
Quemador alta presión
Acero inox 316
Tapador de botella
eléctrico
Filtro para cerveza
LX6000A, Acero
inox 104
Acero Inox 316
Acero inox 316
Quemador a gas
Volumen total de 3 (L),
cabezal inferior cónico y
superior elíptico, diámetro
de 0.13 (cm).
Volumen total de 3(L),
cabezal inferior cónico y
superior elíptico.
Diámetro de 70 (cm).
Energía aportada de
40000 (Kcal/h).
220
V,
15-10
botellas/min.
Diámetro de 0.12 (m),
separador de partículas
de hasta 300 micrones.
www.matche.c
om [60]
205.17
www.matche.c
om [60]
205.17
Inoximex [58]
Insumosprost
[61]
Shelin [63]
223.06
261.77
Chile spice ecummerce
129.63
1905.44
Para los cálculos del costo total de equipos a utilizar para el proceso con levadura inmovilizada se sumaron
los costos de los siguientes equipos: 2 fermentadores, 2 maduradores, intercambiador de calor de placas
(45 placas), tanque con agua destilada, molino, cocinador, bomba de cerveza para enfriador, 3 bombas
para circulación de cerveza, bomba peristáltica, agitador, tanque para agitar, tanque para levadura y
cloruro, 2 falsos fondos, quemador alta presión, tapador de botella eléctrico y 2 filtros para cerveza. Las
sumas de todos estos equipos arrojaron un resultado final de US$ 26452.138 (costo FOB), sin embargo,
es necesario considerar la instalación de los equipos y el embarque de estos, por lo tanto, a este valor se
le dividió un factor de 0.8 para determinar el costo CIF. El resultado final fue de US$ 33065.172 (2.149*107
CLP).
Con respecto al costo de los equipos para el proceso tradicional de elaboración de cerveza artesanal, se
sumaron los costos de los siguientes equipos: 2 fermentadores, 2 maduradores, intercambiador de calor
de placas (45 placas), tanque con agua destilada, molino, cocinador, bomba de cerveza para enfriador, 3
bombas para circulación de cerveza, 2 falsos fondos, quemador alta presión, tapador de botella eléctrico
y 2 filtros para cerveza. Las sumas de todos los equipos mencionados anteriormente arrojaron un valor de
US$ 24961.101 (costo FOB). Al igual que el caso anterior, se hace necesario llevar este valor a costo CIF.
Dividiendo el costo total de los equipos por un factor de 0.8 obtenemos un valor final de US$ 31201.377
(1.951*107 CLP).
Como ya se calcularon los costos de los equipos generales, ahora se procede a realizar los cálculos del
costo de la materia prima. Para la estimación del costo de la materia prima utilizada en el proceso de
fermentación, se decidió por elaborar dos estilos de cervezas, una de estilo Pale Ale caramelizada y la otra
de estilo Stout. Debido a que se elaboraran dos estilos de cerveza, se hizo necesario cotizar distintos tipos
de maltas. En el “anexo 15. Costo de materia prima en insumos lagunilla” se encuentran los precios de la
materia prima cotizada. A continuación, es posible encontrar una tabla de resumen con las cantidades de
materia prima a utilizar, el proveedor y el costo de estas.
50
Tabla 8. Costo de materia prima para elaboración de cerveza artesanal.
Materia prima
Agua purificada
Malta Pale-Ale
Malta Cara-Munich
Malta Cara-Aroma
Malta perla negra
Cebada tostada
Avena
Lúpulo
(Cascade,
Colombus y Fuggles)
Levadura (Nottingham)
Alginato de sodio
Cloruro de calcio
Gas CO2
Botellas (330 cc)
Tapas para botellas
Equipos de limpieza
Proveedor
Manantial [64]
Insumos lagunilla
Insumos lagunilla
Insumos lagunilla
Insumos lagunilla
Insumos lagunilla
Insumos lagunilla
Insumos lagunilla
Cantidad
500 (L)
112 (Kg)
10 (Kg)
10 (Kg)
10 (Kg)
10 (Kg)
8 (Kg)
800 (g)
Costo (US$)
226.971
213.033
33.476
33.476
20.779
31.244
14.322
47.951
Insumos lagunilla
CherryChile [65]
CherryChile [65]
Almacen Cervezero [66]
Insumos lagunilla
Insumos lagunilla
Insumos lagunilla
500 (g)
200 (g)
500 (g)
4 (L)
1370 botellas
1400 tapas
100 (L)
57.701
25.574
7.959
159.838
196.361
44.758
63.935
A partir de los costos de la materia prima utilizada en el proceso para fabricación de cerveza, se hace
posible calcular el costo total de materia prima tanto para el proceso con levadura inmovilizada como para
el proceso con levadura tradicional.
Para el proceso con levadura inmovilizada se utilizarán las siguientes materias primas: Agua purificada,
maltas, lúpulos, avena, levadura, alginato de sodio, cloruro de calcio, gas CO2, botellas (330 cc), tapas
para botellas y equipos de limpieza. Se sumaron los costos de todos los equipos mencionados
anteriormente arrojando un valor final de US$ 1164.594 (7.286*105CLP).
Con respecto al proceso tradicional (levadura libre), se usaron todos los elementos mencionados
anteriormente salvo el alginato de sodio, cloruro de calcio. La suma de todos estos elementos arrojó un
costo de US$ 1149.961 (7.191*105 CLP).
5.2 Consumo mensual de la materia prima
El principal propósito que tiene el uso de la levadura inmovilizada es el de su reutilización, por lo tanto, se
hace necesario realizar un análisis mensual para ver el consumo de este elemento y un posible ahorro
económico. En la figura que se presenta a continuación se puede ver el consumo mensual de la materia
prima durante el proceso de fermentación alcohólica.
51
Enero
Agua purificada
Cerveza pale ale Malta Pale Ale
Malta cara-Munich
Malta cara-Aroma
Avena
Cerveza stout Malta Pale Ale
Perla negra
Cebada tostada
Avena
Levadura
Nottingham
Alginato de sodio
Cloruro de calcio
Gas CO2
Botella de 330 cc
Tapas para botella
Equipo de limpieza
Lupulo
Cascade
Colombus
Fuggles
Total (año) (USS)
Consumo mensual
Febrero Marzo Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Total US$ (año)
226.971213 226.97121 226.97121 226.97121 226.97121 226.97121 226.97121 226.97121 226.97121 226.97121 226.97121 226.97121
2723.654556
106.5166312 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663
1278.199575
33.47665553 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656
401.7198664
33.47665553 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656 33.476656
401.7198664
7.160781932 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819
85.92938318
106.5166312 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663 106.51663
1278.199575
20.77905471 20.779055 20.779055 20.779055 20.779055 20.779055 20.779055 20.779055 20.779055 20.779055 20.779055 20.779055
249.3486566
31.24370634 31.243706 31.243706 31.243706 31.243706 31.243706 31.243706 31.243706 31.243706 31.243706 31.243706 31.243706
374.9244761
7.160781932 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819 7.1607819
85.92938318
57.70183655
0
0 57.701837
0
0 57.701837
0
0 57.701837
0
0
230.8073462
25.57422119
0
0 25.574221
0
0 25.574221
0
0 25.574221
0
0
102.2968847
7.959976344
0
0 7.9599763
0
0 7.9599763
0
0 7.9599763
0
0
31.83990538
159.8388824
0
60
0
60
0
60
0
60
0
60
0
459.8388824
196.362067 196.36207 196.36207 196.36207 196.36207 196.36207 196.36207 196.36207 196.36207 196.36207 196.36207 196.36207
2356.344804
44.75488707 44.754887 44.754887 44.754887 44.754887 44.754887 44.754887 44.754887 44.754887 44.754887 44.754887 44.754887
537.0586449
63.93555296 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553
767.2266356
31.96777648 31.967776 31.967776 31.967776 31.967776 31.967776 31.967776 31.967776 31.967776 31.967776 31.967776 31.967776
383.6133178
9.910010709 9.9100107 9.9100107 9.9100107 9.9100107 9.9100107 9.9100107 9.9100107 9.9100107 9.9100107 9.9100107 9.9100107
118.9201285
6.073877531 6.0738775 6.0738775 6.0738775 6.0738775 6.0738775 6.0738775 6.0738775 6.0738775 6.0738775 6.0738775 6.0738775
72.88653038
11940.45842
Figura 33. Consumo mensual de materia prima para proceso con levadura inmovilizada en US$.
46
Cerveza pale ale
Cerveza stout
Levadura
Lupulo
Total (año) (USS)
Agua purificada
Malta Pale Ale
Malta cara-Munich
Malta cara-Aroma
Avena
Malta Pale Ale
Perla negra
Cebada tostada
Avena
Nottingham
Gas CO2
Botella de 330 cc
Tapas para botella
Equipo de limpieza
Cascade
Colombus
Fuggles
Consumo mensual
Enero
Febrero Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Total US$ (año)
226.971213 226.971213 226.971213 226.971213 226.971213 226.971213 226.971213 226.971213 226.971213 226.971213 226.971213 226.971213 2723.654556
106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 1278.199575
33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 401.7198664
33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 33.4766555 401.7198664
7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 85.92938318
106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 106.516631 1278.199575
20.7790547 20.7790547 20.7790547 20.7790547 20.7790547 20.7790547 20.7790547 20.7790547 20.7790547 20.7790547 20.7790547 20.7790547 249.3486566
31.2437063 31.2437063 31.2437063 31.2437063 31.2437063 31.2437063 31.2437063 31.2437063 31.2437063 31.2437063 31.2437063 31.2437063 374.9244761
7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 7.16078193 85.92938318
57.7018365 57.7018365 57.7018365 57.7018365 57.7018365 57.7018365 57.7018365 57.7018365 57.7018365 57.7018365 57.7018365 57.7018365 692.4220386
159.838882
0
60
0
60
0
60
0
60
0
60
0 459.8388824
196.362067 196.362067 196.362067 196.362067 196.362067 196.362067 196.362067 196.362067 196.362067 196.362067 196.362067 196.362067 2356.344804
44.7548871 44.7548871 44.7548871 44.7548871 44.7548871 44.7548871 44.7548871 44.7548871 44.7548871 44.7548871 44.7548871 44.7548871 537.0586449
63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 63.935553 767.2266356
31.9677765 31.9677765 31.9677765 31.9677765 31.9677765 31.9677765 31.9677765 31.9677765 31.9677765 31.9677765 31.9677765 31.9677765 383.6133178
9.91001071 9.91001071 9.91001071 9.91001071 9.91001071 9.91001071 9.91001071 9.91001071 9.91001071 9.91001071 9.91001071 9.91001071 118.9201285
6.07387753 6.07387753 6.07387753 6.07387753 6.07387753 6.07387753 6.07387753 6.07387753 6.07387753 6.07387753 6.07387753 6.07387753 72.88653038
12267.93632
Figura 34. Consumo mensual de materia prima para proceso con levadura libre en US$.
47
Para el consumo mensual de materia prima se realizaron los siguientes supuestos. El proceso de
fermentación en el fermentador durará 15 días para ambos procesos. Para la producción de 450 (L/mes)
se utilizarán 230 (g) de levadura, por lo tanto, el proceso tradicional necesitara comprar todos los meses
levadura nueva. Sin embargo, el proceso con levadura inmovilizada no necesitará comprar todos los meses
levadura, ya que esta será reutilizada dos veces debido a los buenos resultados que se obtuvieron en el
laboratorio, permitiendo de esta manera comprar levadura, alginato y cloruro de calcio cada dos meses
para realizar la inmovilización y la posterior fermentación.
5.3 Estimación del costo total de producción y del capital total de inversión
Se utilizo el método del porcentaje para poder determinar el costo total de inversión. Los resultados
obtenidos se encuentran en la tabla 9.
Tabla 9. Estimación capital total de inversión por método del porcentaje.
Proceso levadura inmovilizada
Capital fijo directo
US$
US$
100%
33065.172
31201.377
Instalación de equipos
47%
15540.631
14664.647
Instrumentación y control
36%
11903.462
11232.495
Cañerías
68%
22484.317
21216.936
Sistema eléctrico
11%
3637.168
3432.151
Construcción
18%
5951.731
5616.247
Preparación de terrenos
10%
3306.517
3120.137
Servicios
70%
23145.620
21840.964
360%
119034.621
112324.957
Ingeniería y supervisión
33%
10911.506
10296.454
Gastos de construcción
41%
13556.720
12792.564
Costo CIF equipos (US$)
Capital total fijo directo
Lang
Proceso levadura libre
Capital fijo indirecto
Gastos legales
4%
1322.606
1248.055
Honorarios y contratistas
22%
7274.337
6864.302
Contingencia
44%
14548.675
13728.605
Capital total fijo indirecto
144%
47613.846
44929.983
Capital fijo de inversión
504%
166648.469
157254.941
89%
29428.003
27769.225
593%
196076.473
185024.166
Capital de trabajo
Capital total de inversión
A continuación, es posible observar los resultados obtenidos para la estimación del costo total del producto
utilizando el método de Lang y Chilton.
48
Tabla 10. Estimación del costo total del producto utilizando método de Lang y Chilton.
Proceso levadura inmovilizada
Proceso levadura libre
US$
US$
11889.309
12267.936
5944.654
6133.968
891.698
920.095
Utilidades
8916.982
9200.952
Mantenimiento y reparaciones
3332.969
3145.098
Operaciones de suministro
499.945
471.764
Laboratorio
594.465
613.396
0
0
32070.025
32753.212
Depreciación
2975.865
2808.123
Impuesto local
2499.727
2358.824
Seguro
833.242
786.274
Renta
9590.332
9590.332
Financiamiento
9803.823
9251.208
Costo fijo de la planta
3566.792
3680.381
Costo total de manufactura
61339.811
61228.357
Gastos generales
11940.458
12267.936
Costo total del producto
62231.508
62148.452
Materia Prima
Labores de operación
Supervisión
Patentes
Costo directo de producción
Cargo fijo
Para los cálculos con este método se depreciación lineal y un valor residual del 10% del costo CIF de los
equipos.
Tabla 11. Cálculo para depreciación lineal.
Inmovilizada
Libre
US$
US$
Equipos
33065.17254
31201.3772
Valor residual
3306.517254
3120.13772
años
10
10
Depreciación
2975.865529
2808.12395
49
5.4 Selección de alternativa entre fermentación con levadura libre y levadura
inmovilizada
Tal como se explicó en la metodología, se utilizaron dos métodos para poder determinar cuál fue la mejor
alternativa para la elaboración de cerveza artesanal en un tiempo de 10 años. Los resultados obtenidos se
encuentran en la siguiente tabla.
Tabla 12. Selección de alternativa.
Costo inicial
Ingresos
Valor de Salvamento
Costo operación
Años
VP
CAUE
Rentabilidad al año 10
Método levadura inmovilizada
Método levadura libre
196076.473
185024.167
52324.856
52324.856
3306.517
3120.137
80083.846
80345.891
10
10
334261.344
324567.007
66168.8
64364.8
No es rentable
No es rentable
Para los cálculos desarrollados en la tabla anterior, se utilizó una tasa de interés del 15.06% que fue
obtenida de la “super intendencia de bancos e instituciones financieras” [67]. El desarrollo de los cálculos
para poder determinar el Valor presente (VP) y CAUE se encuentran en el “anexo 16. Cálculo por método
del valor presente y CAUE para selección de alternativa, y determinación de rentabilidad”.
De acuerdo con los resultados obtenidos tanto por el método de valor presente (VP) como por el método
de CAUE, se concluye que el proceso tradicional para fabricación de cerveza artesanal sigue siendo más
rentable que el proceso con levadura inmovilizada. Sin embargo, ninguno de los dos procesos resulto ser
rentable para una producción mensual de 450 L/mes evaluada en un tiempo de 10 años, ya que no
existieron ingresos en ese periodo de tiempo.
6 Conclusión
Esta investigación consistió principalmente en evaluar técnica y económicamente el uso de la levadura
inmovilizada en alginato de calcio durante el proceso de fermentación alcohólica para la obtención de
cerveza artesanal.
La evaluación técnica para el uso de levadura inmovilizada en el proceso de fermentación alcohólica se
realizó en el laboratorio y de acuerdo con los datos obtenidos experimentalmente se logró concluir lo
siguiente.
50
En primer lugar, se comprobó por medio de un microscopio que el alginato logro inmovilizar de buena
manera la levadura, por lo tanto, la levadura realiza la fermentación desde el interior del gel de alginato
cumpliendo con su inmovilización.
Para los análisis de las diferentes variables medidas en el laboratorio, se puede decir que el uso de
levaduras inmovilizadas entrego valores muy cercanos y similares al del proceso tradicional (levadura
libre). Para la primera fermentación, el rendimiento de la levadura inmovilizada luego de 17 días fue de
0.507 (g etanol/ g azúcar), superando al proceso tradicional cuyo rendimiento fue de 0.482 (g etanol/ g de
azúcar). Esto se debe únicamente a que la cantidad de etanol liberada por parte de la levadura inmovilizada
fue mayor. Por otro lado, el consumo de azúcar por parte de la levadura inmovilizada fue más lento que el
del proceso tradicional, ya que el alginato de calcio presento resistencia para el intercambio de nutrientes
entre la célula y su ambiente. Con respecto a la variación del pH en el tiempo para la primera fermentación,
no existieron grandes variaciones arrojando resultados similares en los datos experimentales.
Con respecto a la segunda fermentación se realizaron tres formas diferentes de fermentación. Una utilizo
levaduras libres, otra inmovilizadas y finalmente se reutilizo la levadura inmovilizada de la primera
fermentación. Fue la reutilización de la levadura inmovilizada la que destaca entre el resto, ya que fue esta
la que presenta una mayor liberación de etanol, llegando a un rendimiento final del 0.548 (g etanol/g
azúcar). El consumo de azúcar por parte de la levadura reutilizada se caracterizó por que presento el
mismo comportamiento que el del proceso tradicional, llegando a la conclusión de que el alginato de calcio
no genero una gran resistencia para el paso de los nutrientes hacia la célula. Para la variación de pH en
el tiempo el comportamiento fue similar para los tres casos analizados.
Para la tercera fermentación se utilizaron dos levaduras inmovilizadas, sin embargo, una fue reutilizada a
partir de la segunda fermentación y la otra se reutilizo por segunda vez, también proveniente de la segunda
fermentación. De los resultados obtenidos se concluyó que las reutilizaciones de las levaduras entregaron
valores de rendimientos bastante elevados, llegando a un valor del 0.616 (g etanol/g azúcar) para la
levadura reutilizada por segunda vez y un valor de 0.526 (g etanol/g azúcar) para la levadura reutilizada
por primera vez, permitiendo obtener una gran eficiencia en el proceso de fermentación. Sin embargo, fue
la levadura inmovilizada por segunda vez la que presento una gran baja en el valor del pH, generando de
esta manera un mosto más ácido que el resto, esto fue producto del desgaste del alginato de calcio que
mantiene inmovilizada a la levadura en su interior.
Con respecto al análisis cinético de los procesos fermentativos, se concluye que la curva logarítmica de
producción de etanol entrego una correlación mayor a 0.9 para los casos analizados y por ende se ajustó
de buena manera al modelo de Gompertz.
A partir de las tres fermentaciones se puede concluir que el alginato de calcio presento resistencia para el
intercambio de nutrientes entre la levadura y el ambiente (mosto), provocando que el consumo de azúcar
y la liberación de etanol fuera un poco más lenta que el proceso tradicional. Sin embargo, al reutilizar las
levaduras inmovilizadas, esta resistencia entregada por parte del alginato fue disminuyendo de manera
considerable llegando finalmente a presentar un comportamiento en el consumo y producción de azúcar y
etanol muy similar al proceso tradicional.
A partir de la parte experimental se puede concluir que es factible elaborar cerveza artesanal utilizando
levaduras inmovilizadas y reutilizándolas posteriormente. De acuerdo con lo analizado, el uso de levadura
inmovilizada y reutilizada presento un comportamiento muy similar al proceso tradicional.
51
De la parte experimental quedo como deuda realizar un análisis sensorial del uso de levaduras
inmovilizadas en la fermentación alcohólica para la elaboración de cervezas artesanales y analizar el
comportamiento de la biomasa inmovilizada durante la fermentación alcohólica. Este último análisis no se
pudo realizar ya que no contábamos con los implementos necesarios, por lo tanto, este tema puede ser
tomado para futuras tesis.
Para el análisis económico del uso de levadura inmovilizada en el proceso de fermentación alcohólica, se
tuvieron que diseñar un par de equipos para poder determinar su capacidad y de esta manera estimar los
costos. Luego de haber realizado todas las cotizaciones y estimaciones económicas correspondientes
tanto para el proceso tradicional como el estudiado, se llegó a la conclusión de que el uso de la levadura
inmovilizada en el proceso de fermentación alcohólica no es rentable en relación con el proceso tradicional.
No fue rentable debido a dos factores. Uno producto de que se necesitan un par de equipos extras para
poder inmovilizar la levadura lo que genera un mayor gasto que el proceso tradicional y lo segundo es
producto de que la levadura en el mercado no se vende a precios tan elevados.
Se concluye finalmente que el uso de levadura inmovilizada en el proceso de fermentación alcohólica
presenta un comportamiento similar al proceso tradicional, sin embargo, al no ser rentable, es difícil de que
este proceso sea utilizado en industrias que elaboren productos alcohólicos como cervezas y vinos, pero
no queda descartado su uso en empresas en donde se utilice una biomasa costosa y su reutilización
permita grandes ahorros económicos.
52
Referencias
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58
59
Anexos
Anexo 1. Características de la levadura
ORIGEN Y TIPO DE LEVADURA
•
Procedente del Reino Unido
CARACTERÍSTICAS DE LA LEVADURA
•
Sabores y aroma neutrales
TIPOS DE CERVEZA
•
Mild Ale, Golden Ale, Blond Ale, Kölsch, Bitter, Pale Ale,Amber Ale, Red Ale, ESB, IPA, Altbier,
Strong Ale, Barley Wine, American Brown Ale , Dry Stout, Imperial Stout, Vienna, Schwartzbier,
Bock.
FERMENTACIÓN PRIMARIA:
•
Nottingham es adecuada para la fermentación primaria de cervezas de hasta un 9% de volumen
de alcohol. La levadura requeriría nutrición extra por encima de ese nivel de alcohol, como una
adición de 1 g/hl de Servomyces.
TEMPERATURA DE UTILIZACIÓN
•
Fermentará satisfactoriamente a una temperatura de entre 10°C (50°F) y 23°C (73°F). A
menortemperatura es posible elaborar cervezas tipo Lager en mostos de malta al 100% en unos
8 o 9 días. Latemperatura recomendada para cervezas Ale es de 20°C (68°F), y la fermentación
debería completarse en 3 días en un mosto 100% malta y 4 días en mosto de alta gravedad
PROPIEDADES DE SEDIMENTACIÓN
•
Es altamente floculenta y descenderá rápidamente al fondo del tanque tras la consumación de la
fermentación. La alta floculación también puede precipitar los compuestos del lúpulo y reducir el
amargor de la cerveza. Este factor debe tenerse en cuenta a la hora de dosificar los lúpulos. Las
cervezas elaboradas con Nottingham no requieren filtración y pueden utilizarse fácilmente en pubs
con cervecerías artesanales.
1
ACONDICIONAMIENTO EN BOTELLA
•
Resulta apropiada para el acondicionamiento en botella de cervezas con un contenido del 6%de
volumen de alcohol. Por encima de dichos niveles, se recomienda utilizar la Windsor.
DOSIS DE SIEMBRA DE LEVADURA PARA EL ACONDICIONAMIENTO EN BOTELLA
•
20 g de Nottingham por hl de cerveza pueden utilizarse para conseguir hasta 1 millón de células
vivas por ml. Puede resultar necesario ajustar la dosis de siembra de levadura dependiendo de la
fuerza de la cerveza y las características deseadas de la cerveza refermentada.
Figura 1. Levadura Nottingham.
2
Anexo 2. Curva de calibración para el etanol
concentración etanol vs densidad específica
0,9
y = -19,7x2 + 31,351x - 11,664
R² = 0,9963
0,8
conentración (g/ml)
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,8 0,81 0,82 0,83 0,84 0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,9 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1 1,01
Densidad específica (g/ml)
concentración etanol vs SG
Polinómica (concentración etanol vs SG)
Figura 1. Curva de calibración para etanol.
3
Anexo 3. Preparación del mosto
Para la preparación del mosto se realizó el siguiente procedimiento.
Procedimiento:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Se hierve el agua en un hervidor, con el fin de eliminar todos los componentes que pueden alterar
el sabor de la cerveza.
Se procede a la limpieza de todos los equipos a utilizar (ollas, cucharon, macerador).
Se llenó la olla de acero inoxidable con 10 litros de agua hervida y se dejó enfriar hasta una
temperatura de 70°C.
Una vez que el agua alcanzó los 70°C, se le agrego 1.5 kg la malta Pale Ale junto con 1 kg de
malta Caramunich II.
Se agito la mezcla con un cucharon previamente lavado y esterilizado para evitar cualquier
contaminación de la cerveza. Por otra parte, se comenzó a controlar la temperatura evitando que
esta supere los 70°C.
Se dejó cocinar la mezcla durante una hora aproximadamente y con intervalos de temperatura que
variaban entre los 60 - 70°C.
30 minutos antes de terminar con el proceso de cocimiento de la malta, se procede a agregar el
lúpulo con el fin de darle el amargor característico de la cerveza.
Una vez pasados los 30 minutos desde que se les agrego el Lúpulo, se termina con el proceso de
cocimiento de la cebada y se procede a enfriar.
Para enfriar se utilizó agua de la llave que se hizo chocar con las paredes de la olla.
Se realiza el proceso de enfriamiento hasta que el mosto llegue a una temperatura de 20-25°C
(temperatura ambiente), de esta manera se hace posible agregar la levadura (libre e inmovilizada).
Finalmente, se procedió a transvasar el mosto en las botellas de vidrios para agregar las levaduras
en una concentración de 0.3 g/l y comenzar de esta manera la fermentación.
4
Anexo 4. Procedimiento para inmovilización de levadura
La inmovilización de la levadura se realizó por atrapamiento en un gel de alginato de sodio cuya
concentración es de 0.033 (g/ml). La concentración de levadura utilizada corresponde a 0.5 (g/l).
Procedimiento:
•
•
•
•
•
•
•
•
Disolver 1 g de alginato de sodio en 30 ml de agua destilada.
Calentar y disolver la mezcla con ayuda de una cuchara hasta que quede completamente
homogénea la solución, eliminando de esta manera todos los grumos.
Disolver 2.5 g de levadura en 30 ml de agua destilada, agitar bien hasta que se eliminen todos los
grumos y calentar la solución a una temperatura de 30°C para activar la levadura.
Mezclar ambas soluciones y agitar con ayuda de una cuchara.
Preparar una solución de 2% en volumen de cloruro de calcio.
La mezcla de levadura con alginato de sodio, introducirla en una jeringa y hacer gotear esta
solución en la mezcla de cloruro de calcio.
Se utilizarán dos tipos de jeringas diferentes con el propósito de que el diámetro de las esferas
obtenidas no sea el mismo.
Mantener las esferas con levadura refrigerada durante un tiempo de 24 horas en cloruro de calcio
para luego ser utilizadas.
5
Anexo 5. Análisis estadístico
SG
Scepcific Gravity
1,04
1,02
1,00
0,98
0
1
2
3
7
8
9
10
13
14
15
16
17
Factor (Day)
Figura 1. Gráfico del error de la densidad específica para levadura libre mediante OriginLab.
pH
5,5
pH
5,0
4,5
4,0
0
1
2
3
7
8
9
10
13
14
15
16
17
Factor (Day)
Figura 2. Gráfico del error pH para levadura libre mediante OriginLab.
6
°Bx
°Brix
8
6
4
2
0
1
2
3
7
8
9
10
13
14
15
16
17
Factor (Day)
Figura 3. Gráfico del error de los grados Brix para levadura libre mediante OriginLab.
SG
Specific Gravity Distilled
1,03
1,02
1,01
1,00
0,99
0,98
0
1
2
3
7
8
9
10
13
14
15
16
17
Factor (Day)
Figura 4. Gráfico del error de la densidad específica destilado para levadura libre mediante OriginLab.
7
SG
1,03
Specific Gravity
1,02
1,01
1,00
0,99
0,98
0
1
2
3
7
8
9
10
13
14
15
16
17
Factor (Day)
Figura 5. Gráfico del error de la densidad específica para levadura inmovilizada mediante OriginLab.
pH
5,5
pH
5,0
4,5
4,0
0
1
2
3
7
8
9
10
13
14
15
16
17
Factor (Day)
Figura 6. Gráfico del error del pH para levadura inmovilizada mediante OriginLab.
8
°Bx
°Brix
8
6
4
2
0
1
2
3
7
8
9
10
13
14
15
16
17
Factor (Day)
Figura 7. Gráfico del error de los grados Brix para levadura inmovilizada mediante OriginLab.
SG
Specific Gravity Distilled
1,03
1,02
1,01
1,00
0,99
0,98
0
1
2
3
7
8
9
10
13
14
15
16
17
Factor (Day)
Figura 8. Gráfico del error de la densidad específica destilado para levadura inmovilizada mediante
OriginLab.
9
SG
Specific Gravity
1,03
1,02
1,01
1,00
0,99
0
1
2
3
7
8
9
10
13
14
15
16
17
Factor (Day)
Figura 9. Gráfico del error de la densidad específica para levadura libre segunda fermentación mediante
OriginLab.
pH
5,5
pH
5,0
4,5
4,0
0
1
2
3
7
8
9
10
13
14
15
16
17
Factor (Day)
Figura 10. Gráfico del error del pH para levadura libre segunda fermentación mediante OriginLab.
10
°Bx
10
°Brix
8
6
4
0
1
2
3
7
8
9
10
13
14
15
16
17
Factor (Day)
Figura 11. Gráfico del error de los grados Brix para levadura libre segunda fermentación mediante
OriginLab.
SG
1,04
Specific Gravity Distilled
1,03
1,02
1,01
1,00
0,99
0,98
0
1
2
3
7
8
9
10
13
14
15
16
17
Factor (Day)
Figura 12. Gráfico del error de la densidad específica destilado para levadura libre segunda
fermentación mediante OriginLab.
11
SG
1,04
Specific Gravity
1,03
1,02
1,01
1,00
0,99
0
1
2
3
4
7
8
9
10 11 14 15 16 18
Factor (Day)
Figura 13. Gráfico del error de la densidad específica para levadura inmovilizada reutilizada segunda
fermentación mediante OriginLab.
pH
5,5
pH
5,0
4,5
4,0
0
1
2
3
4
7
8
9
10 11 14 15 16 18
Factor (Day)
Figura 14. Gráfico del error del pH para levadura inmovilizada reutilizada segunda fermentación
mediante OriginLab.
12
°Bx
10
°Brix
8
6
4
0
1
2
3
4
7
8
9
10 11 14 15 16 18
Factor (Day)
Figura 15. Gráfico del error de los grados Brix para levadura inmovilizada reutilizada segunda
fermentación mediante OriginLab.
SG
Specific Gravity Distilled
1,04
1,02
1,00
0,98
0
1
2
3
4
7
8
9
10 11 14 15 16 18
Factor (Day)
Figura 16. Gráfico del error de la densidad específica destilado levadura inmovilizada reutilizada
segunda fermentación mediante OriginLab.
13
SG
Specific Gravity
1,03
1,02
1,01
1,00
0,99
0
1
2
3
4
7
8
9
10 11 14 15 16 18
Factor (Day)
Figura 17. Gráfico del error de la densidad específica para levadura inmovilizada segunda fermentación
mediante OriginLab.
pH
pH
5,5
5,0
4,5
0
1
2
3
4
7
8
9
10 11 14 15 16 18
Factor (Day)
Figura 18. Gráfico del error del pH para levadura inmovilizada segunda fermentación mediante
OriginLab.
14
°Bx
10
°Brix
8
6
4
0
1
2
3
4
7
8
9
10 11 14 15 16 18
Factor (Day)
Figura 19. Gráfico del error de los grados Brix para levadura inmovilizada segunda fermentación
mediante OriginLab.
SG
Specific Gravity Distilled
1,04
1,02
1,00
0,98
0
1
2
3
4
7
8
9
10 11 14 15 16 18
Factor (Day)
Figura 20. Gráfico del error de la densidad específica destilado para levadura inmovilizada segunda
fermentación mediante OriginLab.
15
Matriz para el diseño de experimentos
Tabla 1. Matriz para diseño de experimentos.
Tiempo (días)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
15
16
17
Azúcar
Alcohol
-1
-1
1
-1
-1
1
1
-1
-1
-1
1
-1
1
1
1
1
Densidad
1
1
1
-1
1
-1
-1
-1
1
-1
1
-1
1
1
-1
-1
16
Rendimiento
-1
-1
-1
-1
1
-1
1
1
1
1
1
-1
-1
1
1
-1
0
0.41271654
0.4137033
0.435661198
0.65065736
0.710469744
0.804030622
0.772688375
0.794977674
0.874406578
0.93872135
0.877133331
0.89995
0.901511
0.877144
0.504344
Anexo 6. Método del porcentaje para estimar capital total de inversión
Planta de
Planta de
Planta de
procesamientos procesamientos procesamiento
de sólidos
de fluido sólido de fluidos
Costo directo
Costo CIF equipos
100
100
100
Instalación de equipos
Instrumentación y control
(instalados)
45
39
47
18
26
36
Cañerías (instalados)
Sistemas eléctricos
(instalados)
16
31
68
10
10
11
Construcciones
25
29
18
Preparación de terrenos
15
12
10
Servicios
40
55
70
269
302
360
Ingeniería y supervisiones
33
32
33
Gasto de construcción
39
34
41
4
4
4
Honorarios y contratista
17
19
22
Contingencia
35
37
44
128
126
144
Capital fijo de inversión
Capital de trabajo (15% del
capital total de inversión)
397
428
504
70
75
89
Capital total de inversión
467
503
593
Capital total fijo directo
Costo indirecto
Gastos legales
Capital total fijo indirecto
Tabla 1. Tabla para el método del porcentaje [52].
17
Anexo 7. Método de Lang y Chilton para estimación del costo de productos
Tabla 1. Método de Lang y Chilton para estimar costo de producto [52].
I) Costos de manufacturación
Costo directo de producción + cargo fijo + costos generales de la planta
A) Costo de producción directa
66% del costo producto total
1. Materia prima
2. Trabajo operativo (Labores de
operación)
3. Supervisión de trabajo directo y
administrativo
10-80% del costo total del producto
4. Utilidades
10-20% del costo total del producto
5. Mantención y reparación
6. Operación de suministro
2-10% del capital fijo de inversión
10-20% de los costos de mantención y reparación, o 0.5-1% del capital fijo de
inversión
7. Cargos de laboratorio
10-20% del trabajo operativo
8. Patentes y derechos
0-6% del costo producto total
B) Costo fijo
10-20% del costo total del producto
10-20% del costo total del producto
10-20% del trabajo operativo
1. Depreciación
2. Impuestos locales
1-4% del capital fijo de inversión
3. Seguros
0.4-1% del capital fijo de inversión
4. Renta
8-12% del valor de la tierra alquilada y construcción
5. Financiamiento
0-10% del capital total de inversión
C) Gastos generales de planta
50-70% de los costos del trabajo operativo, supervisión y mantención
II) Gastos generales
Costo administrativo + costo de distribución y venta + costo de desarrollo e
investigación (15-25% del costo producto total)
A) Costos administrativos
Cerca del 20% del costo de trabajo operativo, supervisión y mantención
B) Costo de distribución y marketing
2-20% del costo de producto total
C) Costo de investigación y desarrollo
5% del costo de producto total
III) Costo de producto total
Costo de manufacturación + gastos generales
18
Anexo 8. Evaluación de parámetros para levadura inmovilizada, libre y reutilizada.
Figura 1. Fermentadores de vidrio para levadura libre e inmovilizada.
Figura 2. Levadura inmovilizada para fermentación alcohólica.
19
Figura 3. Equipo de destilación.
Figura 4. Picnómetro con etanol en su interior.
20
Figura 5. Medición con refractómetro para grados Brix.
Figura 6. Compañero midiendo grados Brix con refractómetro.
21
Figura 7. Medición del diámetro de la levadura inmovilizada.
22
Anexo 9. Determinación del orden de reacción para el consumo de azúcar en el
proceso de fermentación alcohólica
Orden de reacción 1 para
levadura libre
Orden de reacción 1 para
levadura inmovilizada
0
ln(S)
-0,4
-0,6
0
20
40
60
80
-0,2 0
-0,8
-1,2
-1,2
-1,4
Figura 1. Gráfico para determinación del orden de
reacción utilizando levadura libre.
Tiempo (hora)
Figura 2. Gráfico para determinación del orden de
reacción utilizando levadura inmovilizada.
Orden de reacción 1 para levadura
reutilizada
0
0
20
40
60
80
y = -0,0097x - 0,6431
R² = 0,9475
ln(S)
-0,5
-1
-1,5
150
-0,8
-1
Tiempo (horas)
100
y = -0,0062x - 0,658
R² = 0,9952
-0,6
-1
-1,4
50
-0,4
y = -0,0092x - 0,6534
R² = 0,9362
ln(S)
-0,2 0
Tiempo(hora)
Figura 3. Gráfico para determinación del orden de
reacción utilizando levadura reutilizada.
23
Anexo 10. Cálculos para determinación de cantidad de materia prima utilizada en
el proceso de fermentación alcohólica
Todos los cálculos desarrollados para determinar la cantidad de materia prima utilizada en el proceso
corresponden a simples reglas de tres. A continuación, se presentan de manera detallada los cálculos
desarrollados.
Cálculos para determinar la cantidad de levadura utilizada
Como se utilizará levadura “Nottingham”, se decidió seguir las indicaciones del fabricante que establecen
lo siguiente: 11 (g) de levadura para 24 (L) de mosto.
A partir de esta igualdad se realizan los cálculos para 250 (L) de mosto.
11 (𝑔) 𝑙𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎
250 (𝐿) 𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜
= 113 (𝑔) 𝑙𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 250 (𝐿)
24 (𝐿) 𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜
Como son dos fermentadores que participan en la fermentación alcohólica, se utilizaran 226 (g) de
levadura, pero producto de que siempre existen pérdidas, se decidió por utilizar un total de 230 (g) de
levadura para los procesos de fermentación alcohólica.
Cálculo para determinar la cantidad de malta
La cantidad de malta utilizada va a depender del tipo de cerveza elaborada, como son dos tipos de
cervezas elaboradas las maltas son diferentes [66]. Las cantidades ocupadas se encuentran a
continuación.
Tabla 1. Cantidad de malta para los diferentes estilos de cerveza.
Cerveza caramelo Pale ale
Cerveza stout
Malta Pale Ale
56 Kg
Malta cara-Munich
Malta cara-Aroma
5 Kg
5 Kg
Avena
4 Kg
Malta Pale Ale
56 Kg
Perla negra
Cebada tostada
5 Kg
5 Kg
Avena
4 Kg
24
Cálculo para determinar la cantidad de lúpulo
Al igual que la malta, la cantidad de lúpulo está determinada por las recetas para los diferentes estilos de
cervezas utilizados en el proceso de fermentación [66]. A continuación, se encuentra las cantidades de
lúpulo ocupado para la preparación de la cerveza.
Tabla 2. Cantidad de malta para los diferentes estilos de cerveza.
Lúpulo
Cascade
Colombus
600 g
100 g
Fuggles
100 g
Cálculos para determinar la cantidad de Alginato de sodio y cloruro de calcio
Es importante recordar que el Alginato de sodio solo será utilizado para el proceso de levadura
inmovilizada. Se realizó la regla de tres para determinar la cantidad de alginato y agua utilizada para la
inmovilización.
Para el alginato se utilizaron 2.5 (g) de levadura para 1 (g) de Alginato, tal como se indicó en la preparación
de la inmovilización. Realizando la regla de tres se obtiene.
113 (𝑔) 𝑙𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 ∗
1 (𝑔)𝑎𝑙𝑔𝑖𝑛𝑎𝑡𝑜
= 45.2 (𝑔) 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑔𝑖𝑛𝑎𝑡𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 113 (𝑔) 𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎
2.5 (𝑔)𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎
Como son dos procesos de fermentación, se utilizará una cantidad de 90.4 (g) de alginato de sodio, pero
producto de las pérdidas que pueden existir, se decidió por utilizar una cantidad total de 100 (g) de alginato
de sodio. Sin embargo, se compran 200 (g) de Alginato de sodio, ya que se distribuyen en estas cantidades
en el mercado.
Con respecto al agua utilizada para la inmovilización de la levadura, se utilizaron 30 (ml) de agua en 1 (g)
de alginato de sodio, tal como se indicó en la preparación de la inmovilización. Realizando la regla de tres,
se obtuvo lo siguiente.
45.2 (𝑔) 𝑎𝑙𝑔𝑖𝑛𝑎𝑡𝑜
30 (𝑚𝑙)𝐴𝑔𝑢𝑎
= 1.35 (𝐿) 𝑝𝑎𝑟𝑎 45.2 (𝑔) 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑔𝑖𝑛𝑎𝑡𝑜
1 (𝑔)𝑎𝑙𝑔𝑖𝑛𝑎𝑡𝑜
Como son dos procesos de fermentación, la cantidad de agua final será de 3 (L) para 100 g de alginato de
sodio.
Con respecto a la cantidad de cloruro de calcio utilizado, se usará una cantidad de 3 (L) que permitirán la
formación de las esferas del alginato con levadura en su interior. El cloruro de calcio se vende en forma
solida por lo tanto se compra una cantidad de 500 (g) y a partir de esto se realiza una preparación con un
2 % de Cloruro en 3 litros de agua.
25
Cálculos para determinar la cantidad de agua
Para la determinación de la cantidad de agua, se tuvieron las siguientes consideraciones.
•
•
•
El agua suministrada para el proceso de fermentación fue de un total de 460 (L/mes).
Para el proceso con levadura inmovilizada se usó un total de 6 (L/mes) de agua extra.
El distribuidor solo vende 500 (L) de agua purificada, por lo tanto, se decidió por comprar esta
cantidad de agua para la planta de fabricación de cerveza. El agua restante puede ser utilizada
para la limpieza de los equipos.
Anexo 11. Diseño de intercambiador de calor de placas
Para comenzar con el diseño del intercambiador de calor de placas, se hizo necesario conocer la
temperatura de entrada y salida de los fluidos, junto con sus caudales. Por otra parte, se asumió que
variables como la capacidad calorífica del mosto, conductividad del mosto (k) y viscosidad de este, tendrá
el mismo valor que el del agua.
Para el intercambio de calor se utilizó como líquido refrigerante el agua.
A continuación, se presenta una tabla resumen con todas las variables mencionadas anteriormente.
Tabla 1. Tabla de resumen con los datos usados para diseñar intercambiador de placas.
Temperatura entrada
Temperatura salida
Caudal (C)
Constante convección (k)
Viscosidad (µ)
Densidad (p)
Capacidad calorífica (Cp)
Unidad
°C
°C
m3/h
W*m-1*K-1
kg*m-1*s-1
Kg*L-1
j*kg-1*°C-1
Agua
5
-3.6
0.623
0.000717
1
4180
Mosto
70
25
1.27
0.623
0.000717
1.028
4180
Debido a que no se conoce la temperatura de salida del agua, fue necesario realizar un balance de energía
para el agua y para el mosto.
𝑄 = 𝑝𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜 ∗ 𝐶𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜 ∗ 𝐶𝑝𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜 (𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜 − 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜 ) = 𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝐶𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ (𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎 − 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎 )
Reemplazando los valores, se queda como incógnita la temperatura de salida del agua
𝑄 = 1.028 ∗ 4180 ∗0.9*(25-70) =1*4180*3.5*(T2 –5)
Despejando T2, que corresponde a la temperatura de salida del agua del intercambiador de placas, se
obtiene un valor de 16.89°C.
A continuación, se obtiene una tabla resumen con todos los valores de la temperatura usadas para este
proceso.
26
Tabla 2. Temperatura de operación de los fluidos.
Tentrada °C
Tsalida °C
Mosto
70
25
Agua
5
21.654
dT.
65
3.346
Una vez obtenidas las temperaturas es posible calcular la variación logarítmica de temperatura (LMTD).
La siguiente ecuación muestra los cálculos del LMTD.
𝐿𝑀𝑇𝐷 =
∆𝑇𝑐 − ∆𝑇𝑓 65 − 3.346
=
= 20.783 °𝐶
∆𝑇𝑐
65
ln(
)
ln
(
)
∆𝑇𝑓
3.346
Por temas de simplicidad de cálculos, se decidió por darse una cantidad de placas iniciales y comenzar a
iterar en caso de que se necesiten menor o mayor de cantidad placas.
En la tabla siguiente se muestra la cantidad de placas iniciales, junto con los datos del fabricante del
intercambiador de placas seleccionado (ALFA LAVAL) [68].
Tabla 3. Características del intercambiador de placas.
Unidad
Número de placas
Modelo seleccionado
Área lateral cada placa (Ap)
Distancia entre placas (b)
Espesor placa (x)
Ancho de placa (w)
Flujo por canal
Presión máxima
Flujo máximo
45
T5-MFG
0.12
3
0.5
245
0.7
16
50.4
m2
mm
mm
mm
m3**h-1
atm
m3*h-1
Una vez obtenido todos los valores anteriores, se realizan los cálculos para el Área inicial del
intercambiador de calor (A’), por medio de la siguiente ecuación:
𝐴′ = 𝐴𝑝 ∗ (𝑁 − 2)
𝐴′ = 0.12 ∗ (45 − 2) = 5.16 𝑚2
A continuación, se procede a calcular el número de placas térmicas.
𝑁𝑃𝑇 = 𝑁 − 2 = 45 − 2 = 43
El número de canales térmicos por corrientes se obtienen de la siguiente manera
27
𝑁𝐶𝑇 =
𝑁 − 1 45 − 1
=
= 22
2 ∗ 𝑛𝑖
2∗1
Donde “ni”, corresponde al número de pasos y para nuestro intercambiador se usará un valor de 1.
El área libre de flujo por corriente (Ac) se puede obtener a partir de la siguiente ecuación:
𝐴𝑐 = 𝑁𝐶𝑇 ∗ 𝑏 ∗ 𝑊 = 22 ∗ 0.003 ∗ 0.245 = 0.016 (𝑚2 )
Por último, se realizó el cálculo para el diámetro equivalente o hidráulico a partir de la siguiente expresión.
𝐷ℎ = 4 ∗ 𝐴𝑐/(2 ∗ (𝑊 + 𝑏)) = 4 ∗ 0.016/(2 ∗ (0.003 + 0.245)) = 0.006 (𝑚)
Una vez calculados todas estas variables y al haber seleccionado el modelo del intercambiador de calor,
se procede a realizar los cálculos para el número de Reynolds (Re) y de Prouds (Pr). A continuación, se
encuentran las ecuaciones para poder realizar dichos cálculos.
𝑅𝑒 =
𝑞 ∗ 𝐷ℎ
𝜇 ∗ 𝐴𝑐
𝑃𝑟 = 𝜇 ∗ 𝐶𝑝/(𝑘)
Donde
q=caudal másico
Los resultados para los cálculos de Reynolds y Prouds de cada fluido se encuentran a en la siguiente tabla.
Tabla 3. Resultados de Reynolds y Prouds para cada fluido.
Agua
Mosto
Reynolds
511.253
189.204
Prouds
4.81
4.81
Los intercambiadores de placas se caracterizan por poseer unas ondulaciones que provocan turbulencias
en el fluido mejorando la transferencia de calor. Mediante la siguiente relación es posible determinar el
coeficiente h:
2
ℎ = (𝑞 ∗ 𝐽𝐻 ∗ 𝐶𝑝)/(𝐴𝑐 ∗ 𝑃𝑟 3 )
28
Donde:
JH= factor de transferencia de calor
Para calcular el factor de transferencia de calor, JH, simplemente aplicamos la ecuación:
𝐽𝐻 = 𝑎 ∗ 𝑅𝑒 𝑏
Donde a y b son constantes del intercambiador de placas que se encuentran en la tabla 6 de este anexo.
La tabla siguiente muestra los resultados obtenidos a partir de las ecuaciones mostradas anteriormente.
Tabla 4. Resumen de los resultados.
JH
h (W*m-2*K-1)
Mosto
0.023
1027.479
Agua
0.022
3011.514
Conocidos los valores de “h”, es posible calcular el valor de transferencia global “U”, por medio de la
siguiente ecuación.
1
1
1
=
+
+ 𝑒0 /𝑎0𝑎
𝑈 ℎ𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜 ℎ𝑎𝑔𝑢𝑎
Para poder calcular U, es necesario conocer tanto los valores de e0/λ0, como de hi. En este caso el espesor
de la placa del intercambiador de calor tiene un valor de 0,6 mm y la conductividad térmica del acero
inoxidable (AISI 316) es de 13,4 W/mK.
Por tanto, e0/λ0 = 4,47*10-5
Reemplazando los valores calculados en la ecuación mostrada anteriormente, se obtiene el siguiente valor:
1
1
1
=
+
+ 4.47 ∗ 10−5
𝑈 1027.479 3011.514
𝑈 = 744.807 (
𝑊
)
∗𝐾
𝑚2
Para poder determinar si el diseño del intercambiador de placas fue correcto, se realiza una comparación
entre el Área inicial del intercambiador de placas (A’) con el área recalculada (A), si el exceso de área es
menor que un 15% el diseño es correcto, en caso contrario se tendrá que volver a iterar con un nuevo
número de placas.
Para determinar el área recalculada, se sigue la siguiente ecuación.
𝑄 = 𝐴 ∗ 𝑈 ∗ 𝐿𝑀𝑇𝐷
Reemplazando los valores calculados anteriormente, se obtiene la siguiente área.
29
𝐴=
69612.048
= 4.499 (𝑚2 )
744.807 ∗ 20.78
Realizando la comparación entre el área calculada y el área inicial del intercambiador de calor, se pudo
obtener que el exceso no fue mayor a un 15%, por lo tanto, el diseño del intercambiador de calor es
correcto.
%𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 =
𝐴′ − 𝐴
5.16 − 4.499
∗ 100 =
∗ 100 = 15%
𝐴
4.499
Una vez que se comprobó que no existe un exceso en el área del intercambiador de calor, se hizo
necesario poder calcular la caída de presión de los fluidos que pasan por las placas del intercambiador.
A continuación, es posible observar los pasos a seguir para realizar los cálculos de la caída de presión
para el intercambiador de calor.
∆𝑃 = (2 ∗ 𝐺 2 ∗ 𝑓 ∗ 𝐿)/(𝑔 ∗ 𝐷ℎ ∗ 𝑝)
Donde
𝑓 = 2.5/𝑅𝑒 0.3
𝐿 = 𝑙 ∗ 𝑛𝑖
𝑙 = 𝐴𝑝 /𝑊
Reemplazando los valores para el agua y aceite se obtuvieron los siguientes resulta:
Tabla 5. Resumen para cálculo de presión de cada fluido.
Unidad
Agua
Mosto
f
--
0.385
0.518
G^2
Kg2*h-2*m-4
3824.546
523.810
l
m
0.489
0.489
L
m
0.489
0.489
Dh
m
0.006
0.006
g
m*s-2
9.8
9.8
Presión
Kgf*m2
28424.611
4456.479
Presión
bar
2.432
0.436
Según los datos tabulados de la empresa “ALFA LAVAL”, la presión máxima que soporta el intercambiador
seleccionado es de 16 (atm), y de acuerdo con los datos calculados, en ningún caso se supera este valor.
Por lo tanto, el intercambiador de calor seleccionado podrá funcionar sin ningún problema bajos las
condiciones de operación.
30
Tabla 6. Constante a y b para intercambiador de placas [69].
Ondulaciones
Planas
Horizontales
Tipo V
Re
<70
<150
<25
a
1.416
0.421
0.755
b
-0.77
-0.5
-0.54
31
Re
>1000
>300
>40
a
0.178
0.878
0.52
b
-0.24
-0.39
-0.39
Figura 1. Intercambiador de placas seleccionado para el proceso.
32
Anexo 12. Diseño del fermentador
Para partir con el diseño de nuestro fermentador a utilizar, se necesitó saber el volumen de mosto que
fermentara en su interior. Conociendo este volumen, se puede calcular el volumen total del reactor a utilizar
por medio de la siguiente ecuación, en donde siempre el volumen total tiene que tener un 25% de
sobredimensionamiento [70].
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉 𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜 + 0.25 ∗ 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
Donde el volumen de mosto será de 225 (L), y por lo tanto el Volumen total del reactor será de 300 (L).
Cálculo de dimensiones del fermentador
La forma del reactor será la siguiente:
•
•
•
La cabeza elipsoidal es del tipo K2 (C.E.R.A.P.) CODIGO ESPAÑOL DE RECIPIENTES Y
APARATOS A PRESION. Para el tipo K2, la altura de los casquetes es un cuarto del diámetro (H
elipsoidal = d / 4).
La cola de forma cónica tendrá un ángulo de 60º en su vértice.
El cuerpo del reactor será de forma cilíndrica con una relación recomendada entre altura y diámetro
de 1.5 (Hcilindro=1.5*D).
El volumen del elipsoide es de la siguiente forma.
𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑒 =
4
∗𝜋∗𝑎∗𝑏∗𝑐
3
Donde a, b, c son las longitudes de los semiejes del elipsoide. Al ser un tanque cilíndrico, el diámetro no
cambia y por lo tanto a=b=D/2, y en nuestro caso, c=Helipsoide=D/4.
El volumen buscado, es la mitad del volumen del elipsoide.
𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑎𝑙 =
1
∗𝑉
2 𝐸𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑒
Sustituyendo los valores de a,b y c en el volumen elipsoidal, se obtiene la siguiente expresión.
𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑎𝑙 = 0.131 ∗ 𝐷3
Para el cono, se utilizará la siguiente ecuación:
𝑉𝑐𝑜𝑛𝑜 =
1
∗ 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ ℎ𝑐𝑜𝑛𝑜
3
Donde h es la altura del cono. Al ser un cono recto con ayuda de las funciones trigonométricas podemos
expresar h, como:
𝑟=
𝐷
;
2
ℎ𝑐𝑜𝑛𝑜 =
𝑟
60°
; 𝜃=
= 30°
tan(𝜃)
2
33
Reemplazando estos valores en el volumen del cono, se obtiene la siguiente expresión.
𝑉𝑐𝑜𝑛𝑜 = 0.2267 ∗ 𝐷3
El cuerpo del reactor será de forma cilíndrica por lo tanto su volumen se encuentra a continuación.
𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ ℎ𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
Como se dijo anteriormente la relación entre la altura y diámetro es de 1.5. Reemplazando estos términos
en el volumen del cilindro y dejando todo en función del diámetro (D). obtenemos la siguiente ecuación.
𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 1.1775 ∗ 𝐷3
Una vez obtenidas todas las expresiones de los volúmenes de los distintos cuerpos que forman parte de
nuestro reactor, se puede calcular el diámetro del fermentador, de la siguiente manera.
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 + 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑜 + 𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑎𝑙
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1.1775 ∗ 𝐷3 + 0.2267 ∗ 𝐷3 + 0.131 ∗ 𝐷 3 = 0.3 (𝑚3 )
Resolviendo la siguiente ecuación, se obtiene que el diámetro tiene un valor de 0.58 (m).
Entonces se puede calcular la altura del reactor total y de cada figura que lo conforma. Los datos de estos
se encuentran en la figura siguiente.
H elipsoide = 0,143 m
H cilindro= 1,083 m
H cono =0,498 m
D = 0,58 m
Figura 1. Diagrama para tanque de fermentación.
Cálculo de espesores
Los espesores del tanque se calcularán según el CODIGO DE DISEÑO A.S.M.E (AMERICAN
SOCIETTY OF AMERICAN ENGINEERS).
Para el cálculo de espesores de tanques sometidos a presión interna, todas las
variables deben ir referidas a dimensiones interiores.
Es necesario calcular los espesores de todas las zonas, (zona cilíndrica, zona
34
elipsoidal y zona cónica). Este cálculo se realiza aplicando las fórmulas que aparecen en el “manual de
recipientes a presión” [71].
Figura 2. Presión interna del manual de recipientes a presión [71].
Zona cilíndrica
𝑡=
𝑃∗𝑟
+ 𝐶𝐴
𝑆 ∗ 𝐸 − 0.6 ∗ 𝑃
35
Zona elipsoidal
𝑡=
𝑃∗𝐷
+ 𝐶𝐴
2 ∗ 𝑆 ∗ 𝐸 − 0.2 ∗ 𝑃
Zona cónica
𝑡=𝑃∗
𝐷
+ 𝐶𝐴
2 ∗ 𝐶𝑜𝑠(𝜃) ∗ 𝑆 ∗ 𝐸 − 0.6 ∗ 𝑃
Donde:
P: Presión de diseño o presión máxima de trabajo permitida, (lb / pulg2)
S: Valor de esfuerzo del material, (“Anexo 16. Tabla para el cálculo de valores máximos de esfuerzos
permitidos”).
E: Eficacia de la junta, (“Anexo17. Tabla para la determinación de la eficacia de la soldadura en función
del tipo de junta”).
r: Radio interior, (pulg).
D: Diámetro interior, (pulg).
t: Espesor de la pared, (pulg).
C.A.: Margen de corrosión, (pulg), normalmente 0,125 pulg.
La presión de operación es la presión que se requiere en el proceso del que forma parte el recipiente, a la
cual trabaja normalmente este.
La presión de proceso está regida por el tipo de cerveza en elaboración y el contenido de CO2 disuelto en
la misma. Según varios estilos de cervezas, la mayor concentración de CO2 se establece en las cervezas
Ales y Lagers europeas que poseen un volumen disuelto de CO2 entre 2,2 y 2,8. Partiendo de la
concentración más alta de CO2 en disolución que podemos encontrar y sabiendo que la temperatura
máxima de trabajo, una vez finalizada la fermentación, será de 16º C (≈ 61º F) tenemos que la presión de
proceso será 29 PSI = 1,97 atm. (“Anexo 19. Cálculos de solubilidad del CO2 en cerveza”).
En estos tanques la presión del proceso es de 1,97 atm. más la presión debida a la columna de líquido.
𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑃𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 + 𝑃𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 = 𝑃𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 + 𝑝 ∗ 𝐻
Donde:
p= densidad
H= altura de líquido
Para poder determinar la altura que el líquido ocupa en el fermentador se realizaron los siguientes cálculos.
𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 = 𝐻𝑐𝑜𝑛𝑜 + 𝐻𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
36
De acuerdo con los cálculos anteriores, se tiene que el volumen del líquido ocupa toda la parte cónica del
fermentador y por ende su altura es de 0.498 (m). Solo queda por determinar la altura que tiene el líquido
en la parte cilíndrica.
Por lo tanto:
𝑉𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝑉𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑉𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑜 = 0.0308 (𝑚3 )
Reemplazando este volumen en la ecuación del volumen del cilindro.
𝑉𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 ∗ 0.3642 ∗ 𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 0.0308 (𝑚3 )
Y despejando la H líquido cilindro se logra obtener un valor de 0.783 (m).
Ahora se procede a calcular la altura que tiene el líquido en el reactor.
𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑒𝑟𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 + 𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑜 = 0.899 (𝑚)
Reemplazando estos valores en la ecuación de operación y pasando esta presión a (psi).
𝑙𝑏𝑓
𝑔
𝑚𝑙
39.37𝑝𝑢𝑙𝑔
∗
∗ (0.899)(𝑚) ∗
∗ 0.0022
= 21.377 (𝑝𝑠𝑖)
𝑚𝑙 0.061 𝑝𝑢𝑙𝑔3
𝑚
𝑔
= 1.455 (𝑎𝑡𝑚)
𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 20 (𝑝𝑠𝑖) + 1.08
Por tema de seguridad se trabaja se sobredimensiona la presión del proceso en un 10%, quedando la
siguiente presión de diseño.
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 1.1 ∗ 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 23.706 (𝑃𝑠𝑖) = 1.613 (𝑎𝑡𝑚)
Descripción del tipo de material a utilizar en la fabricación del tanque. Para el diseño del tanque se utiliza
chapa de acero inoxidable 18% Cr, 8% Ni. Con un contenido en carbono menor al 0,04% (gran soldabilidad
con eficiencia de la junta “E” examinada por zonas), que en el código ASME viene especificada como SA240, (316). Según las condiciones descritas y empleando la tabla para la determinación de la eficacia de
la soldadura en función del tipo de junta).
E=0.85
Según la tabla de propiedades de los materiales de acero inoxidable, para temperaturas dentro del
intervalo (-20 a 100 º F), resulta un valor máximo de esfuerzo permitido (Tabla para el cálculo de valores
máximos de esfuerzos permitidos):
S=18800 (lb/pulg2)
De acuerdo con todos los valores obtenidos en los cálculos anteriores y reemplazándolo en la ecuación
de los espesores, se obtienen los siguientes valores para cada zona de nuestro fermentador.
37
𝑡𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
𝑡𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑎𝑙
𝑡𝑐𝑜𝑛𝑜 = 23.702 ∗
0.727
23.706 ∗ (
)
2
=
+ 0.125 = 0.126 (𝑝𝑢𝑙𝑔) = 3.189 (𝑚𝑚)
18800 ∗ 0.85 − 0.6 ∗ 23.706
0.727
)
2
=
+ 0.125 = 0.125 (𝑝𝑢𝑙𝑔) = 3.183 (𝑚𝑚)
2 ∗ 18800 ∗ 0.85 − 0.2 ∗ 23.707
23.706 ∗ (
0.727
+ 0.125 = 0.126 (𝑝𝑢𝑙𝑔) = 3.191 (𝑚𝑚)
2 ∗ 𝐶𝑜𝑠(30) ∗ 18800 ∗ 0.85 − 0.6 ∗ 23.702
Anexo 13. Diseño madurador
Los tanques se diseñan dejando un 20% de espacio libre para el CO2 de la cerveza.
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉 𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜 + 0.2 ∗ 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
En lo que se refiere al almacenamiento, la temperatura de guarda del mosto estará comprendida entre los
20-25° C. El contenido de CO2 en disolución estará en función del tipo de cerveza que deseemos elaborar.
A continuación, se muestra una tabla donde podemos ver los rangos de carbonatación de los diferentes
estilos
Figura 1. Tabla de contenido de CO2 en diversos estilos de cervezas [72].
Se decidió por escoger un estilo de cerveza del tipo Ale inglesa, en donde su volumen de CO 2 es de 2.0
En la siguiente tabla se muestran las presiones necesarias para disolver un determinado volumen de CO2
en cerveza a diferentes temperaturas.
38
Figura 2. Presiones para disolver CO2 a diversas
temperaturas [72].
A partir de una temperatura de 20°C y el estilo de cerveza seleccionado se logró obtener una presión de
19.8 (psi), que corresponde a la presión máxima de trabajo.
Cálculo de dimensiones del madurador.
El volumen del mosto en el madurador es de 225 (L) y por los tanto el volumen total de este equipo será
de 282 (L), pero en el mercado se encuentra de 300 (L), por lo tanto seleccionamos este.
La forma del madurador será la siguiente:
•
•
La cabeza elipsoidal es del tipo K2 (C.E.R.A.P.) CODIGO ESPAÑOL DE RECIPIENTES Y
APARATOS A PRESION. Para el tipo K2, la altura de los casquetes es un cuarto del diámetro (H
elipsoidal = d / 4).
El cuerpo del reactor será de forma cilíndrica con una relación recomendada entre altura y diámetro
de 1.5 (Hcilindro=1.5D).
39
El volumen del elipsoide es de la siguiente forma.
𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑒 =
4
∗𝜋∗𝑎∗𝑏∗𝑐
3
Donde a,b,c son las longitudes de los semiejes del elipsoide. Al ser un tanque cilíndrico, el diámetro no
cambia y por lo tanto a=b=D/2, y en nuestro caso, c=Helipsoide=D/4.
El volumen buscado, es la mitad del volumen del elipsoide.
𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑎𝑙 =
1
∗𝑉
2 𝐸𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑒
Sustituyendo los valores de a,b y c en el volumen elipsoidal, se obtiene la siguiente expresión.
𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑎𝑙 = 0.131 ∗ 𝐷3
El cuerpo del madurador será de forma cilíndrica por lo tanto su volumen se encuentra a continuación.
𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ ℎ𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
Como se dijo anteriormente la relación entre la altura y diámetro es de 1.5. Reemplazando estos términos
en el volumen del cilindro y dejando todo en función del diámetro (D). obtenemos la siguiente ecuación.
𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 1.1775 ∗ 𝐷3
Una vez obtenidas todas las expresiones de los volúmenes de los distintos cuerpos que forman parte de
nuestro reactor, se puede calcular el diámetro del fermentador, de la siguiente manera.
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 + 𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑎𝑙 1 + 𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑎𝑙 2
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1.1775 ∗ 𝐷3 + 0.131 ∗ 𝐷3 + 0.131 ∗ 𝐷 3 = 0.3 (𝑚3 )
Resolviendo la siguiente ecuación, se obtiene que el diámetro tiene un valor de 0.58 (m).
Entonces se puede calcular la altura del madurador total y de cada figura que lo conforma. Los datos de
estos se encuentran en la figura siguiente.
40
H elip soide = 0,145 m
H cilindro= 0.871m
H elip soide =0,145 m
D = 0,581 m
Figura 3. Diagrama del tanque de maduración.
Cálculo de espesores.
Los espesores del tanque se calcularán según el CODIGO DE DISEÑO A.S.M.E (AMERICAN SOCIETTY
OF AMERICAN ENGINEERS).
Para el cálculo de espesores de tanques sometidos a presión interna, todas las
variables deben ir referidas a dimensiones interiores.
Es necesario calcular los espesores de todas las zonas, (zona cilíndrica, zona elipsoidal y zona cónica).
Este cálculo se realiza aplicando las fórmulas que aparecen en el “manual de recipientes a presión” [71].
41
Figura 3. Presión interna del manual de recipientes a presión [71].
Zona cilíndrica
𝑡=
𝑃∗𝑟
+ 𝐶𝐴
𝑆 ∗ 𝐸 − 0.6 ∗ 𝑃
42
Zona elipsoidal
𝑡=
𝑃∗𝐷
+ 𝐶𝐴
2 ∗ 𝑆 ∗ 𝐸 − 0.2 ∗ 𝑃
Donde:
P: Presión de diseño o presión máxima de trabajo permitida, (lb / pulg2)
S: Valor de esfuerzo del material, (“Anexo 16. Tabla para el cálculo de valores máximos de esfuerzos
permitidos”).
E: Eficacia de la junta, (“Anexo 17. Tabla para la determinación de la eficacia de la soldadura en función
del tipo de junta”).
r: Radio interior, (pulg).
D: Diámetro interior, (pulg).
t : Espesor de la pared, (pulg).
C.A.: Margen de corrosión, (pulg), normalmente 0,125 (pulg).
La presión de operación es la presión que se requiere en el proceso del que forma parte el recipiente, a la
cual trabaja normalmente este. De acuerdo con las tablas mostradas anteriormente se consideró una
presión de trabajo de 19.8 (psi).
En estos tanques la presión del proceso es de 1,35 atm. más la presión debida a la columna de líquido.
𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑃𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 + 𝑃𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 = 𝑃𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 + 𝑝 ∗ 𝐻
Donde:
p= densidad
H= altura de líquido
Para poder determinar la altura que el líquido ocupa en el madurador se realizaron los siguientes cálculos.
𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 = 𝐻 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 + 𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑒
De acuerdo con los cálculos anteriores, se tiene que el volumen del líquido ocupa toda la parte del elipsoide
del madurador y por ende su altura es de 0.145 (m). Solo queda por determinar la altura que tiene el líquido
en la parte cilíndrica.
Por lo tanto:
𝑉𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝑉𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑉𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑜 = 0.199 (𝑚3 )
Reemplazando este volumen en la ecuación del volumen del cilindro.
𝑉𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 ∗ 0.2912 ∗ 𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 0.199 (𝑚3 )
Y despejando la H líquido cilindro se logra obtener un valor de 0.752 (m).
43
Ahora se procede a calcular la altura que tiene el líquido en el reactor.
𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑒𝑟𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 + 𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑒 = 0.897 (𝑚)
A partir de lo cálculos realizados, se puede concluir que la altura que utiliza el líquido en el madurador fue
de 0.897 (m). Luego de esto se pude comenzar con los cálculos para la Presión del proceso.
Reemplazando estos valores en la ecuación de operación y pasando esta presión a (psi).
𝑙𝑏𝑓
𝑔
𝑚𝑙
39.37𝑝𝑢𝑙𝑔
∗
∗ (0.897)(𝑚) ∗
∗ 0.0022
= 21.175 (𝑝𝑠𝑖)
3
𝑚𝑙 0.061 𝑝𝑢𝑙𝑔
𝑚
𝑔
= 1.441 (𝑎𝑡𝑚)
𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 19.8(𝑝𝑠𝑖) + 1.08
Por tema de seguridad se trabaja se sobredimensiona la presión del proceso en un 10%, quedando la
siguiente presión de operación.
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 1.1 ∗ 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 23.293 (𝑃𝑠𝑖) = 1.585 (𝑎𝑡𝑚)
Descripción del tipo de material a utilizar en la fabricación del tanque. Para el diseño del tanque se utiliza
chapa de acero inoxidable 18% Cr, 8% Ni. Con un contenido en carbono menor al 0,04% (gran soldabilidad
con eficiencia de la junta “E” examinada por zonas), que en el código ASME viene especificada como SA240, (316). Según las condiciones descritas y empleando la tabla para la determinación de la eficacia de
la soldadura en función del tipo de junta).
E=0.85
Según la tabla de propiedades de los materiales de acero inoxidable, para temperaturas dentro del
intervalo (-20 a 100 º F), resulta un valor máximo de esfuerzo permitido (Tabla para el cálculo de valores
máximos de esfuerzos permitidos):
S=18800 (lb/pulg2)
De acuerdo con todos los valores obtenidos en los cálculos anteriores y reemplazándolo en la ecuación
de los espesores, se obtienen los siguientes valores para cada zona de nuestro madurador.
𝑡𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 =
𝑡𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑒 =
0.581
)
2
+ 0.125 = 0.125 (𝑝𝑢𝑙𝑔) = 3.186(𝑚𝑚)
18800 ∗ 0.85 − 0.6 ∗ 23.293
23.293 ∗ (
23.293 ∗ 0.581
+ 0.125 = 0.125 (𝑝𝑢𝑙𝑔) = 3.186 (𝑚𝑚)
2 ∗ 18800 ∗ 0.85 − 0.2 ∗ 23.293
44
Anexo 14. Diseño del mezclador
Para partir con el diseño de nuestro mezclador a utilizar, se necesitó saber el volumen total entre agua,
alginato y levadura a utilizar para poder realizar la mezcla. Conociendo este volumen, se puede calcular el
volumen total del reactor a utilizar por medio de la siguiente ecuación, en donde siempre el volumen total
tiene que tener un 25% de sobredimensionamiento [70].
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 + 0.25 ∗ 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
Donde el volumen de la mezcla será de 2 (L), y por lo tanto el Volumen total del mezclador será de 2.7(L),
pero por comodidad, aproximaremos este valor a 3 (L)
Cálculo de dimensiones del mezclador
La forma del mezclador será la siguiente:
•
•
•
La cabeza elipsoidal es del tipo K2 (C.E.R.A.P.) CODIGO ESPAÑOL DE RECIPIENTES Y
APARATOS A PRESION. Para el tipo K2, la altura de los casquetes es un cuarto del diámetro (H
elipsoidal = d / 4).
La cola de forma cónica tendrá un ángulo de 60º en su vértice.
El cuerpo del reactor será de forma cilíndrica con una relación recomendada entre altura y diámetro
de 1.5 (Hcilindro=1.5*D).
El volumen del elipsoide es de la siguiente forma.
𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑒 =
4
∗𝜋∗𝑎∗𝑏∗𝑐
3
Donde a,b,c son las longitudes de los semiejes del elipsoide. Al ser un tanque cilíndrico, el diámetro no
cambia y por lo tanto a=b=D/2, y en nuestro caso, c=Helipsidal=D/4.
El volumen buscado, es la mitad del volumen del elipsoide.
𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑎𝑙 =
1
∗𝑉
2 𝐸𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑒
Sustituyendo los valores de a,b y c en el volumen elipsoidal, se obtiene la siguiente expresión.
𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑎𝑙 = 0.131 ∗ 𝐷3
Para el cono, se utilizará la siguiente ecuación:
𝑉𝑐𝑜𝑛𝑜 =
1
∗ 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ ℎ𝑐𝑜𝑛𝑜
3
Donde h es la altura del cono. Al ser un cono recto con ayuda de las funciones trigonométricas podemos
expresar h, como:
45
𝑟=
𝐷
;
2
ℎ𝑐𝑜𝑛𝑜 =
𝑟
60°
; 𝜃=
= 30°
tan(𝜃)
2
Reemplazando estos valores en el volumen del cono, se obtiene la siguiente expresión.
𝑉𝑐𝑜𝑛𝑜 = 0.2267 ∗ 𝐷3
El cuerpo del reactor será de forma cilíndrica por lo tanto su volumen se encuentra a continuación.
𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ ℎ𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
Como se dijo anteriormente la relación entre la altura y diámetro es de 1.5. Reemplazando estos términos
en el volumen del cilindro y dejando todo en función del diámetro (D). obtenemos la siguiente ecuación.
𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 1.1775 ∗ 𝐷3
Una vez obtenidas todas las expresiones de los volúmenes de los distintos cuerpos que forman parte de
nuestro reactor, se puede calcular el diámetro del fermentador, de la siguiente manera.
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 + 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑜 + 𝑉𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑎𝑙
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1.1775 ∗ 𝐷3 + 0.2267 ∗ 𝐷3 + 0.131 ∗ 𝐷3 = 0.003 (𝑚3 )
Resolviendo la siguiente ecuación, se obtiene que el diámetro tiene un valor de 0.124 (m).
Entonces se puede calcular la altura del reactor total y de cada figura que lo conforma. Los datos de estos
se encuentran en la figura siguiente.
H elip soide = 0,031 m
H cilindro= 0.186 m
H cono =0,108 m
D = 0,123 m
Figura 1. Diseño del tanque de agitación.
46
Cálculo de espesores.
Los espesores del tanque se calcularán según el CODIGO DE DISEÑO A.S.M.E (AMERICAN SOCIETTY
OF AMERICAN ENGINEERS).
Para el cálculo de espesores de tanques sometidos a presión interna, todas las variables deben ir referidas
a dimensiones interiores.
Es necesario calcular los espesores de todas las zonas, (zona cilíndrica, zona elipsoidal y zona cónica).
Este cálculo se realiza aplicando las fórmulas que aparecen en el “manual de recipientes a presión” [71].
Figura 2. Presión interna del manual de recipientes a presión [71].
Zona cilíndrica
𝑡=
𝑃∗𝑟
+ 𝐶𝐴
𝑆 ∗ 𝐸 − 0.6 ∗ 𝑃
Zona elipsoidal
𝑡=
𝑃∗𝐷
+ 𝐶𝐴
2 ∗ 𝑆 ∗ 𝐸 − 0.2 ∗ 𝑃
47
Zona cónica
𝑡=𝑃∗
𝐷
+ 𝐶𝐴
2 ∗ 𝐶𝑜𝑠(𝜃) ∗ 𝑆 ∗ 𝐸 − 0.6 ∗ 𝑃
Donde:
P: Presión de diseño o presión máxima de trabajo permitida, (lb / pulg2)
S: Valor de esfuerzo del material, (“Anexo 16. Tabla para el cálculo de valores máximos de esfuerzos
permitidos”).
E: Eficacia de la junta, (“Anexo 17. Tabla para la determinación de la eficacia de la soldadura en función
del tipo de junta”).
r: Radio interior, (pulg).
D: Diámetro interior, (pulg).
t: Espesor de la pared, (pulg)
C.A.: Margen de corrosión, (pulg), normalmente 0,125 pulg.
La presión de operación es la presión que se requiere en el proceso del que forma parte el recipiente, a la
cual trabaja normalmente este, por lo tanto, la presión de operación será la presión
𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑃𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 + 𝑃𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 = 𝑃𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 + 𝑝 ∗ 𝐻
Donde:
p= densidad
H= altura de líquido
Para poder determinar la altura que el líquido ocupa en el fermentador se realizaron los siguientes cálculos.
𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 = 𝐻𝑐𝑜𝑛𝑜 + 𝐻𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
De acuerdo con los cálculos anteriores, se tiene que el volumen del líquido ocupa toda la parte cónica del
mezclador y por ende su altura es de 0.107 (m). Solo queda por determinar la altura que tiene el líquido
en la parte cilíndrica.
Por lo tanto:
𝑉𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝑉𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑉𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑜 = 0.0015 (𝑚3 )
Reemplazando este volumen en la ecuación del volumen del cilindro.
𝑉𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 ∗ 0.0622 ∗ 𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 0.0015 (𝑚3 )
Y despejando la H líquido cilindro se logra obtener un valor de 0.062 (m).
Ahora se procede a calcular la altura que tiene el líquido en el reactor.
48
𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 + 𝐻𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑜 = 0. 171(𝑚)
Reemplazando estos valores en la ecuación de operación y pasando esta presión a (psi).
𝑙𝑏𝑓
𝑔
𝑚𝑙
39.37𝑝𝑢𝑙𝑔
∗
∗ (0.171)(𝑚) ∗
∗ 0.0022
= 14.967 (𝑝𝑠𝑖)
3
𝑚𝑙 0.061 𝑝𝑢𝑙𝑔
𝑚
𝑔
= 1.018 (𝑎𝑡𝑚)
𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 14.7 (𝑝𝑠𝑖) + 1.08
Por tema de seguridad se trabaja se sobredimensiona la presión del proceso en un 10%, quedando la
siguiente presión de operación.
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 1.1 ∗ 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 16.464 (𝑃𝑠𝑖) = 1.12 (𝑎𝑡𝑚)
Descripción del tipo de material a utilizar en la fabricación del tanque. Para el diseño del tanque se utiliza
chapa de acero inoxidable 18% Cr, 8% Ni. Con un contenido en carbono menor al 0,04% (gran soldabilidad
con eficiencia de la junta “E” examinada por zonas), que en el código ASME viene especificada como SA240, (316). Según las condiciones descritas y empleando la tabla para la determinación de la eficacia de
la soldadura en función del tipo de junta).
E=0.85
Según la tabla de propiedades de los materiales de acero inoxidable, para temperaturas dentro del
intervalo (-20 a 100 º F), resulta un valor máximo de esfuerzo permitido (Tabla para el cálculo de valores
máximos de esfuerzos permitidos):
S=18800 (lb/pulg2)
De acuerdo con todos los valores obtenidos en los cálculos anteriores y reemplazándolo en la ecuación
de los espesores, se obtienen los siguientes valores para cada zona de nuestro fermentador.
𝑡𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 =
𝑡𝑐𝑜𝑛𝑜 = 16.464 ∗
0.124
)
2
+ 0.125 = 0.125(𝑝𝑢𝑙𝑔) = 3.177(𝑚𝑚)
18800 ∗ 0.85 − 0.6 ∗ 16.464
16.464 ∗ (
0.124
+ 0.125 = 0.125(𝑝𝑢𝑙𝑔) = 3.177(𝑚𝑚)
2 ∗ 𝐶𝑜𝑠(30) ∗ 18800 ∗ 0.85 − 0.6 ∗ 16.464
𝑡𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑜𝑖𝑑𝑒 =
16.464 ∗ 0.124
+ 0.125 = 0.125(𝑝𝑢𝑙𝑔) = 3.177(𝑚𝑚)
2 ∗ 18800 ∗ 0.85 − 0.2 ∗ 16.464
Selección de la potencia del mezclador
Para poder determinar la potencia que utilizara nuestro mezclador, en primer lugar, es necesario conocer
las características físicas del alginato de calcio.
Este compuesto presenta una viscosidad promedio de 400 (cp) a temperatura ambiente [73] y se
encontrara mezclado con agua y levadura, ocupando un volumen final de 2 litros que es igual a 0.52 (gal).
49
Conociendo estos datos podemos determinar las revoluciones por minuto (rpm) y el tipo de aleta a utilizar
para nuestro mezclador. A continuación, se presenta el gráfico utilizado para determinar los factores
mencionados anteriormente.
Figura 3. Gráfico de viscosidad vs volumen para determinar tipo de aleta y rpm [74].
De acuerdo con el gráfico al gráfico anterior, se puede mencionar que debido a que el volumen con el
que se trabaja en nuestro mezclador es demasiado pequeño, este no aparece, por lo tanto, se decidió
trabajar con una turbina hélice de 1750 rpm.
Para continuar con nuestros cálculos, se hace necesario conocer el diámetro de la turbina, en donde
esta fue calculada a partir de los datos que aparecen en la siguiente tabla.
50
Figura 4. Proporciones geométricas de un sistema de agitación estándar [75].
Figura 5. Diagrama de turbina con agitación estándar
[75].
Dónde:
DT: Diámetro del tanque
H: Altura del líquido
DA: Diámetro del agitador
B: Ancho de la placa deflectora
E: Distancia del fondo del tanque hasta rodete
S: Separación entre agitador
W: Ancho de las aspas de la turbina o agitador de paletas.
Como se conoce el diámetro de nuestro tanque, se decidió por utilizar la relación entre diámetro del
agitador con el diámetro del tanque que aparece en la figura (4). Se obtuvo un valor de 0.031 (m) para el
diámetro del agitador (DA).
Para continuar con los cálculos para la potencia del agitador, se hace necesario calcular el número de
Reynolds por medio de la siguiente ecuación [75].
51
𝑅𝑒 = 𝐷𝐴 2 ∗ 𝑁𝑃 /𝜇
Reemplazando los valores calculados anteriormente se obtiene lo siguiente.
𝑅𝑒 = (0.031
(𝑚))2
𝑟𝑒𝑣
1𝑚𝑖𝑛
∗ 1750 (
)∗
∗ 1000
min
60 𝑠
𝑘𝑔
𝑚3
= 70.073
𝑘𝑔
0.4 (
)
𝑚∗𝑠
Re<10 es régimen laminar
10<Re<10000 es régimen de transición
Re>10000 es régimen turbulento
Para continuar, se hace necesario poder calcular el número de potencia. Para realizar estos cálculos se
utilizó el gráfico que se muestra a continuación que permite relacionar el número de potencia con el número
de Reynolds y el tipo de aletas a utilizar.
Figura 6. Número de potencia contra número de Reynolds para diferentes tipos de
turbinas [76].
52
Se decidió por utilizar la curva dos y hacerla chocar con el valor del número de Reynolds que fue de 70,
obteniendo de esta manera un numero de potencia igual a 4.
Al haber obtenido el número de potencia, se procede finalmente a calcular la potencia requerida por el
agitador y por el motor, a través de las siguientes ecuaciones [76].
𝑃 = 𝑁𝑃 ∗ 𝐷𝐴5 ∗ 𝑁 3 ∗ 𝑝
𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝑃/0.8
Donde:
Np: Número de potencia
DA: Diámetro agitador
N: Revoluciones por minuto
p: Densidad
P: Potencia
Reemplazando todos los valores, se obtiene finalmente la potencia del agitador y la potencia del motor
requerido.
𝑃 = 4 ∗ 0.0315 ∗ 1000 ∗ (
𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 =
1750 3
) = 2.83 (𝑊)
60
2.83
= 3.53 (𝑊)
0.8
53
Anexo 15. Costo de materia prima en insumos lagunilla
Figura 1. Costo de diferentes tipos de malta "insumos lagunilla".
54
Figura 2. Costo de distintos tipos de lúpulos "insumos lagunilla".
55
Anexo 16. Cálculo por método del valor presente y CAUE para selección de
alternativa, y determinación de su rentabilidad”.
Las ecuaciones usadas para los cálculos se encuentran a continuación.
𝑃 =𝐴∗(
(1 + 𝑖)𝑛 − 1
)
𝑖 ∗ (1 + 𝑖)𝑛
𝐹 = 𝑃(1 + 𝑖)𝑛
Donde:
P=Presente
A=Anualidad
n= año de análisis
i= interés
F= valor futuro
Cálculo para valor presente
A continuación, se presentan los cálculos para determinar el Valor presente (VP), tanto para el proceso
con levadura inmovilizada como proceso tradicional.
Proceso con levadura inmovilizada
Para comenzar con los cálculos es necesario llevar todos los valores a valor presente, es decir, serán
llevados a valor presente los costos de operación y los ingresos que son anuales y el valor de salvamento
que se encuentra en el año 10.
((1 + 0.15)10 − 1)
((1 + 0.15)10 − 1)
3306
+
80083.846
∗
+ 196076.473 −
10
10
(1
)
(0.15 ∗ (1 + 0.15) )
(0.15 ∗ − 0.15)
(1 + 0.15)10
= 334261.344 (𝑈𝑆$)
𝑉𝑃 = −52324.856 ∗
Proceso con levadura libre
Los cálculos se realizan de manera análoga
56
((1 + 0.15)10 − 1)
((1 + 0.15)10 − 1)
3306
−
52324.856
∗
+ 185024.167 −
10
10
(0.15 ∗ (1 + 0.15) )
(0.15 ∗ (1 − 0.15) )
(1 + 0.15)10
= 324567 (𝑈𝑆$)
𝑉𝑃 = 80345.891 ∗
Cálculo para CAUE
Para comenzar, se hace necesario llevar tanto el valor de salvamento como el costo inicial a valor anual
para luego sumarlo y restarlo con los costos e ingresos respectivamente.
Proceso con levadura inmovilizada
Llevando el costo inicial y valor de salvamento a valor anual, se obtiene:
𝐴 = 196076.473 ∗
(0.15 ∗ (1 + 0.15)10 )
(0.15 ∗ (1 + 0.15)10 )
− 3306.517 ∗
= 38409.8
10
(1 + 0.15) − 1)
(1 + 0.15)10 − 1)
Llevando todo a valor anual (CAUE)
𝐶𝐴𝑈𝐸 = 38409.8 − 52324.856 + 80083.847 = 66168.8 (𝑈𝑆$)
Proceso con levadura libre
El proceso se realiza de manera análoga, por lo tanto, el cálculo del valor anual se encuentra a
continuación.
𝐴 = 185024.167 ∗
(0.15 ∗ (1 + 0.15)10 )
(0.15 ∗ (1 + 0.15)10 )
−
3120.137
∗
= 36244.8 (𝑈𝑆$)
(1 + 0.15)10 − 1)
(1 + 0.15)10 − 1)
Calculando el valor anual (CAUE), se obtiene.
𝐶𝐴𝑈𝐸 = 36244.8 − 52324.857 + 80345.891 = 64364.8 (𝑈𝑆$)
Determinación de rentabilidad
A continuación, se presenta el flujo de caja neta para la determinación de la rentabilidad para el proceso
con levadura libre e inmovilizada.
57
Flujo de caja neto para levadura libre
Año
Ingreso
Gasto de operación
Utilidad operacional
Depreción
Perdida ejercicio anterior
Ingresos gravables
Impuesto
Utilidad despues del impuesto
Depreción
Perdida ejercicio anterior
Valor de salvamento
Inversión
Capital de trabajo
Flujo de caja neto
0
1
-1
(=)
-1
-1
(=)
-1
(=)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565
-80345.8914 -80345.8914 -80345.8914 -80345.8914 -80345.8914 -80345.8914 -80345.8914 -80345.8914 -80345.8914 -80345.8914
-28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349
-2808.12395 -2808.12395 -2808.12395 -2808.12395 -2808.12395 -2808.12395 -2808.12395 -2808.12395 -2808.12395 -2808.12395
-30829.1588 -61658.3177 -92487.4765 -123316.635 -154145.794 -184974.953 -215804.112 -246633.271 -277462.43
-30829.1588 -61658.3177 -92487.4765 -123316.635 -154145.794 -184974.953 -215804.112 -246633.271 -277462.43 -308291.588
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-30829.1588 -61658.3177 -92487.4765 -123316.635 -154145.794 -184974.953 -215804.112 -246633.271 -277462.43 -308291.588
2808.12395 2808.12395 2808.12395 2808.12395 2808.12395 2808.12395 2808.12395 2808.12395 2808.12395 2808.12395
30829.1588 61658.3177 92487.4765 123316.635 154145.794 184974.953 215804.112 246633.271 277462.43
3120.13772
1
1
1
-1 -185024.167
1
27769.2257
-185024.167 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 -28021.0349 2868.32852
(=)
Figura 2. Flujo de caja neto para levadura libre.
Flujo de caja neto para levadura inmovilizada
Año
Ingreso
Gasto de operación
Utilidad operacional
Depreción
Perdida ejercicio anterior
Ingresos gravables
Impuesto
Utilidad despues del impuesto
Depreción
Perdida ejercicio anterior
Valor de salvamento
Inversión
Capital de trabajo
Flujo de caja neto
0
1
-1
(=)
-1
-1
(=)
-1
(=)
(=)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565 52324.8565
-80083.847 -80083.847 -80083.847 -80083.847 -80083.847 -80083.847 -80083.847 -80083.847 -80083.847 -80083.847
-27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904
-2975.86553 -2975.86553 -2975.86553 -2975.86553 -2975.86553 -2975.86553 -2975.86553 -2975.86553 -2975.86553 -2975.86553
-30734.8559 -61469.7119 -92204.5678 -122939.424 -153674.28 -184409.136 -215143.992 -245878.848 -276613.703
-30734.8559 -61469.7119 -92204.5678 -122939.424 -153674.28 -184409.136 -215143.992 -245878.848 -276613.703 -307348.559
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-30734.8559 -61469.7119 -92204.5678 -122939.424 -153674.28 -184409.136 -215143.992 -245878.848 -276613.703 -307348.559
2975.86553 2975.86553 2975.86553 2975.86553 2975.86553 2975.86553 2975.86553 2975.86553 2975.86553 2975.86553
30734.8559 61469.7119 92204.5678 122939.424 153674.28 184409.136 215143.992 245878.848 276613.703
3306.51725
1
1
1
-1 -196076.473
1
29428.0036
-196076.473 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 -27758.9904 4975.5304
Figura 3. Flujo de caja neta para levadura inmovilizada.
58
Anexo 17. Tabla para cálculo de los valores máximos de esfuerzos permitidos
Figura 1. Propiedades de los materiales de acero inoxidable.
59
Anexo 18. Tabla para la determinación den la eficacia de la soldadura en función
del tipo de junta
Figura 1. Determinación de la eficacia de la soldadura en función del tipo de junta.
60
Anexo 19. Solubilidad del CO2 en cerveza
Figura 1. Solubilidad de CO2 en cerveza [77].
61
62