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Daniel Bello, Roxana García, Miguel A. Otero, Gustavo Saura

Fermentación alcohólica con jugo de caña mezclado en Heriberto Duquesne

ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar, vol. XXXIX, núm. 2, mayo-agosto, 2005, pp. 29-34,

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar

Cuba

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ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de

Azúcar,

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revista@icidca.edu.cu

Instituto Cubano de Investigaciones de los

Derivados de la Caña de Azúcar

Cuba

www.redalyc.orgProyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

ICIDCA No. 2, 2005 29

Daniel Bello; Roxana García; Miguel A. Otero, Gustavo Saura

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA)e.mail: miguel.otero@icidca.edu.cu

RESUMEN

Se evaluaron dos cepas industriales de Saccharomyces cerevisiae en la producción deetanol a partir de jugos en la Empresa Mielera Heriberto Duquesne de la provincia deVilla Clara. La cepa Turbo, de procedencia sueca y desarrollada con propósitos específi-cos de producción de etanol, alcanzó una concentración de etanol en el medio fermen-tado 36 % superior a la Collico de propósitos panaderos, en presencia de 0.1 g/L de fos-fato y sulfato diamónico. En ausencia de las sales, estas concentraciones se redujeron en71 y 52 %, respectivamente.

Palabras clave: Saccahromyces cerevisiae, etanol, fermentación alcohólica, levadurapanadera

ABSTRACT

Two industrial strains of Saccharomyces cerevisiae were evaluated in ethanol productionfrom sugar cane juices in the Molasses enterprise Heriberto Duquesne in Villa Clara pro-vince. Turbo yeast strain from Sweden and specially developed for ethanol production,reached an ethano concentration in fermented broth a 36 % higher than that obtained byCollico strain for bakery in presence of 0.1 g/L of diamonic phosphate and sulphate. Insalt absence the yield were reduced in 71 and 52 % respectively.

Key words: Saccahromyces cerevisiae, ethanol, etanol fermentation, baker`s yeast

INTRODUCCIÓN

La industria cubana de alcohol ha sidototalmente dependiente de las fábricas deazúcar para obtener su materia prima fun-damental: las mieles finales de caña. Éste esun aspecto de importancia con relación a laproducción de alcohol. Hasta el presente noha habido un impulso empresarial alempleo de sustratos diferentes de las mie-les. Sin embargo, con el presente escenariode la producción azucarera y de etanol enCuba, la necesidad de acudir a otros sustra-tos ha devenido imprescindible para cum-plimentar la demanda creciente del com-bustible y anticipar la ya real escasez demieles finales como materia prima (2).Dejando a un lado la producción de etanol apartir del etileno, existen en la actualidadtres grupos de materias primas: • Remolacha, caña de azúcar, sorgo dulce y

frutas (7, 11)• Materiales amiláceos tales como maíz,

millo, trigo, arroz, patatas, yuca, boniato,etc. (3, 4, 5, 6), y

• Materiales celulósicos como: madera,papel reciclado, residuos de cosecha, etc(1, 4, 9, 10).

No obstante, la producción de etanol delignocelulósicos aún no existe a escalacomercial.

En vista de lo anterior, el empleo de can-tidades equivalentes de jugo de caña, espe-cialmente jugos secundarios, directamentepara la fermentación y producción de eta-nol, parece ser la más económica y revalori-zadora de las alternativas para las fábricasde azúcar (8). El jugo secundario poseemenos azúcar y arrastra impurezas. Estorequiere cantidades sustanciales de vaporpara la evaporación e induce mayores car-gas durante la refinación. Si se deriva estejugo secundario a la producción de etanol,esto ayudaría la operación del ingenio en:• Reducir la carga de evaporación de este

jugo diluido, reduciendo al mismo tiempoel consumo de vapor

• Producción de azúcar de mayor calidad alutilizar los jugos secundarios para la pro-ducción de etanol y,

• Generación de valores adicionales en tér-minos de producción y venta de etanol

Por medio de esto, cada ingenio azucare-ro será capaz de cumplimentar sus deman-das de producción de azúcar a partir de los

jugos primarios y producir alcohol simultá-neamente a partir de los jugos secundariosdurante la campaña de molida.

El objetivo del presente trabajo es inves-tigar a escala industrial, la posibilidad defermentar jugos secundarios en la EmpresaMielera “Heriberto Duquesne”, con la finali-dad de su posterior introducción comercial.

MATERIALES Y MÉTODOS

MicroorganismoFueron evaluadas dos cepas de levadu-

ra Saccharomyces cerevisiae seca activascomerciales, a saber: Turbo yeast, produc-tora de etanol y Collico, de panificación,de procedencia chilena. La primera sumi-nistrada por Quimizuk SA, en tanto lasegunda fue adquirida en el mercadonacional.

PropagaciónAmbas cepas fueron propagadas en un

fermentador de 2 L Biotec a temperaturaentre 30 y 32 °C. El pH fue controlado entre3.5 y 3.8 por medio de la combinación desales nutrientes (1.68 g/L de fosfato diamóni-co, 0.76 g/L de urea y 1.59 g/L de sulfato dia-mónico). El flujo aire fue mantenido a 1 vvmy la agitación en 450 rpm. Se efectuó, igual-mente, una propagación a escala de 30 L uti-lizada para la siembra del primer pre-fer-mentador de la destilería. En las propaga-ciones a escala de 2 L se determinó cadahora la materia seca gravimétrica y el con-teo celular cada 2 horas para estudiar lacinética de crecimiento. En todos los casos,la propagación se efectuó con concentra-ción de azúcares reductores totales (ART)de 30 g/L.

Fermentación alcohólicaLa levadura propagada aeróbicamente

fue utilizada para inocular frascos de 1 Lcon 300 mL de medio de fermentación com-puesto por diferentes variantes de sustrato:• Jugo de los filtros (JF), jugos diluidos (JD) y

miel final en relación de 75 % de los azúca-res aportados por los jugos (60 % JD y 40 %JF) y 25 % por la miel final. Adición desales nutrientes (fosfato y sulfato de amonioen concentraciones de 0.1 g/L).•Condiciones idénticas a las anteriorespero sin adición de sales

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Las muestras fueron dejadas estáticas atemperatura ambiente (30 °C) por 20 horas.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los ajustes de los medios de fermenta-ción empleados en todos los experimentosse llevaron a cabo a partir de los datos decomposición de los jugos y la miel final deldía. Las tablas 1 y 2 muestran el resumen delos análisis disponibles de ambos sustratos.

La fermentación de jugos de caña es unproceso establecido en las destilerías deBrasil desde hace años como parte de suprograma nacional de alcohol. Sin embargo,en nuestro país solamente se han realizadopruebas a escala de laboratorio y en condi-ciones lejanas a las de una destilería típica.La figura 1 muestra el esquema previstopara la realización de la prueba industrialde fermentación de jugos en la destilería dela Empresa Azucarera “HeribertoDuquesne”, sita en el municipio deRemedios en la provincia de Villa Clara. Eljugo de la desmenuzadora (primer molino)se destina íntegramente a la producción deazúcar, en tanto los jugos de los molinos 2,3 y 4, mezclados con los jugos de los filtrosde cachaza se emplearán en la fermentación

alcohólica. Es de destacar, que en todos loscasos, la levadura en los pre-fermentadoresfue propagada con miel final exclusivamen-te.

Antes de enfrentar la fermentación alco-hólica es preciso estudiar las potencialida-des de propagación de las cepas candidatasa su introducción en la fábrica. La etapa depropagación reviste vital importancia puesde ella depende el estado fisiológico delmicroorganismo y las posibilidades de una

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Tabla 1. Composición de las mieles finales tributadas a la destilería de la EA “Heriberto Duquesne” entre los días 23 y 28 de febrero del 2005

23-02 24-02 25-02 26-02 27-02 28-02 MEDIA Densidad 1.410 1.415 1.412 1.413 1.456 1.450 1.426 ± 0.017 Brix 80.00 80.60 80.14 80.28 86.66 86.0 82.33 ± 2.58 pH 6.1 5.9 5.7 5.8 5.7 5.7 5.82 ± 0.13 Lodos 4.80 6.74 10.34 7.90 7.44 7.00 7.37 ± 1.44 RLibres 15.10 13.16 17.21 17.17 17.12 15.02 15.80 ± 1.32 RTotales 61.69 61.76 61.77 61.21 61.36 56.15 60.66 ± 1.78 Sacarosa 44.26 46.18 42.32 41.84 42.03 39.08 42.62 ± 1.92 AzTot 59.36 59.33 59,54 59.01 59.14 54.09 58.41 ± 1.70 AzFerm 58.79 58.68 58.68 58.13 58.28 53.61 57.70 ± 1.62 RInferm 2.9 3.1 3.1 3.1 3.1 2.5 2.96 ± 0.17

Tabla 2. Composición de jugos de la EA Heriberto Duquesne durante la zafra 2003-2004

JUGO °BRIX POL PUREZA LODOS, %* Desmenuzadora 19.66 16.99 86.36 ND Jugo Mezclado molinos 2,3,4 14.85 12.71 85.73 9.80 Jugo Mezclado filtros 14.72 12.56 85.34 8.72 Filtros 13.63 11.53 80.95 18.30

*determinados para el presente informe

Figura 1. Esquemas de producción de jugos parala fermentación alcohólica en la destilería de laEA “Heriberto Duquesne”

fermentación eficiente, en un proceso noaséptico.

La tasa máxima de crecimiento (µmax)de una población microbiana en un mediode composición dada, caracteriza a esapoblación desde el punto de vista cinético.Las dos cepas en estudio fueron propagadasaeróbicamente sobre un medio compuestoexclusivamente por miel final de caña ysales nutrientes. La figura 2 muestra el com-portamiento de la cepa alcoholera turbo dela especie Saccharomyces cerevisiae. Bajolas condiciones establecidas, es de esperarla formación de etanol por desviación delmetabolismo producto del efecto Pasteurtípico de este género. Un patrón similar seobtuvo con la levadura panadera seca activaCollico, como puede observarse en la figura3. Se observa de la comparación de ambasfiguras, una pendiente mayor en el caso deTurbo lo que sugiere una mayor tasa de cre-cimiento en esta cepa. La determinacióngráfica de la µmax en ambos casos, eviden-ció diferencias significativas entre ambascepas, obteniéndose 0.28 h-1 y 0.14 h-1 paraTurbo y Collico, respectivamente. Los valo-res de rendimiento biomasa-sustrato (Yx/s)no mostraron, sin embargo, diferenciasentre ambas, obteniéndose valores en elentorno de 0.21 en los dos casos. Los valo-res obtenidos de µmax no corresponden a larealidad de las cepas en cuestión, por serutilizado parte del sustrato en el crecimien-to anaeróbico, mucho menos eficiente quela respiración. Es preciso estudiar la propa-gación en concentraciones de azúcar másbajas para evitar el desvío del metabolismo.

Se ensayó la influencia del nutrienteQZ-350 sobre esta etapa, con el objetivo depotenciar el estado fisiológico del inóculo.La figura 4 muestra el comportamiento de lalevadura Turbo en presencia de éste. Elincremento de la concentración celular esde sólo 6 %, sin embargo, la µmax aumentahasta 0.31 h-1, 11 % superior al de la cepasin nutriente. Cuando se incrementó la con-centración de nutriente hasta 0.05 g/L, laconcentración superó 6.5 g/L y el conteocelular se elevó hasta 2.47 x 108.

Fermentación de jugosA partir de los experimentos de propaga-

ción de las dos cepas en estudio, se prepara-

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Figura 2. Curvas de crecimiento y multiplica-ción de Saccharomyces cerevisiae Turbo en mielfinal de caña. Composición del medio: ART =30 g/L, temperatura = 30-32 °C, pH = 3.5-4.0,aire = 1 VVM/450 rpm

Figura 3. Curvas de crecimiento y multiplica-ción de Saccharomyces cerevisiae Collico enmiel final de caña. Composición del medio: ART= 30 g/L, temperatura = 30-32 °C, pH = 3.5-4.0,aire = 1 VVM/450 rpm

Figura 4. Curvas de crecimiento y multiplica-ción de Saccharomyces cerevisiae Turbo en mielfinal de caña suplementada con 0.03 Kg/m3 deQZ-350. Composición del medio: ART = 30 g/L,temperatura = 30-32 °C, pH = 3.5-4.0, aire = 1VVM/450 rpm

ron frascos de 1 L con 300 mL de medio con-formado por 45 % de jugo mezclado, 30 %de jugo de filtros y 25 % de miel final decaña. Los medios fueron suplementados consulfato y fosfato de amonio en concentracio-nes de 0.01 g/L con el objetivo de estudiar lainfluencia de la adición de sales en la etapade fermentación. La tabla 3 muestra losresultados obtenidos.

La comparación entre ambas cepas mos-tró diferencias significativas a favor deturbo yeast para α ≤ 0.05, tanto en la versióncon sales como sin ellas. Es importante des-tacar que esta levadura es específica para lafermentación alcohólica no así la Collicoque es una levadura de panificación. Conrelación a la adición de sales como tal, semanifestaron también diferencias significa-tivas a favor de su uso, cualquiera sea lalevadura utilizada. En la actualidad la desti-lería de la Empresa Azucarera “H.Duquesne”, adiciona sales en la etapa defermentación. Otro aspecto a favor del uso,es el mayor agotamiento del sustrato, lo quetiene importancia no sólo económica alinducir un mayor agotamiento del sustrato,sino también ecológica por disponer vina-zas de menor grado de contaminación.

Una vez demostrado el efecto positivo dela adición de sales y la superioridad de lacepa Turbo con relación a la Collico, se pro-cedió a su propagación a escala de fábrica, enla búsqueda de su adaptación a la escalaindustrial en las condiciones de producciónestablecidas en la destilería. A estos efectos,se preparó un tanque con 30 L de medio alque se le proveyó de aireación y se inoculócon el contenido total del fermentador de 2 Lpara una relación de inoculación de 1:15.

Para asegurar un estado fisiológico ópti-mo del microorganismo, se adicionó almedio 0.05 g/L de estimulador de creci-miento QZ-350, ligeramente superior alutilizado en los experimentos previos,además de las correspondientes sales deforma que la fuente de carbono fuese elsustrato limitante. La propagación fue lle-vada a cabo por 9 horas, alcanzándoseuna concentración celular de 247 millo-nes/mL correspondientes a una materiaseca de 6.5 g/L.

El contenido íntegro del tanque fue utili-zado en la siembra del pre-fermentador 1 dela fábrica sobre un lecho de 600 L de mediode miel final a 7 °bx y las sales nutrientesnecesarias para la propagación. La tabla 4muestra el comportamiento del pre-fermen-tador de 12 m3.

A partir del completamiento del pre-fermentador 1, se extrajeron 2/5 partes delmismo para inocular el pre-fermentador 2y se adicionó medio fresco hasta completarla propagación. El pre-fermentador 2 porsu parte, siguió el mismo esquema conrelación al pre-fermentador 3. Una vez ter-minada la propagación en el 1, se inoculóel fermentador industrial de 100 m3 No. 6para comenzar la fermentación alcohólicaa escala industrial. En el marco de 24horas, la sala de fermentación estaba ocu-pada completamente por la nueva cepaTurbo yeast.

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Tabla 3. Fermentación de mezclas de jugo y miel con las cepas Turbo y Collico en presencia de sales nutrientes.

Condiciones Etanol %

ART inic, g/L

ART fin, g/L

Yp/s, %

Turbo yeast Con sales 6.84 131 18 60.49 ± 2.87

Sin sales 4.00 131 50 49.38 ± 2.43

Collico Con sales 5.02 131 13 42.54 ± 0.33

Sin sales 3.29 131 35 34.27 ± 0.21

Tabla 4. Comportamiento del prefermentador 1 de la EA “H. Duquesne” inoculado con la levadura Turbo sobre miel final de caña.

HORA °BRIX TEMPERATURA, °C 11:20 13.11 28 13:20 13.11 28 15:20 13.11 28 17:20 13.11 28 19:20 13.16 28 21:20 12.56 29 23:20 11.76 29 01:20 9.71 29 03:20 7.63* 31 05:20 13.03 34 07:20 11.00 32 09:20 9.96 33

*elevación del volumen de propagación a 12 m3

Composición del alcohol destilado a escalade laboratorio e industrial

El etanol producido a escala de laborato-rio a partir de la mezcla de sustratos en pre-sencia de sales, fue destilado y analizado ensu composición. La tabla 5 ofrece los resul-tados obtenidos.

CONCLUSIONES

La utilización de jugos secundarios de lafábrica de azúcar en mezclas con pequeñascantidades de miel de caña permite el incre-mento de la concentración de etanol en labatición fermentada.

El empleo de cepas de levadura produc-toras específicas de etanol, influye positiva-mente en la concentración alcohólica delmedio.

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Tabla 5 Composición de etanol destilado a partir de la fermentación mezcla de sustratos y por la levadura Turbo yeast ANÁLISIS FERMENTACIÓN 1* FERMENTACIÓN 2** FERMENTACIÓN 3*** Grado 8.6 14.3 ND Acetaldehído, g/100 l 26.95 23.44 0.74 Acetato de etilo, g/100 l 20.61 27.77 3.98 Propanol, g/100 l 11.02 19.13 1.97*** Isobutanol, g/100 l 28.33 23.52 2.12*** Isoamílico, g/100 l 103.17 59.57 8.48***

*fermentación a escala de laboratorio; ** fermentación industrial; *** expresado en g/l