evaluaciÓn de la fermentaciÓn de mezclas de suero lÁctico y melaza para la obtenciÓn de etanol
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Seminario I, Centro Universitario Del Sur.Escuintla, Guatemala.TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA CENTRO UNIVERSITARIO DEL SUR
ESCUINTLA
INFORME FINAL SEMINARIO I
EVALUACIÓN DE LA FERMENTACIÓN DE MEZCLAS DE SUERO LÁCTICO Y MELAZA
PARA LA OBTENCIÓN DE ETANOL
TÉCNICO EN PROCESOS AGROINDUSTRIALES
SELVYN RENÉ CUÁ GONZÁLEZ, 200740209
ESCUINTLA, NOVIEMBRE DE 2009
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA CENTRO UNIVERSITARIO DEL SUR
ESCUINTLA
INFORME FINAL SEMINARIO I
“EVALUACIÓN DE LA FERMENTACIÓN DE MEZCLAS DE SUERO LÁCTICO Y MELAZA
PARA LA OBTENCIÓN DE ETANOL” ESTUDIANTE: SELVYN RENÉ CUÁ GONZÁLEZ CARNÉ: 200740209 ASIGNATURA: SEMINARIO I CARRERA: TÉCNICO EN PROCESOS AGROINDUSTRIALES DOCENTE: Lic. MAURICIO GODÍNEZ. ASESOR ESPECÍFICO: ING. OSMÍN GALEANO.
ESCUINTLA, NOVIEMBRE DE 2009
i
EVALUACIÓN DE LA FERMENTACIÓN DE MEZCLAS DE SUERO LÁCTICO Y MELAZA
PARA LA OBTENCIÓN DE ETANOL
ii
DEDICATORIA
A DIOS: Nuestro Todopoderoso Creador y guía en mi camino. Que nos ayuda día con día a seguir adelante, por estar conmigo en las alegrías como en los momentos difíciles, también por su amor, cariño y apoyo incondicional para todos y cada uno de nosotros.
A MIS PADRES: Judith González Rossil y René Enrique Cuá; por su cariño, ayuda y consejos brindados a lo largo de mi vida los cuales me han convertido en quién soy, además de su apoyo tanto moral como económico.
A MI HERMANO Y PRIMOS: Saúl, Carol, Melkiz y David; por su apoyo y confianza en mí.
A MIS COMPAÑEROS Y AMIGOS: Kenny, Romelia, Jorge, Miguel, Lílian, Hugo y Julio; quienes siempre han creído en mí y siempre están conmigo, aún en las adversidades.
iii
AGRADECIMIENTOS:
A MI ASESOR: Ing. Osmín Galeano por brindarme parte de su tiempo y conocimiento para la culminación de esta investigación.
AL DOCENTE DEL CURSO: Lic. Mauricio Godínez, por su incondicional apoyo tanto durante la investigación como fuera de ella.
AL COORDINADOR DE LA CARRERA: Ing. Hugo Montenegro, por su ayuda, conocimiento, tiempo y apoyo para la realización de la presente.
A LOS INGENIEROS: Walter Ortiz, Otto Alvarado, Henry Peña, Jorge Sánchez y Hugo Taracena por todo el apoyo brindado.
A MIS AMIGOS: Kenny Pereira, Romelia Villeda, Lílian González y Hugo Mancilla por su gran y amable ayuda brindada pues sin ellos no hubiese sido posible la realización de la presente; Julio Guzmán, Sergio Gómez y Carlos Humberto por su apoyo incondicional para la culminación de la misma.
Y ESPECIALMENTE A: T.U. Vivian Z. Milián Alonzo y T.U. Neida Noriega, por su gran y enorme apoyo brindado durante la elaboración de la investigación.
iv
RESUMEN
La presente investigación, tuvo como finalidad principal demostrar la posible
utilización de lactosuero como materia prima en la obtención de etanol, además de
comparar los resultados obtenidos con las adiciones de melaza en tres distintas
concentraciones y de esta manera observar el comportamiento del experimento.
Dicha investigación, se realizó en el Centro Universitario del Sur y consistió
básicamente en la fermentación de mezclas de suero láctico y melaza en distintas
concentraciones (90:10, 80:20 y 70:30), durante un periodo de 192 horas.
Estas condiciones, dejaron en evidencia que a mayor porcentaje de melaza, existía
un mayor porcentaje de etanol, ya que los resultados obtenidos fueron; 4%, 7% y
9.54%, este último fue obtenido de la mezcla de suero láctico y melaza con la
concentración 70:30 respectivamente, resultado que muestra la existencia de una
diferencia significativa en la obtención de etanol con la adición de melaza.
v
ÍNDICE GENERAL
CONTENIDO PÁGINA I INTRODUCCIÓN…………………………………………………..... .…………1
II JUSTIFICACIÓN…………………………………………………….. .…………2
III MARCO TEÓRICO………………………………………………….. …..……..3
3.1. Obtención de etanol a partir de lactosuero……………………….. .…………3
3.2. Suero láctico…………………………………………………………. ….………3
3.2.1. Composición…………………………………………………………. .…………4
3.2.2. Los nutrientes del suero de leche…………………………………. .…………4
3.2.2.1. Lactosa o azúcar de la leche………………………………………. .…………4
3.3. Fermentación………………………………………………………… ….………5
3.3.1. Usos de la fermentación……………………………………………. .…………5
3.3.2. Fermentación láctica………………………………………………... ….………6
3.4. Etanol……………………………………………………………….... .…………6
3.4.1. Síntesis……………………………………………………………….. .…………7
3.5. Etanol (como combustible)…………………………………….…… .…………7
3.6. Bioetanol……………………………………………………………… .………8
3.6.1. Materias primas para la obtención de etanol…………………….. .…………9
3.6.1.1. Sustancias con alto contenido de sacarosa...……………………. .…………9
3.6.1.2. Sustancias con alto contenido de almidón……………………….. .…………9
3.6.1.3. Sustancias con alto contenido de celulosa……………………….. .…………9
3.7. Melaza………………………………………………………………... ….……..10
3.7.1. Elaboración…………………………………………………………... ...………10
3.7.2. Utilización…………………………………………………………….. ….……..10
3.8. Levaduras……………………………………………………………. …...……11
3.8.1. Levadura (saccharomyces cerevisiae)……………………………. …...……12
3.9. Destilación………………………………………………………….... …...……13
3.9.1. Tipos de destilación…………………………………………………. ….……..13
3.9.2. Destilación simple………………………………………………….... …...……13
3.9.3. Identificación de las partes del esquema de destilación simple.. .………..14
3.9.4. Teoría de la destilación……………………………………………... .………..15
3.10. Centrifugación……………………………………………………….. .………..16
3.11. Filtración……………………………………………………………… .………..16
3.12. Cromatografía de gases……………………………………………. .………..17
IV OBJETIVOS………………………………………………………….. .………..18
4.1. General…………………………………………………………........ .………..18
4.2. Específicos…………………………………………………………… .………..18
V HIPÓTESIS…………………………………………………………... .………..19
5.1. Hipótesis científica………………………………………………...... .………..19
5.2. Hipótesis estadísticas………………………………………………. .………..19
vi
CONTENIDO
PÁGINA
VI METODOLOGÍA………………………………………………………………........ …...….20
6.1. Metodología experimental…………………………………………………........... .……...20
6.2. Localización…………………………………………………………………........... .……...20
6.3. Material de la investigación……………………………………………………….. .……...20
6.3.1.
Procedimiento para la fermentación de las mezclas de suero láctico y
melaza.……………………………………………………………………………… .……...20
6.4. Diseño experimental……………………………………………………………….. .……...21
6.5. Modelo estadístico…………………………………………………………………. .…..….21
6.5.1. Planteamiento de la hipótesis…………………………………………………….. .……...21
6.5.2. Distribución de los tratamientos…………………………………………………... .…..….21
VII PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS……………………........... .…..….22
7.1. Resultados de etanol en cada muestra………………………………………….. ………22
VIII CONCLUSIONES…………………………………………………………………... .……...23
IX RECOMENDACIONES……………………………………………………………. ………24
X BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………... …..….25
XI ANEXOS…………………………………………………………………………..... …..….27
11.1. Imágenes………………………………………………………………………........ .……...28
11.2. Esquematización del experimento………………………………………………... .……...28
11.3. Fotografías del proceso……………………………………………………………. ………29
11.4. Informe de análisis “porcentaje de etanol”………………………………………. ………31
ÍNDICE DE CUADROS CONTENIDO PÁGINA
Cuadro No. 1. Composición media de lactosuero en polvo…………………………………….... ………..4
Cuadro No. 2. Resultados……………………………………………………………………........... ………22
Cuadro No. 3. Análisis de varianza para el rendimiento de etanol obtenido…………………… ………22
ÍNDICE DE GRÁFICAS
CONTENIDO PÁGINA
Gráfica No. 1. Comportamiento del experimento………………………………………………... ………23
vii
ÍNDICE DE FIGURAS CONTENIDO PÁGINA
Imagen No. 1. Bioquímica de la fermentación alcohólica………….………………………….. ………25
Figura No. 1. Molécula de ácido láctico…………………………………………………………. ………..6
Figura No. 2. Molécula de Etanol………………………………………………………………… ………..7
Figura No. 3. Información en un surtidor en EE.UU.…………………………………………... ………..8
Figura No. 4. Corte de caña………………………………………………………………………. ………..8
Figura No. 5. Motor de un vehículo de combustible flexible.…………………………………. ………..9
Figura No. 6. Melaza…………………………………………………………………………........ ………10
Figura No. 7. Saccharomyces cerevisiae……………………………………………………….. ………12
Figura No. 8. Esquema de destilación simple……………………………………………......... ……...14
ÍNDICE DE TABLAS
CONTENIDO PÁGINA
Tabla No. 1. Tratamientos………………………………………………………………............ ..……..21
Tabla No. 2. Esquema del experimento……………………………………………………….. ..……..28
1
I. INTRODUCCIÓN
El proceso de elaboración de queso en sus distintas variedades da lugar
inevitablemente a la obtención de un alto volumen de suero láctico, el cual para
muchos aún es considerado como un subproducto.
Las propiedades químicas del lactosuero son muchas pero la más determinante para la
realización de la presente investigación, se refiere al contenido de azucares en él
(lactosa un disacárido compuesto por glucosa y galactosa, otros), los cuales como todo
carbohidrato, pueden fermentarse.
En forma breve la presente investigación consistió en evaluar los porcentajes en la
obtención de etanol a partir de la fermentación (realizada por una levadura
[Saccharomyces cerevisiae]) de mezclas de suero láctico con melaza en tres distintas
concentraciones 90:10, 80:20 y 70:30.
2
II. JUSTIFICACIÓN
El aprovechamiento de los productos residuales de la Agroindustria, resulta beneficioso
para cualquier industria, pues incluso en un segundo plano, se contribuye a la
disminución de desechos emitidos. Por lo tanto, el proceso de fermentación del suero
láctico para obtener etanol, podría contribuir a mejorar la situación competitiva y de
rentabilidad de los productores de queso, sustituyendo un costo y un problema
ambiental (lactosuero como subproducto) por un ingreso.
En el caso del lactosuero, se analizó la posibilidad de obtener etanol, elemento que
como se mencionaba anteriormente es de relevancia en la actualidad pues su uso
como combustible (mezclado con gasolina) lo ha posicionado entre los elementos de
importancia. Además debido a que muchos aún lo consideran un subproducto, la
obtención de esta materia prima es relativamente fácil.
Aunque, si bien es cierto el volumen de etanol obtenido no es mucho, se realizaron las
pruebas necesarias para demostrar si el porcentaje aumenta.
Para hacer más confiable el proceso de esta investigación, se evaluaron tres
tratamientos, esperando que aumentara el volumen de etanol y aprovechar así, de una
mejor manera, el suero láctico.
3
III. MARCO TEÓRICO
3.1. Obtención de etanol a partir de lactosuero
La lactosa presente en el lactosuero puede ser transformada por procesos
fermentativos en etanol9, el cual puede recuperarse con distintos grados de pureza
mediate procesos de destilación. A partir de los 37 metros cúbicos de lactosuero es
posible obtener un metro cúbico de etanol, 0,86 toneladas de dióxido de carbono para
bebidas carbonatadas y 35 metros cúbicos de agua.
El proceso consta de la fermentación del lactosuero, a través de microorganismos
fermentativos (Saccharomyces Cerevisiae, Kluyveromyces fragilis y otros), durante un
tiempo corto pero lo suficiente para que la fermentación se lleve a cabo con un alto
porcentaje de etanol, luego de este proceso el lactosuero, es filtrado, en algunos casos
es centrifugado con anterioridad, esto debido al tipo de filtración que se planea utilizar,
y por último el proceso de destilación, con el cual se termina obteniendo el etanol, a
distintos grados de pureza, esto depende de la eficacia del proceso realizado.
En Nueva Zelanda, Anchor Ethanol (Fonterra Cooperative Group) opera tres
destilerías que obtienen etanol a partir de lactosuero, mientras que en Irlanda, la
empresa Carbery también realiza el mismo producto.
3.2. Suero láctico
El suero de leche es el líquido remanente obtenido en el proceso de fabricación del
queso y de la caseína, después de la separación de la cuajada o fase micelar. Sus
características corresponden a un líquido fluido, de color verdoso amarillento, turbio, de
sabor fresco, débilmente dulce, de carácter ácido, con un contenido de nutrientes o
extracto seco del 5.5% al 7% provenientes de la leche.22
El lactosuero es vertido en grandes cantidades cada año, representando así un
importante problema medioambiental debido a su elevada carga orgánica, la cual en su
mayoría es aportada por el disacárido galactosa-glucosa (lactosa). De aquí que resulte
el interés de la utilización de dicho azúcar.
4
3.2.1. Composición:
Cuadro No. 1.
Composición media del lactosuero
PROPIEDAD LACTOSUERO DULCE
LACTOSUERO ÁCIDO
pH 6.4 - 6.6 4.4-4.6
Materia seca 69 66
Lactosa 51 42
Proteínas 6 – 7 6 – 7
Materia grasa 0.2 1
Materias minerales
4 – 5 7 – 8
Calcio 0.45 1.05
Fósforo 0.4 0.8
Ácido láctico 0 10
Fuente: Milk processing. (Food Proteins)2.
3.2.2. Los nutrientes del suero de leche
3.2.2.1. Lactosa o azúcar de leche
El suero de leche contiene hidratos de carbono en forma de lactosa o
azúcar de leche. La lactosa es un disacárido compuesto de una molécula de
glucosa y una molécula de galactosa. Cien gramos de suero de leche líquido
contienen 4,7 gr. de azúcar de leche.22
La lactosa es el componente principal del suero de leche y la que le
confiere sus propiedades más importantes.
Dado que el azúcar de leche como disacárido es fácilmente asimilable por
el organismo, la lactosa constituye una buena fuente de energía. A ello hay
que añadir otras ventajas.
5
3.3. Fermentación
La fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleta, totalmente
anaeróbico, siendo el producto final un compuesto orgánico. Estos productos finales
son los que caracterizan los diversos tipos de fermentaciones.5
Fue descubierta por Louis Pasteur, que la describió como la vie sans l´air (la vida
sin el aire). La fermentación típica es llevada a cabo por las levaduras. También
algunos metazoos y protistas son capaces de realizarla.17
Las fermentaciones pueden ser: naturales, cuando las condiciones ambientales
permiten la interacción de los microorganismos y los sustratos orgánicos
susceptibles; o artificiales, cuando el hombre propicia condiciones y el contacto
referido.4
Si se desea tener una mejor idea del proceso de fermentación, ver en los anexos
la imagen I. Proceso de fermentación alcohólica. Pág.28.
3.3.1. Usos de la fermentación
El beneficio industrial primario de la fermentación es la conversión del
mosto en vino, cebada en cerveza y carbohidratos en dióxido de carbono para
hacer pan.
La fermentación tiene algunos usos exclusivos para los alimentos. Puede
producir nutrientes importantes o eliminar anti-nutrientes. Los alimentos pueden
preservarse por fermentación, la fermentación hace uso de energía de los
alimentos y puede crear condiciones inadecuadas para organismos indeseables.
Por ejemplo, avinagrando el ácido producido por la bacteria dominante, inhibe el
crecimiento de todos los otros microorganismos.17
De acuerdo al tipo de fermentación, algunos productos (ej. alcohol fusel)
pueden ser dañinos para la salud.
6
3.3.2. Fermentación láctica
La fermentación láctica es un proceso celular anaeróbico donde se utiliza
glucosa para obtener energía y donde el producto de desecho es el ácido
láctico.16
Este proceso lo realizan muchas bacterias (llamadas bacterias lácticas),
hongos, algunos protozoos y en los tejidos animales; en efecto, la fermentación
láctica también se verifica en el tejido muscular cuando, a causa de una intensa
actividad motora, no se produce una aportación adecuada de oxígeno que
permita el desarrollo de la respiración aeróbica.16
Cuando el ácido láctico se acumula en las células musculares produce
síntomas asociados con la fatiga muscular.
Algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias de manera
que se ven obligadas a obtener energía por medio de la fermentación láctica; por
el contrario, el parénquima muere rápidamente ya que no fermentan, y su única
fuente de energía es la respiración.
Molécula de ácido láctico
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
3.4. Etanol
El compuesto químico etanol, conocido como alcohol etílico, es un alcohol que
se presenta como un líquido incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78°
C. Al mezclarse con agua en cualquier proporción, da una mezcla azeotrópica.15
7
Su fórmula química es CH3-CH2-OH, principal producto de las bebidas
alcohólicas como el vino (un 15% aproximadamente), la cerveza (5%) o licores
(hasta un 50%).
Molécula de etanol
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
3.4.1. Síntesis
El etanol es un líquido incoloro y volátil que está presente en diversas
bebidas fermentadas. Desde la antigüedad se obtenía el etanol por fermentación
anaeróbica de una disolución con contenido en azúcares con levadura y
posterior destilación.15
Dependiendo del género de bebida alcohólica que lo contenga, el etanol
aparece acompañado de distintos elementos químicos que lo dotan de color,
sabor, olor, entre otras características.
3.5. Etanol (como combustible)
El etanol es un compuesto químico que puede utilizarse como combustible, bien
solo, o bien mezclado en cantidades variadas con gasolina, y su uso se ha
extendido principalmente para reemplazar el consumo de derivados del petróleo. 15
El combustible resultante de la mezcla de etanol y gasolina se conoce como
gasohol o alconafta. Dos mezclas comunes son E10 y E85, con contenidos de
etanol del 10% y 85%, respectivamente.14
8
El etanol también se utiliza cada vez más como añadido para oxigenar la
gasolina estándar, reemplazando al éter metiltertbutílico (MTBE). Este último es
responsable de una considerable contaminación del suelo y del agua subterránea.
También puede utilizarse como combustible en las celdas de combustible.
Para la producción de etanol en el mundo se utiliza mayormente como fuente
biomasa. Este etanol es denominado, por su origen, bioetanol.
Información en un surtidor en E.U.A. Fuente: Etanol Como Combustible.
14
3.6. Bioetanol.
El etanol puede producirse a partir de un gran número de plantas, con una
variación, según el producto agrícola, del rendimiento entre el combustible
consumido y el generado en dicho proceso. 14
Corte de caña
Fuente: Bioetanol.14
Este etanol, conocido como bioetanol, está sujeto a una fuerte polémica: para
unos se perfila como un recurso energético potencialmente sostenible que puede
ofrecer ventajas medioambientales y económicas a largo plazo en contraposición a
9
los combustibles fósiles, mientras que para otros es el responsable de grandes
deforestaciones y del aumento del precio de los alimentos.
Motor típico de un vehículo de combustible flexible brasileño
Fuente: Bioetanol.14
El etanol se obtiene fácilmente del azúcar o del almidón en cosechas de maíz y
caña de azúcar, entre otros.
Por esta razón, no es posible sustituir enteramente el consumo actual de
combustibles fósiles por bio-etanol.
Hoy en día se utilizan varios tipos de materias primas para la producción a gran
escala de etanol de origen biológico (bioetanol).
3.6.1. Materias primas para la obtención de etanol.14
3.6.1.1. Sustancias con alto contenido de sacarosa.
a) Caña de azúcar
b) Remolacha
c) Melazas
d) Sorgo dulce
3.6.1.2. Sustancias con alto contenido de almidón.
a) Maíz
b) Patata
c) Yuca
3.6.1.3. Sustancias con alto contenido de celulosa.
a) Madera
b) Residuos agrícolas (incluyendo los residuos de los cítricos).
10
3.7. Melaza.
La melaza es un producto líquido espeso derivado de la caña de azúcar y en
menor medida de la remolacha azucarera, obtenida del residuo restante en las
cubas de extracción de los azúcares. Su aspecto es similar al de la miel aunque de
color parduzco muy oscuro, prácticamente negro. El sabor es dulce ligeramente
similar al del regaliz, con un pequeño regusto amargo.20
Nutricionalmente presenta un altísimo contenido en hidratos de carbono además
de vitaminas del grupo B y abundantes minerales, entre los que destacan el hierro,
cobre y magnesio. Su contenido de agua es bajo.
Melaza
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
3.7.1. Elaboración.
Para la elaboración de la melaza de caña, se comprimen mediante rodillos
las cañas cortadas, extrayendo el líquido dulce que contienen en su interior. Este
jugo se cuece lentamente logrando su reducción por medio de la evaporación del
agua, hasta alcanzar la densidad y concentración deseadas. En este proceso, se
concentra en la superficie un gran número de impurezas que reciben el nombre
de cachaza y que es preciso retirar.20
3.7.2. Utilización.
Principalmente se emplea la melaza como suplemento energético para la
alimentación de rumiantes por su alto contenido de azúcares y su bajo costo en
algunas regiones. No obstante, una pequeña porción de la producción se destina
al consumo humano, empleándola como endulzante culinario.20
11
Es importante diferenciar la melaza empleada en la alimentación animal, la
cual es un producto residual de la industria azucarera, de la melaza que es
empleada como materia prima en la producción de azúcar.
En algunos países de Sudamérica esta última suele procesarse
artesanalmente hasta transformarla en bloques sólidos de azúcar no refinada
muy apreciada por su sabor que se conocen en Sudamérica, Centroamérica y
sur de México bajo el nombre de chancaca, panela o papelón, y en el resto de
México con el nombre de piloncillo.
La melaza de remolacha no es apta para el consumo pues es amarga, sin
embargo se utiliza en la alimentación de vacas lecheras y ganado vacuno
entero.
3.8. Levaduras.
Las levaduras son cuerpos unicelulares (generalmente de forma esférica) de un
tamaño que ronda los 2 a 4 μm y que están presentes de forma natural en algunos
productos como las frutas, cereales y verduras. Son lo que se denominan:
organismos anaeróbicos facultativos, es decir que pueden desarrollar sus funciones
biológicas sin oxígeno.19
Se puede decir que el 96% de la producción de etanol la llevan a cabo hongos
microscópicos, diferentes especies de levaduras, entre las que se encuentran
principalmente Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces fragilis, Torulaspora y
Zymomonas mobilis. Los microorganismos responsables de la fermentación son de
tres tipos: bacterias, mohos y levaduras. Cada uno de estos microorganismos posee
una característica propia sobre la fermentación que son capaces de provocar. En
algunos casos son capaces de proporcionar un sabor característico al producto final
(como en el caso de los vinos o cervezas).
12
3.8.1. Levadura (Saccharomyces cerevisiae)
La levadura de cerveza (saccharomyces cerevisiae meyen ex E.C.Hansen)
es un hongo unicelular, es un tipo de levadura utilizado industrialmente en la
fabricación del pan, cerveza y vino. El ciclo de vida de las levaduras alterna dos
formas una haploide y otra diploide. Ambas formas se reproducen de forma
asexual por gemación. En condiciones muy determinadas la forma diploide es
capaz de reproducirse sexualmente. En estos casos se produce la meiosis en la
célula formándose un asca que contiene cuatro ascosporas haploides.21
S. cerevisiae es uno de los modelos más adecuados para el estudio de
problemas biológicos. Es un sistema eucariota, con una complejidad sólo
ligeramente superior a la de la bacteria pero compartiendo con ella muchas de
sus ventajas técnicas.
S. cerevisiae es un sistema genético que, a diferencia de la mayoría de los
otros microorganismos, presenta dos fases biológicas estables: haploide y
diploide. La fase haploide permite generar, aislar y caracterizar mutantes con
mucha facilidad, mientras que en la diploide se pueden realizar estudios de
complementación. Una levadura haploide contiene 16 cromosomas que varían
en tamaño de 200 a 2200 kilobases (kb).
Además de su rápido crecimiento, dispersión de las células y la facilidad
con que se replican cultivos y aíslan mutantes, destaca por un sencillo y versátil
sistema de transformación de ADN. Por otro lado, la ausencia de patogenicidad
permite su manipulación con las mínimas precauciones.
Saccharomyces cerevisiae
(En una imagen de microscopio) Fuente: Levadura (saccharomyces cerevisiae).
21
13
3.9. Destilación.
La destilación es la operación de separar, comúnmente mediante calor, los
diferentes componentes líquidos de una mezcla, aprovechando los diferentes
puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias a
separar. 6
La destilación se da en forma natural debajo del punto de ebullición (100 ºC en el
caso del agua), luego se condensa formando nubes y finalmente llueve.
3.9.1. Tipos de destilación.13
Destilación simple
Destilación fraccionada
Destilación al vacío
Destilación azeotrópica
Destilación por arrastre de vapor
Destilación mejorada
3.9.2. Destilación simple.
El aparato utilizado para la destilación en el laboratorio es el alambique.
Consta de un recipiente donde se almacena la mezcla a la que se le aplica calor,
un condensador donde se enfrían los vapores generados, llevándolos de nuevo
al estado líquido y un recipiente donde se almacena el líquido concentrado.13
En la industria química se utiliza la destilación para la separación de
mezclas simples o complejas. Una forma de clasificar la destilación puede ser la
de que sea discontinua o continua.
A continuación, puede observarse el esquema de un aparato de destilación
simple básico:
14
Esquema de destilación simple
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
3.9.3. Identificación de las partes del esquema de destilación simple.
1) Mechero, proporciona calor a la mezcla a destilar.
2) Retorta o matraz de fondo redondo, que deberá contener pequeños
trozos de material poroso (cerámica, o material similar) para evitar
sobresaltos repentinos por sobrecalentamientos.
3) Cabeza de destilación: No es necesario si la retorta tiene una
tubuladura lateral.
4) Termómetro: El bulbo del termómetro siempre se ubica a la misma
altura que la salida a la entrada del refrigerador. Para saber si la
temperatura es la real, el bulbo deberá tener al menos una gota de
líquido. Puede ser necesario un tapón de goma para sostener al
termómetro y evitar que se escapen los gases (muy importante cuando
se trabaja con líquidos inflamables).
15
5) Tubo refrigerante.
6) Entrada de agua: El líquido siempre debe entrar por la parte inferior,
para que el tubo permanezca lleno con agua.
7) Salida de agua: Casi siempre puede conectarse la salida de uno a la
entrada de otro, porque no se calienta mucho el líquido.
8) Se recoge en un balón, vaso de precipitados, u otro recipiente.
9) Fuente de vacío: No es necesario para una destilación a presión
atmosférica.
10) Adaptador de vacío: No es necesario para una destilación a presión
atmosférica.
3.9.4. Teoría de la destilación.
En la mezcla simple de dos líquidos solubles entre sí, la volatilidad de cada
uno es perturbada por la presencia del otro. En este caso, el punto de ebullición
de una mezcla al 50%, por ejemplo, estaría a mitad de camino entre los puntos
de ebullición de las sustancias puras, y el grado de separación producido por
una destilación individual dependería solamente de la presión de vapor, o
volatilidad de los componentes separados a esa temperatura.6
Esta sencilla relación fue anunciada por vez primera por el químico francés
François Marie Raoult (1830-1901) y se llama ley de Raoult. Esta ley sólo se
aplica a mezclas de líquidos muy similares en su estructura química, como el
benceno y el tolueno.
En la mayoría de los casos se producen amplias desviaciones de esta ley.
Si un componente sólo es ligeramente soluble en el otro, su volatilidad aumenta
anormalmente.
En el ejemplo anterior, la volatilidad del alcohol en disolución acuosa diluida
es varias veces mayor que la predicha por la ley de Raoult.
16
En disoluciones de alcohol muy concentradas, la desviación es aún mayor:
la destilación de alcohol de 99% produce un vapor de menos de 99% de alcohol.
Por esta razón el alcohol no puede ser concentrado por destilación más de
un 97%, aunque se realice un número infinito de destilaciones.
3.10. Centrifugación.
La centrifugación es un método por el cual se pueden separar sólidos de líquidos
de diferente densidad mediante una centrifugadora, la cual imprime a la mezcla un
movimiento rotatorio con una fuerza mayor que la de la gravedad, provocando la
sedimentación de los sólidos o de las partículas de mayor densidad.11
El objetivo de la centrifugación es separar partículas de diferentes
características. Para ello, se aplica un fuerte campo centrífugo, con lo cual las
partículas tenderán a desplazarse a través del medio en el que se encuentren con la
aceleración G.
3.11. Filtración.
La filtración es una técnica, proceso tecnológico u operación unitaria de
separación, por la cual se hace pasar una mezcla de sólidos y fluidos, gas o líquido,
a través de un medio poroso o medio filtrante que puede formar parte de un
dispositivo denominado filtro, donde se retiene de la mayor parte de él o de los
componentes sólidos de la mezcla.18
Las aplicaciones de los procesos de filtración son muy extensas, encontrándose
en muchos ámbitos de la actividad humana, tanto en la vida doméstica como de la
industria general, donde son particularmente importantes aquellos procesos
industriales que requieren de las técnicas de ingeniería química.
En nuestro caso, la filtración que se aplica a la mezcla o solución, consiste en
hacerla pasar por un filtro (papel filtro) para obtener únicamente una mezcla sin
contaminantes.
17
3.12. Cromatografía de gases.
La cromatografía de gases es una técnica en la que la muestra se volatiliza y se
inyecta en la cabeza de una columna cromatográfica. La elución se produce por el
flujo de una fase móvil de gas inerte. A diferencia de los otros tipos de
cromatografía, la fase móvil no interacciona con las moléculas del analito; su única
función es la de transportar el analito a través de la columna.12
Existen dos tipos de cromatografía de gases (GC): la cromatografía gas-sólido
(GSC) y la cromatografía gas-líquido (GLC), siendo esta última la que se utiliza más
ampliamente, y que se puede llamar simplemente cromatografía de gases (GC). En
la GSC la fase estacionaria es sólida y la retención de los analitos en ella se
produce mediante el proceso de adsorción. Precisamente este proceso de
adsorción, que no es lineal, es el que ha provocado que este tipo de cromatografía
tenga aplicación limitada, ya que la retención del analito sobre la superficie es
semipermanente y se obtienen picos de elución con colas. Su única aplicación es la
separación de especies gaseosas de bajo peso molecular. La GLC utiliza como fase
estacionaria moléculas de líquido inmovilizadas sobre la superficie de un sólido
inerte.
La GC se lleva a cabo en un cromatógrafo de gases. Éste consta de diversos
componentes como el gas portador, el sistema de inyección de muestra, la columna
(generalmente dentro de un horno), y el detector.
18
IV. OBJETIVOS
4.1. GENERAL
Evaluar la fermentación de mezclas de suero láctico y melaza en la obtención de
etanol.
4.2. ESPECÍFICOS
4.2.1. Evaluar los porcentajes de etanol obtenidos con mezclas de suero láctico
y melaza en distintos porcentajes en volumen. (90:10, 80:20 y 70:30).
4.2.2. Definir el procedimiento para la obtención de etanol a partir de lactosuero.
19
V. HIPÓTESIS
5.1. HIPÓTESIS CIENTÍFICA
El porcentaje de etanol obtenido a partir de la fermentación de suero láctico, mejora
con la adición de un cierto porcentaje de melaza.
5.2. HIPÓTESIS ESTADÍSTICAS
5.2.1. HIPÓTESIS NULA
No existe diferencia significativa en el porcentaje de etanol obtenido a partir de
suero láctico con la adición de melaza.
5.2.2. HIPÓTESIS ALTERNA
Existe diferencia significativa en el porcentaje de etanol obtenido a partir de suero
láctico con la adición de melaza.
A una significancia del 5% (α=0.05)
20
VI. METODOLOGÍA
6.1. Metodología experimental.
6.2. Localización.
El proceso completo de la presente investigación fue llevado a cabo en las
instalaciones del Centro Universitario del Sur, en el del Laboratorio Experimental y el
laboratorio de Ciencias Básicas ubicados en el Centro ya mencionado.
6.3. Material de la Investigación.
Para la presente investigación se llevaron a cabo las fermentaciones de cada
mezcla de suero láctico y melaza, estas fueron llevadas a cabo bajo los siguientes
parámetros; temperatura ambiente, el pH fue el del medio, la fermentación debía ser
anaeróbica, por lo que se colocó una trampa de oxígeno, a ningún tratamiento se le
adicionaron nutrientes, pues se esperaba que los del medio fueran suficientes.
6.3.1. Procedimiento para la fermentación de las mezclas de suero láctico y
melaza.
a) Se colocaron las muestras de 450, 400 y 350 ml de suero láctico en un
recipiente envuelto con plástico negro, para evitar el contacto con la luz.
b) Se añadió la melaza1, en los respectivos volúmenes para cada tratamiento
(90:10, 80:20 y 70:30).
c) Se calculó la cantidad adecuada a suministrar del microorganismo fermentador2
para cada tratamiento. 1La melaza utilizada se encontraba a 86.36 ºBrix.
2El microorganismo fermentador, fue saccharomyces cerevisiae.
21
d) Se procedió al almacenamiento de las muestras para evitar la interrupción del
procedimiento a causa de terceros.
e) La fermentación se retuvo durante 192 horas.
f) La concentración de alcohol obtenido se obtuvo a partir de cromatografía de
gases.
6.4. Diseño experimental.
Se planeó realizar una batería de experimentos, cada uno de ellos consistió en
la fermentación de suero láctico y melaza en diferentes porcentajes en volumen,
exponerlas a temperatura ambiente y darles las condiciones adecuadas, para luego ser
sometidas a un análisis de cromatografía de gases y determinar así el porcentaje de
etanol obtenido para cada experimento.
Se probó la hipótesis mediante un análisis de variancia, debido a que el
experimento consiste en buscar el porcentaje en la obtención de etanol conseguido por
distintas mezclas de suero láctico y melaza, y este procedimiento muestra si existen
diferencias en los procedimientos aplicados.
La investigación se realizó en el Centro Universitario del Sur, durante los meses
de agosto a octubre que corresponden al segundo semestre de clases en dicha casa
de estudios.
6.5. Modelo estadístico.
6.5.1. Planteamiento de la hipótesis.
Ho = T1 = T2 = T3
Ha = T1 ≠ T2 ≠ T3
A una Significancia del 5% (α=0.05)
6.5.2. Distribución de los tratamientos.
Tabla No. 1. TRATAMIENTOS
TRATAMIENTO LACTOSUERO
(%) MELAZA
(%)
1 90 10
2 80 20
3 70 30
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
22
VII. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.
7.1. Resultado de etanol en cada muestra.
A continuación, se presenta un cuadro mostrando los resultados obtenidos.
CUADRO No. 2
Resultados.
CONCENTRACIÓN DE MELAZA/LACTOSUERO (%) ETANOL OBTENIDO (%)
10:90 4.76
20:80 7.39
30:70 9.54 Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
CUADRO No. 3
Análisis de varianza para el porcentaje de etanol obtenido.
Fv G.L SS MS Fc F tab
Tratamientos 2 22.93 11.46 185.48 19.16429
Bloques 1 0.08 0.08 1.28
Error 2 0.12 0.06
Total 5 23.13 Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
Se puede observar que F calculada es mayor que F tabulada, por ende existe
diferencia significativa entre los tratamientos, por lo tanto, la hipótesis que se acepta es
la hipótesis alterna (Ha).
23
A continuación, en la Grafica No. 1, se muestra el comportamiento que tomó el
experimento.
GRÁFICA No. 1. Comportamiento del experimento.
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
Se puede observar que mientras mayor sea el volumen de melaza que se
adiciona, mayor será el volumen de etanol obtenido, hay que tomar en cuenta que
existe un punto de equilibrio, en el cual por mas melaza que se le adicione, ya no
existirá un aumento en el volumen de etanol obtenido.*
*Este factor no formó parte de la investigación.
24
VIII. CONCLUSIONES
8.1. Se concluyó que de la evaluación de los porcentajes de etanol obtenidos a partir
de las mezclas del experimento, el mejor resultado fue el del tratamiento que
contenía la mezcla 70:30 de suero láctico y melaza respectivamente.
8.2. Se definió el proceso de la obtención de etanol a partir de lactosuero, a través de
la realización del mismo (véase Metodología en la pág. 17).
25
IX. RECOMENDACIONES
9.1. Evaluar la obtención de etanol a partir de la fermentación de suero láctico en
volúmenes mayores.
9.2. Efectuar estudios adicionando un microorganismo distinto (como puede ser el
kluyveromyces fragilis).
9.3. Incluir la pasteurización del lactosuero en el proceso para evitar la posible
contaminación del proceso.
26
X. BIBLIOGRAFÍA
1) Levin, Richard I. y Rubin, David S, (2004). Estadística para Administración y
Economía, Pearson Educación, 7ma Edición, México. Pág. 516-522.
2) Modler, H.W. (2000). Milk processing. (Food Proteins). Nakai S.y Modler HW. New
York. pág. 1 -88.
3) Montgomery C. Douglas, (2004) Diseño y Análisis de Experimento. Editorial Limusa
Wily, S.A. 2da. Edición. México. Pág. 61-70.
4) N. Potter, Norman, (1973). La Ciencia de los Alimentos. Harla Mexico. 1ra. Edición.
México. Pág. 359-376.
5) Quintero R. Rodolfo, (1974). Ingeniería Bioquímica. Editorial Alhambra Mexicana,
S.A. 1ra. Edición. México. Pág. 17-21.
REFERENCIAS ELECTRÓNICAS
6) Alambiques. Web dedicada a los alambiques y a los productos que se elaboran con
ellos. Destilación, Teoría Y Tipos. Consultado en Diciembre de 2008. Disponible en:
http://www.alambiques.com/tecnicas_destilacion.htm
7) El Laboratorio. El sitio dedicado a la Ingeniería Química, Ambiental y a la ciencia en
general. Prácticas de Laboratorio. Operaciones Unitarias III. Consultado en
Diciembre de 2006. Disponible en:
http://www.ellaboratorio.co.cc/plantasiii.htm#fermentacion
8) Interesting Energy Facts. Ethanol fuel and cars. Consultado en Septiembre de 2008.
Disponible en: http://interestingenergyfacts.blogspot.com/2008/09/ethanol-fuel-and-
cars.html
9) La Web del agro. La Web Agroindustrial. Etanol derivado de la leche. Consultado en
Octubre de 2009. Disponible en:
http://www.lawebdelagro.com/portal/content/view/948/74/
27
10) SciElo. Revista de la Sociedad Venezolana de Microbiología. Efecto de la
concentración inicial del lactosuero sobre la fermentación alcohólica con
Kluyveromyces fragilis. Consultado en Octubre de 2009. Disponible en:
http://www.scielo.org.ve/scielo.php?pid=S131525562006000100008&script=sci_abst
ract
11) Wikipedia. La Enciclopedia Libre. Centrifugación. Consultado en Octubre de 2009.
Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Centrifugación
12) Wikipedia. La Enciclopedia Libre. Cromatografía de Gases. Consultado en Octubre
de 2009. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Cromatografía_de_gases
13) Wikipedia. La Enciclopedia Libre. Destilación. Consultado en Agosto de 2009.
Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Destilación
14) Wikipedia. La Enciclopedia Libre. Etanol (Combustible). Consultado en Agosto de
2009. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Etanol_(combustible)
15) Wikipedia. La Enciclopedia Libre. Etanol. Consultado en Agosto de 2009. Disponible
en: http://es.wikipedia.org/wiki/Etanol
16) Wikipedia. La Enciclopedia Libre. Fermentación Láctica. Consultado en Agosto de
2009. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Fermentación_láctica
17) Wikipedia. La Enciclopedia Libre. Fermentación. Consultado en Agosto de 2009.
Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Fermentación
18) Wikipedia. La Enciclopedia Libre. Filtración. Consultado en Octubre de 2009.
Disponible en; http://es.wikipedia.org/wiki/Filtracion
19) Wikipedia. La Enciclopedia Libre. Levadura. Consultado en Agosto de 2009.
Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Levadura
20) Wikipedia. La Enciclopedia Libre. Melaza. Consultado en Agosto de 2009.
Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Melaza
21) Wikipedia. La Enciclopedia Libre. Saccharomyces cerevisiae. Consultado en Agosto
de 2009. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Saccharomyces_cerevisiae
22) Wikipedia. La Enciclopedia Libre. Suero de Leche. Consultado en Agosto de 2009.
Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Suero_de_leche
28
XI. ANEXOS
11.1. Imágenes.
En la imagen No. 1, se presenta la bioquímica de un proceso común de fermentación
alcohólica.
Imagen No. 1 Bioquímica de la fermentación alcohólica.
Fuente: Fermentación.18
11.2. Esquematización del experimento
TABLA 2. Esquema del experimento.
TRATAMIENTO
VOLUMEN DE LACTOSUERO
(%)
VOLUMEN DE MELAZA
(%)
VOLUMEN DE LACTOSUERO
(ml) VOLUMEN DE MELAZA (ml)
CANTIDAD DE LEVADURA (g)
1 90 10 450 50 4,37
2 80 20 400 100 4,37
3 70 30 350 150 4,37
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
29
11.3. Fotografías del proceso
PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS.
Fotografía 1. Muestras
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
Fotografía 2. Obtención de las muestras
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
Fotografía 3. Preparación de las muestras
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
Fotografía 4. Muestra antes del centrifugado.
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
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Fotografía 5. Centrifugación
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
Fotografía 6. Filtración
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
CROMATOGRAFÍA DE GASES
Fotografía 7. Las muestras
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
Fotografía 8. Cromatógrafo de gases Fotografía 9. Obtención de lectura
Fuente: Elaboración propia, Seminario I, octubre 2009
NOTA: para una mejor idea del proceso véase la sección 6.3. Pág. 20.
31
28 DE OCTUBRE DE 2009.
INFORME DE ANÁLISIS “PORCENTAJE DE ETANOL”
Cliente: Cuá González, Selvyn René. Origen de muestras: Muestra 1, Seminario I. Muestra 2, Seminario I. Muestra 3, Seminario I.
No. De Muestra Origen Parámetro Resultado (%) 1 Muestra 1 % en volumen 4.76325
2 Muestra 2 % en volumen 7.3962
3 Muestra 3 % en volumen 9.54425
ANALISTA:
_____________________________________. Ing. Quim. Hugo Montenegro.
Laboratorio De Análisis Instrumental CENTRO UNIVERSITARIO DEL SUR
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
INGENIERIA AGROINDUSTRIAL
LABORATORIO DE ANÁLISIS INSTRUMENTAL
CUNSUR
SELVYN RENÉ CUÁ GONZÁLEZ SEMINARIO I
CARNÉ: 2007 40209
_____________________________________Selvyn René Cuá González.
Técnico en Procesos Agroindustriales.
______________________________________Ing. Osmin Galeano.Asesor Específico.
_____________________________________Lic. Mauricio GodínezDocente del Curso.
SELVYN RENÉ CUÁ GONZÁLEZ SEMINARIO I
CARNÉ: 2007 40209
_____________________________________Ing. Hugo Montenegro
Coordinador de las CarrerasTécnico en Procesos Agroindustriales e Ingeniería Agroindustrial
SELVYN RENÉ CUÁ GONZÁLEZ SEMINARIO I
CARNÉ: 2007 40209
IMPRÍMASE
_____________________________________Ing. Arminda Zeceña de Rossal
Directora.