fermentacion alcoholica

rea Ingeniera Qumica

Universidad de Almera

Operaciones Bsicas en Ingeniera

Qumica

Ttulo Grado en Qumica

PRODUCCIN DE ETANOL POR FERMENTACIN

1 FUNDAMENTO TERICO ............................................................................................. 2

1.1 INTERS DEL PROCESO ........................................................................................... 2

1.2 FERMENTACIN ALCOHLICA ............................................................................. 3

1.3 SEPARACIN EN CAMPO CENTRFUGO .............................................................. 5

1.4 DESTILACIN DIFERENCIAL .................................................................................. 6

2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ....................................................................... 10

2.1 FERMENTACIN ALCOHLICA ........................................................................... 10

2.1.1 INOCULACIN .................................................................................................. 10

2.2 SEPARACIN EN CAMPO CENTRFUGO ............................................................ 12

2.2.1 Determinacin de la velocidad de sedimentacin en campo gravitatorio ............ 12

2.3 SEPARACIN POR FILTRACIN ........................................................................... 13

2.4 SEPARACIN POR SEDIMENTACIN .................................................................. 13

2.5 DESTILACIN DIFERENCIAL ................................................................................ 13

2.5.1 Destilacin a composicin final conocida ............................................................ 13

3 RESULTADOS Y DISCUSIN ...................................................................................... 13

4 CUESTIONES .................................................................................................................. 14

Operaciones Bsicas en Ingeniera Qumica.- Fermentacin alcohlica

2

1 FUNDAMENTO TERICO

1.1 INTERS DEL PROCESO

La fermentacin alcohlica es utilizada extensamente en varios mbitos de la industria,

incluyendo la alimentaria, para realizar la conversin de azcares en alcohol etlico, producto

de suma importancia en la industria, ya que es utilizado como disolvente, alimento,

combustible, medicamento y como base para la sntesis de otros muchos productos.

La fermentacin alcohlica es un proceso con muchas ventajas desde el punto de vista

industrial. Es barato, porque transcurre en fase lquida, en medio acuoso, y se realiza a

temperatura ambiente, es rpido y muy especfico. La reaccin general de la fermentacin

alcohlica es la siguiente:

C6 H12O6 2CH3CH2OH 2CO2

Esta reaccin slo transcurre en condiciones anaerobias. En realidad la reaccin anterior es

la glucolisis en la mayor parte. La glucolisis produce 2 ATP y piruvato como producto de la

glucosa. En presencia de oxgeno, el piruvato entra al ciclo de Krebs es oxidado totalmente a

CO2. Sin embargo, en condiciones anaerobias, el piruvato en convertido en etanol y CO2 por el

enzima zimasa. El sustrato fundamental de la fermentacin alcohlica es la glucosa. Sin

embargo, puede ser fermentado cualquier azcar susceptible de entrar a la va de la glucolisis,

tal y como ocurre con la maltosa y la sacarosa, por medio de la accin de las enzimas maltasa e

invertasa respectivamente. La levadura Saccharomyces cerevisae tambin contienen estas

enzimas.

El proceso de obtencin industrial del etanol comienza con un azcar o, en general, algn

hidrato de carbono adecuado, y termina con el etanol rectificado (96% v/v). Es, por tanto, un

proceso compuesto de varias etapas u operaciones unitarias, que se van a estudiar

separadamente. Estas etapas son:

Fermentacin alcohlica.

Separacin de la biomasa y vinazas (lquido que contiene el etanol) por centrifugacin.

Purificacin del etanol mediante rectificacin en columna de platos.


3

1.2 FERMENTACIN ALCOHLICA

La fermentacin alcohlica es una cadena de reacciones enzimticas que comienzan en un

hidrato de carbono y terminan en etanol y CO2. Como en cualquier otra reaccin enzimtica

(reaccin cataltica), la velocidad con la que transcurre se ve influenciada por diversos factores,

entre otros:

Concentracin de sustrato

Concentracin de catalizador

Temperatura

En ocasiones tambin influyen otros factores, como la presencia de vitaminas o minerales,

que deben ser debidamente aportados, o la inhibicin por producto, que en el caso de la

fermentacin alcohlica es importante, ya que la presencia de etanol en concentraciones

elevadas, superiores al 15%, puede ralentizar o detener la reaccin. Para el diseo del

fermentador es necesario conocer la velocidad de la reaccin en funcin de los factores que la

condicionan. Para ello, es necesario conocer la estequiometra de la fermentacin y una

definicin precisa de velocidad de reaccin. La sacarosa es un disacrido compuesto por

glucosa y fructosa que es fcilmente escindido por el enzima invertasa. La glucosa liberada se

incorpora inmediatamente a la glucolisis, mientras que la fructosa ha de ser previamente

convertida a glucosa por una isomerasa. La levadura Saccharomyces cerevisae contiene ambas

enzimas y por eso es capaz de usar sacarosa en condiciones anaerobias para producir etanol y

CO2 segn la siguiente reaccin:

C12H24O12 4CH3CH2OH 4CO2

1 mol sacarosa 4 moles etanol + 4 moles anhdrido carbnico

360 g sacarosa 184 g de etanol + 176 g de CO2

Con lo que se pueden calcular en base msica o molar los coeficientes estequiomtricos que

relacionan cualquiera de las sustancias consumidas y/o producidas. Por ejemplo,

arosagEtOH/gSac 511.0g360

g184

consumida Sacarosa

producido EtOH

/gSacarosagCO 489.0g360

g176

consumida Sacarosa

producido CO2

2

Es decir, conocidas las concentracin inicial (t=0) del sustrato y de los productos, se puede

calcular la concentracin de las dems especies a partir de la concentracin de una de ellas,


4

determinada por cualquier mtodo de medida. Puesto que el CO2 es un gas, se puede aceptar

que se va desprendiendo totalmente conforme se va produciendo. La masa de CO2 desprendida,

p, despus de un tiempo t se puede evaluar como la diferencia de peso del experimento en el

instante inicial t=0. Es decir:

p = (peso inicial del cultivo) - (peso del cultivo en el instante t) (en gramos)

Si se define adems la siguiente nomenclatura

Concentracin de sacarosa: Inicial [S]0; en un tiempo t [S] (en gramos/Litro)

Concentracin de etanol: Inicial [Et]0; en un tiempo t [Et] (en gramos/Litro)

Volumen de cultivo: V (en Litros)

En el instante inicial la concentracin de etanol es siempre nula. En este caso, haciendo uso

de la nomenclatura definida y de la estequiometra, la concentracin de cada sustancia en cada

instante t (minutos transcurridos desde el comienzo de la reaccin) es:

Sacarosa:

MSacarosa = MSacarosa inicial MSacarosa consumida

producido CO

consumida SacarosaMVSVS

2

producido2CO0

Dividiendo por V e introduciendo el valor del coeficiente de rendimiento se obtiene que,

V489.0

pSS 0

Etanol

MEtOH = MEtOH inicial + MEtOH producido

consumida Sacarosa

producido EtOH

producido CO

consumida SacarosaMVEtOHVEtOH

2

producido2CO0

Dividiendo por V e introduciendo el valor de los coeficientes de rendimiento se obtiene

que,

V489.0

511.0pEtOHEtOH 0

La velocidad de reaccin se define como la variacin de la cantidad de una sustancia de

referencia en la unidad de tiempo y en la unidad de volumen de reaccin. La sustancia de

referencia suele ser el reactivo limitante que en este caso adems es el nico sustrato. La

velocidad de reaccin es por tanto,


5

dt

SacarosadrS

Las velocidades de aparicin de los productos estn relacionadas con la velocidad de

consumo de la sacarosa por la estequiometra de la reaccin,

dt

Sacarosad

360

184

dt

EtOHdrEtOH ,

dt

Sacarosad

360

176

dt

COdr 22CO

Es decir, que siguiendo el peso de CO2 desprendido durante un experimento se puede

calcular la concentracin de sacarosa y etanol en cualquier instante, as como la velocidad de

reaccin.

1.3 SEPARACIN EN CAMPO CENTRFUGO

La centrifugacin se puede definir como una operacin bsica con la que se lleva a cabo la

separacin de las sustancias por medio de la fuerza centrfuga. Se aplica cuando la separacin

de dos fases, G-S, L-S o L-L, no es posible utilizando slo la fuerza de la gravedad, bien por

que los dimetros de partcula sean muy pequeos o bien por que las densidades de ambas fases

sean muy similares. En estas condiciones se aprovecha el efecto de una fuerza centrfuga que

acente las diferencias entre ambas fases permitiendo as llevar a cabo la separacin.

La fuerza centrfuga, Fc, que acta sobre un objeto de masa m, girando en una rbita circular

de radio, r, con una velocidad angular, , viene dada por,

r mF 2c donde r vc y 30

N =

siendo N la velocidad de rotacin en revoluciones/min y la velocidad angular, en

radianes/segundo. En el equilibrio se establece el balance de fuerzas, segn el cual, la fuerza

centrfuga debe ser igual a la suma de la fuerza de rozamiento, Fr, y flotacin, Ff, de forma que

se puede hallar la velocidad de sedimentacin en un campo centrifugo, vt, como,

Fc-Ff=Fr

rt2

pps

2

c3pfc F= ' v d

4)(Ref-

r

v d

6FF

D

ps

2

tC 3

d -r 4'v

siendo )f(Re 2=C pD

Normalmente dp ser muy pequeo y el flujo ser laminar por lo que sustituyendo CD por su


6

valor como CD=24/Rep se obtiene la ley de Stokes modificada con la fuerza centrfuga.

18

- dr 'v

s

2

p

2

t Ecuacin de Stokes centrfuga

El tiempo necesario para que una partcula decante en un campo centrfugo vendr

determinada por la velocidad de sedimentacin en campo centrfugo, la cual a su vez se puede

poner en funcin de la velocidad de sedimentacin en campo gravitatorio, de forma que se

obtiene que,

18

- d gv

s

2

p

g

dt

dr

18

- dr v

s

2

p

2

c

dt

dr

g

r vv

2

gc

2R

1R

2

gr

dr

v

g t

1

2

2

gR

RLn

v

g t

1

2

2g R

RLn

t

g v

La velocidad en campo centrfugo y el porcentaje de separacin requerido determinan el

tiempo que las partculas deben permanecer en la cmara. Dicho tiempo es igual al volumen de

la cmara dividido por el caudal alimentado, de forma que la ecuacin de diseo y operacin de

la centrfuga queda como,

gvq

donde vg es la velocidad de sedimentacin en campo gravitatorio (caracterstica de la partcula),

es el tanto por uno de recuperacin requerido (variable de operacin) y es el rea

equivalente de la centrfuga (caracterstica de la centrfuga). Esta ecuacin muestra como el

caudal que se puede alimentar a una centrfuga aumenta con la velocidad de sedimentacin las

partculas y el rea equivalente de la centrfuga mientras que disminuye al aumentar la

recuperacin requerida.

1.4 DESTILACIN DIFERENCIAL

El objeto de la destilacin es separar, mediante vaporizacin, una mezcla lquida de

sustancias miscibles y voltiles en los componentes individuales o, en algunos casos, en grupos

de componentes. Se define tambin la destilacin como la separacin de los componentes de

una fase de vapor provocando la aparicin de una fase lquida (modificando la presin o


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temperatura) a la que se transfieren los componentes ms voltiles. La separacin de una

mezcla de alcohol y agua en sus componentes; de aire en oxgeno, nitrgeno y argn; y un

crudo de petrleo en gasolina, queroseno, fuel oil y aceites lubricantes, son ejemplos de

destilaciones.

En el caso de la destilacin diferencial, simple o por cargas, V y L no estn en equilibrio y

sus concentraciones cambian con el tiempo, pero en cada dt si se puede considerar que existe

un equilibrio entre L y V, aunque al final no lo estn.

Calor

V

L

D

ym

Considerando que la cantidad de vapor producido es igual a la cantidad de lquido

evaporado,

dL=dV

y haciendo uso de las condiciones de contorno,

t=0L0, x0

t=tL, x siendo L0>L y x0>x

mediante la aplicacin de un balance al componente voltil en la caldera en un espacio de

tiempo diferencial se obtiene que,

Componente voltil al

principio del dt

= Componente voltil al

final del dt en el lquido

+ Componente voltil que

pasa al vapor en el dt

L x = (L-dL) (x-dx) + y dV

Es decir,

L x=L x-L dx-x dL+dL dx+y dV

dLdx es despreciable luego,

Ldx+xdL=ydV

Como dL=dV se obtiene que,

Ldx=dL(y-x)xy

dx

L

dL

0x

x

0L

Lxy

dx

L

dL


8

0x

x

0

xy

dx

L

LLn Ecuacin de Rayleigh

Ecuacin sta que permite abordar tanto el diseo como la operacin de la destilacin

diferencial simple. As, para un problema real sera conocido L0 y x0, pero no L, x ni ym. Sin

embargo, ym se puede calcular como,

L0=L+D

L0x0=Lx+Dym

LL

LxxLy

0

00

m

De forma que se puede,

Fijar la composicin final x. En este caso se desconoce L, por lo que se halla por la

ecuacin de Rayleigh, donde y-x es la diferencia de las composiciones de equilibrio en V y L,

luego la integral se resuelve de forma grfica.

x y

xy

1

0x

xxy

dxrea

xy

1

xx x0

... ... ...

... ... ...

... ... ...

... ... ...

... ... ...

Fijar la cantidad de lquido final L. En este caso se desconoce x, pero como se dispone de

los datos de equilibrio y la curva 1/(y-x) vs. x, se resuelve por tanteo grfico hallando la

integral hasta un valor de x, y se comprueba si es igual a Ln(L0/L), con lo que se hallara ym.

Fijar la concentracin del destilado ym. En este caso habra dos incgnitas, L y x, por lo

que de nuevo se aplicara un procedimiento por tanteos que consta de,

Suponer un valor arbitrario de x.

Con el valor supuesto, y haciendo uso de la ecuacin de Rayleigh calcular L.

Comprobar si los valores de x y L obtenidos dan un ym igual al objetivo.

Si no es as se vuelve a suponer un valor de x.


9

Puede ser que la volatilidad relativa sea conocida, y si sta es constante se puede obtener

una solucin analtica de la ecuacin de Rayleigh como,

0x

x

0

x1x1

x

dx

L

LLn

1

1

0

00

x1x

x1x

L

L

donde ya no aparece la fraccin molar en la fase gaseosa, y con la cual se pueden resolver

analticamente los tres casos anteriormente considerados.

Se podra plantear tambin un balance entlpico a toda la caldera como,

L0h0+QT=Lh+Dm

donde m es el calor latente medio. De dicho balance se obtendra el valor de QT o calor

necesario para producir la destilacin. Adems, se podra conocer el tiempo necesario para

realizar esta destilacin como,

QT=Q t

donde Q es el calor que se suministra a la mezcla fluida por unidad de tiempo.


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2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Levadura

(Saccharomyces cerevisiae)

FERMENTACIN

ALCOHLICA

PURIFICACIN

ETANOL

Caldo de

fermentacin

ETANOL

VINAZAS

Slidos

Slidos

Slidos

SEPARACIN

SLIDOS-VINAZAS

AGUA

SEDIMENTACIN CENTRIFUGACIN FILTRACIN

TERCERA SESIN

PRIMERA SESIN

SEGUNDA SESIN

2.1 FERMENTACIN ALCOHLICA

2.1.1 INOCULACIN

En una primera sesin se llevar a cabo la inoculacin para llevar a cabo una fermentacin

alcohlica en las condiciones de operacin ms adecuadas para la produccin de etanol por

fermentacin en un reactor de 10 L discontinuo. Instalar el reactor y poner en marcha el

proceso, con 25 g/L de levadura, 1 mL/L de disolucin pasteur (ver tabla), 100-200 g/L de

sacarosa (los alumnos del primer turno usaran 100 g/L de sacarosa y los del segundo turno 200


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g/L, para poder hacer una comparativa. La fermentacin tendr lugar en 24 horas, se tomarn

medidas de forma peridica (cada 2 h) de la suspensin de clulas y el CO2 evaporado,

mediante pesada (ver apartado 1.2) y poder calcular el contenido de sacarosa y de etanol del

medio. La cuantificacin de la concentracin celular se medir por densidad ptica con un

espectrofotmetro de haz simple (UNICAM Helios Epsilon), segn la siguiente ecuacin:

C(g/L)=0.185DO665 (hacer blanco con agua del grifo y diluir con agua del grifo si la

absorbancia pasa de 0.8).

Una vez alcanzada la conversin definida, parar la reaccin y proceder a la separacin de la

vinaza del cultivo.

DISOLUCIN PASTEUR

3 g fosfato de potasio KH2PO4

0.3 g fosfato de calcio Ca3(PO4)2

0.3 g sulfato de magnesio Mg SO4

10 g tartrato amnico (CHOHCOONH4)2

Disolverlo todo en 1 litro de agua destilada


12

2.2 SEPARACIN EN CAMPO CENTRFUGO

2.2.1 Determinacin de la velocidad de sedimentacin en campo gravitatorio

En primer lugar se determina la velocidad de sedimentacin en campo gravitatorio mediante

ensayos en discontinuo en una centrfuga de laboratorio, modificando el tiempo de

centrifugacin y manteniendo constante la velocidad de giro y luego al contrario (usando 1600,

2000 y 2400 rpm cada una de ellas desde 1 a 5 min).

N, rpm t,min Absorbancia

1600 0

1600 1

1600 2

1600 3

1600 4

1600 5

2000 0

2000 1

2000 2

2000 3

2000 4

2000 5

2400 0

2400 1

2400 2

2400 3

2400 4

2400 5

Para ello se utiliza el cultivo obtenido en los ensayos de fermentacin en discontinuo, ya que

la levadura no cambia de morfologa durante el proceso de fermentacin. Se utiliza una


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centrfuga discontinua de laboratorio HERAEUS Labofuge 200 y cuyo radio interno y externo

es 3.5 y 8.0 cm, respectivamente. En todos los casos el porcentaje de recuperacin se determina

mediante cuantificacin de la concentracin celular.

2.3 SEPARACIN POR FILTRACIN

Para llevar a cabo la filtracin se va a proceder a filtrar (200 mL) con tres filtros de tamao de

poro diferente la separacin por filtracin. Se anotar con el tiempo el volumen filtrado y el

espesor de la torta. El alumno deber determinar la densidad de la suspensin y la viscosidad.

2.4 SEPARACIN POR SEDIMENTACIN

Para llevar a cabo la sedimentacin se cogern probetas de 100 mL para observar la

sedimentacin e ir midiendo con el tiempo h-t. Se ensayarn cinco experimentos: i) suspensin

directamente, ii) ajustar pH 12 aadiendo sosa, iii) calentar la suspensin a una temperatura de

60 C, iv) se aadir almidn como agente floculante, v) se aadir sulfato de aluminio como

agente coagulante.

2.5 DESTILACIN DIFERENCIAL

2.5.1 Destilacin a composicin final conocida

Se carga el destilador y se opera a composicin final de destilado conocida. Para ello se

resuelve la ecuacin de Rayleigh mediante tanteos y se determina tanto la cantidad de destilado

final a recoger, como la composicin del residuo en la caldera. Se lleva a cabo la operacin

midiendo de forma peridica la temperatura y concentracin de etanol del destilado y del

residuo.

3 RESULTADOS Y DISCUSIN

1. Indique la secuencia de clculo a utilizar para determinar la concentracin de cada una de las

especies en cada reactor (100 g/L y 200 g/L de sacarosa), en funcin del tiempo, as como la

velocidad de reaccin en cada instante.

2. Calcule y represente grficamente como varan las concentraciones de cada una de las


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especies, reactivos y productos en funcin del tiempo.

3. Represente grficamente la evolucin de la concentracin de todos los reactivos y productos

durante la operacin del reactor de 10 L en ambas condiciones.

4. Representar grficamente como vara la concentracin de clulas con w2t, observar el valor

ptimo de N (rpm) y el tiempo para la separacin.

5. Representar grficamente como vara el porcentaje de separacin de levadura con el tiempo

de centrifugacin.

6. Determinar la velocidad de sedimentacin por gravedad de la levadura utilizada para los

cinco experimentos.

7. Representar la variacin del volumen de filtrado recogido as como el espesor de la torta con

el tiempo. Determinar que filtro sera el ms eficaz.

8. Indicar la secuencia de clculo utilizada para determinar la cantidad de destilado y

composicin del mismo, obtenidas por destilacin diferencial.

9. Representar grficamente como vara la temperatura y composicin del destilado con el

tiempo.

10. Determinar las necesidades de calefaccin del sistema en las condiciones de operacin.

11. Delimitar las fracciones de destilado aptas para consumo humano.

4 CUESTIONES

1. Justifique si es conveniente o no agitar el caldo de fermentacin durante el proceso, y su

repercusin en el rendimiento en etanol.

2. Cmo se puede mejorar el rendimiento de la etapa de centrifugacin?

3. Qu tipo de centrfuga es ms adecuada para llevar a cabo este proceso a escala industrial?

4. Indique otras operaciones susceptibles de reemplazar a la centrifugacin en este proceso.

5. Qu ventajas e inconvenientes presenta la destilacin diferencial frente a la operacin en

continuo?

6. Qu fracciones de destilado son ms susceptibles de ser txicas y porqu?

7. Enumere los diversos procedimientos industriales de obtencin de etanol. Justifique las

aplicaciones de cada uno de ellos.

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