Producción de compuestos oxigenados

(del metabolismo energético)

Prof. Rogelio Valadez Blanco

Principales productos

• Etanol, butanol, acetona

• Potencial económico importante

• Etanol: Producto más conocido y de mayor escala.

– Industria de bebidas

– Biocombustible

Cerveza

Industria cervecera

Concepto Costo (millones de dls) Porcentaje (%)

Malta 610 11.1

Otros granos 188 3.4

Lúpulo 49 0.9

Salarios directos 860 15.7

Envase y embalaje 2,500 45.6

Combustibles y servicios

80 1.5

Transportación 360 6.6

Equipos y modernización

600 11.0

Promoción 230 4.2

TOTAL 5477 100.0

• 160 millones de barriles (31 gal por barril)

Industria de bebidas: Cerveza

• Tecnología de enzimas y microorganismos

• Germinación de cebada – malteado

(proceso enzimático)

– Incubación de 2 a 6 días

– Formación de α y β amilasas, y proteasas

– Secado de los granos

Elaboración de cerveza

• Preparación del medio: mosto de cerveza

– Levaduras sólo pueden utilizar azúcares simples y a.a. como nutrientes.

–Mezcla acuosa de malta + almidón (tibia o caliente)

–Mezcla compleja: sustratos + enzimas

–Hidrolizar proteínas y carbohidratos de la mezcla

Mosto de cerveza

• No es deseable causar la hidrólisis total.

• Es importante la formación de oligómeros que le dan sabor y cuerpo a la cerveza. :

– Dextrinas

– Péptidos

– Peptonas

Hidrólisis de biopolímeros

• Se requieren varios intervalos temperatura-tiempo para activar las diferentes enzimas relevantes para la hidrólisis

• Producto final: mezcla de nutrientes para la fermentación con levadura y con componentes de sabor

Hidrólisis de la malta

Enzima Sustrato (o enlace) atacado

Productos de la hidrólisis

Temperatura de máxima actividad (°C)

α-Amilasa Almidón (todos los enlaces)

Fragmentos largos de dextrinas, amilosa

70-75

-Amilasa Amilosa (enlaces -1,4)

Maltosa 57-65

Proteasas Proteínas Amino ácidos, peptonas pequeñas

50

Peptonas grandes 60

Pre-tratamiento de fermentación

Una vez realizada la hidrólisis, el mosto

• Se clarifica

• Se hierve y

• Se le añade lúpulo

– Contribuye al sabor, aroma y color de la cerveza

– Acción antibacterial

Fermentación

• El mosto esterilizado se enfría y se inocula con una cepa específica de S. cerevisiae

• Etapa 1. Crecimiento celular:

– Cultivo en condiciones de aireación

• Etapa 2. Producción de etanol y CO2

– Etapa en condiciones anaerobias

Tratamiento final

• Para la obtención del producto final se realizan los procesos de:

–Clarificado

–Pasteurizado

–Añejado

– Envasado

PRODUCCIÓN DE VINO

PRODUCCIÓN DE VINO

• Para la producción de vino se requiere cualquier fruto maduro o extracto vegetal

• Estrictamente el vino es el producto fermentado de la uva

• Debe contener 12-30% azúcar

Inóculo

• Puede ser levadura silvestre – inoculación espontánea – en la piel de la fruta

• Cepa seleccionada

• Previo a la inoculación el jugo es pasteurizado

Fermentación

• Etapa aerobia de crecimiento celular hasta concentración de biomasa deseada

• Etapa anaerobia (fermentación): producción de etanol (7-15%) y CO2

• Algunos ácidos grasos producidos son degradadados por bacterias en la etapa de post-fermentación: buquet del vino

Fermentación

• Temperaturas de fermentación:

– Vinos blancos: 8-14°C

– Vinos tintos: 25-30 °C

• Inhibidores de la fermentación:

– Alcohol en concentraciones mayores a 16%

– Lípidos

– Levaduras asesinas

Tipos de productos

• Depende del fruto usado

– Variedad de uvas, chabacano, duraznos

• La cepa de levadura y bacterias usadas

• Fortificación (adición de alcohol)

Industria vinícola

• Producción de vino

– Europa: 80%

– América: 15%

• Rango amplio de tamaño de compañías:

– Empresas familiares

– Empresas de gran escala

Procesos post-fermentación

• Calentamiento

• Enfriamiento

• Añejamiento

• Clarificación

• Envase

Evaluación del vino

• Carácter – Acidez

– Dulzor

– Amargor

– Astringencia (debido a taninos)

• Apariencia – Claridad

– Color

• Olor, aroma y bouquet, sabor (medida compleja)

Diagrama elaboración licores

Producción de oxiquímicos

Producción de oxiquímicos a partir de fuentes renovables

Producción de bioetanol

• Usado previo a la Segunda Guerra Mundial

• La industria petrolera en 1945 desplazó al bioetanol

• Los incrementos actuales en el precio del petróleo causaron un resurgimiento de la producción de bioetanol

Características del combustible

1. Producto líquido, fácil de transportar

2. Capacidad calorífica por galón es alta (2/3 de gasolina)

3. Puede mezclarse hasta 10% con gasolina sin cambio en el comportamiento del motor)

4. Puede mejorar el octanaje de gasolinas sin plomo

5. Reemplazo de importaciones de petróleo

Materias primas

• Azúcares: jugo de caña, casava, melazas

• Almidones (granos de cereal)

• Madera

• Residuos de agricultura: trigo, maíz

• Residuos industriales, forestales y urbanos

Selección de fuente de carbono

• Materiales refinados: sustrato más fermentable y puro, pero más caro

• Uso de residuos: material barato pero más heterogéneo (puede aumentar considerablemente los costos y procesos de pre-tratamiento)

– Ejemplo: Uso de mazorcas de maíz. El pretratamiento constituye cerca del 50% del costo totales del proceso

Pretratamiento sustrato: Hidrólisis ácida de residuos de maíz

Producción de etanol a partir de celulósicos

Concepto %

Preparación del sustrato 5.0

Hidrólisis 19.0

Recuperación ácida 29.4

Fermentación y purificación 19.2

Servicios y transporte 27.4

Proceso industrial típico

• Fermentación por lotes

• Tiempo de fermentación: 50 h

• pH inicial = 4.5

• T = 20-30°C

• Rendimiento de etanol de cerca de 90% del valor de azúcar teórico.

• Concentraciones finales de alcohol: 10-16% v/v

Áreas de desarrollo

1. Los costos de materias primas son altos

2. La velocidad de reacción es lenta

– Altos requerimientos de volumen de reactor

– Adicionan alrededor de 20 c/gal al costo final

Áreas de desarrollo

3. Los productos secundarios deben ser recuperados

• Ventas de levaduras como suplemento (alimentación animal) pueden reducir los costos de etanol (22c/gal)

4. La destilación es un proceso energéticamente intensivo, pero eficiente:

• 30% del valor de calor de combustión en el proceso de destilación.

Procesos biológicos novedosos

• Proceso convencional (lote)

– Baja productividad: 1.8-2.5 g L-1 h-1

– Altos costos fijos y de operación

• Operación a presión reducida

– Volatilización de alcohol durante fermentación

– Reducción de inhibición por producto

• Procesos de configuración continua

• Reciclaje de células y sistemas con vacío

Procesos biológicos novedosos

• CSTR simple

– Productividad baja: 6 g L-1 h-1

Procesos de configuración continua:

a) Con reciclaje de células

– Alta productividad: 30-40 g L-1 h-1

– Requerimientos de energía y de operación

Procesos biológicos novedosos

Procesos de configuración continua:

• Con operación al vacío

– 12 veces mayor productividad que CSTR simple: 80 g L-1 h-1

– Alimentación de 33% (w/v)

– 50 mmHg

– Sistema mecánicamente complicado

Procesos biológicos novedosos

• Uso de bacterias Zymomonas mobilis en lugar de levaduras:

– Mayor velocidad de asimilación de glucosa y de producción de etanol

• Uso de células inmovilizadas

– Mucho mayores productividades volumétricas que cultivos suspendidos

– Vida media de las células es relativamente corto

Procesos biológicos novedosos

• Fermentadores de torre alta

– Consiste en levadura que flocula fácilmente

– En el reactor se forma un tapón de levaduras en la base (conc. de 50-80 g L-1)

– En lo alto de la torre se tiene un deflector de gran diámetro que retiene las células por sedimentación

– Requiere semanas para estabilización y arranque

– Operación continua puede durar años

Costos de producción

Procesos alternativos

Procesos alternativos