1.
Fermentación alcohólica
Luis Alanoca; Ingrid Matos; Diego Suarez; Guadalupe Díaz

2.
I. Introducción
La humanidad emplea la fermentación alcohólica
desde tiempos inmemoriales para la elaboración de
cerveza y del vino fundamentalmente. Tiene como
finalidad biológica proporcionar energía anaeróbica
a los microorganismos unicelulares (levaduras) en
ausencia de oxígeno para ello disociar las moléculas
de glucosa y obtener la energía necesaria para
sobrevivir, produciendo el alcohol y CO2 como
desechos de la fermentación
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3.
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II. Objetivo
-Analizar la fermentación alcohólica a nivel
industrial.
-Comprender la vía metabólica y su proceso
en la fermentación alcohólica
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4.
III.CONTENIDO

5.
1. BIOTECNOLOGÍA

6.
Historia
Al preparar el pan, vino o la cerveza, los hombres
empleaban, sin saberlo, unos microorganismos
muy útiles: las levaduras. Son hongos unicelulares
capaces de transformar azúcares en alcohol. Este
proceso se denomina fermentación alcohólica y fue
descubierto y descrito por Luis Pasteur recién en
1856.
En la época de Luis Pasteur, las teorías científicas
reconocían la presencia de levaduras en la
fermentación alcohólica, pero estas levaduras eran
consideradas como un producto de la
fermentación.
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6

7.
Fundamentos del
proceso de
fermentación.
La fermentación alcohólica es un proceso exotérmico,
de manera que la temperatura tiende a elevarse,
afectada por factores como son:
-La concentración de azúcar del mosto.
-La temperatura inicial del mismo.
-La velocidad de fermentación.
-La temperatura y aireación de la bodega.
-El diámetro y material del tanque de fermentación.
El calor se puede perder espontáneamente por
difusión al medio exterior, por la evaporación del etanol
y el agua y por la liberación de CO2, por lo que es
evidente que se requieren sistemas adicionales de
control de la temperatura para mantener una
fermentación básicamente isotérmica. Por estos
motivos el control de la temperatura es un parámetro
esencial en enología.
7

8.
Microorganismos en la fermentación
• Entre los muchos microorganismos que han sido
utilizados para la producción de etanol, se
encuentra la levadura. Zymomonas Mobilis se ha
estudiado intensamente durante las últimas tres
décadas.}
• En los sistemas de fermentación las levaduras
requieren como principales nutrientes una fuente
de carbono o glucosa. Sin embargo, una alta
concentración de este último sustrato puede
inhibir el crecimiento dela levadura y la
fermentación como resultado de una elevada
presión osmótica. Este efecto puede ocurrir a
concentraciones de azucares fermentables en el
rango de 125 y 250 g/l.
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Zymomonas
Mobilis

9.
Microorganismos en la fermentación
• Las levaduras usualmente presentan su pH optimo entre 4 y
6, pero pueden crecer en un amplio intervalo de pH de 2,5 a
8,5. Saccharomyces cerevisiae es una especie mesofila que
puede crecer a temperaturas moderadas (20-40 ºC). A estos
niveles de pH y temperatura ocurre la producción de etanol.
• En lo que respecta a la contaminación por parte de otros
microorganismos en los medios de fermentación, las
levaduras presentan un carácter killer que radica en la
capacidad que tienen ciertas cepas de sintetizar y secretar
una toxina proteica (factor killer) que resulta letal para otras
cepas de levaduras, de su mismo género y especie o no,
denominadas estas últimas cepas sensibles. Las levaduras
productoras del factor killer son inmunes a las toxinas que
ellas mismas producen.
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Saccharomyces cerevisiae

10.
Requerimientos de los
microorganismos
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Las levaduras usualmente
presentan su pH optimo entre 4 y
6, pero pueden crecer en un
amplio intervalo de pH de 2,5 a
8,5. Saccharomyces cerevisiae es
una especie mesófila que puede
crecer a temperaturas
moderadas (20-40 ºC). A estos
niveles de pH y temperatura
ocurre la producción de etanol.

11.
CARACTERÍSTICAS DEL METABOLISMO CELULAR
11
La fermentación alcohólica convierte una molécula de glucosa en dos moléculas
de etanol y dos de CO2. Para ello, la hexosa es atacada por las enzimas de la
glucólisis que la convierten en piruvato; éste es descarboxilado por la enzima
piruvato descarboxilasa, para producir acetaldehído y CO2; finalmente, la
deshidrogenasa alcohólica convierte al acetaldehído en etanol, en una reacción
que utiliza una molécula de NADH. Por lo tanto, en este tipo de fermentación el
aceptor final de electrones es el acetaldehído. Hay varios microorganismos que
efectúan esta vía metabólica. Por medio de estas reacciones se obtienen todos
los tipos de bebidas alcohólicas.

12.
2.BIOQUÍMICA

13.
RUTA METABÓLICA
PARA LA PRODUCCIÓN
DE BIOETANOL
Saccharomyces Cerevisiae ha sido uno de los
microrganismos más utilizados en la producción
de etanol. Esta emplea como ruta metabólica la
Glicólisis para la fermentación y/o producción de
bioetanol. Bajo condiciones anaeróbicas el
piruvato es reducido a etanol con la liberación de
CO2, teóricamente el rendimiento es de 0.511 y
0.489 para etanol y CO2 respectivamente a partir
de una mol de glucosa metabolizada.
De acuerdo con la vía glucolitica que se muestra
en la figura 1, por cada molécula de glucosa se
hidrolizan o se gastan dos ATP y se producen
cuatro moléculas de ATP, por lo que existe una
ganancia de energía de dos ATP. Los últimos son
utilizados para conducir la biosíntesis de células de
levadura que implica una variedad de bio
reacciones que requieren energía.
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14.
RUTA METABÓLICA
PARA LA PRODUCCIÓN
DE BIOETANOL
En la glicolisis hay tres reacciones que constituyen
puntos de control.
-La primera es la reacción de la glucosa para producir
glucosa 6-fosfato catalizada por la hexoquinasa
-la segunda la producción de fructuosa- 1-6-bifosfato,
es catalizada por la fosfofructoquinasa
-la última es la reacción que permite la conversión de
fosfoenolpiruvato a piruvato, catalizada por la piruvato
quinasa.
La piruvato quinasa es la enzima que cataliza la ultima
reacción o el tercer punto de control de la vía
glucolitica. Es una enzima aldoesterica que se inhibe en
presencia de ATP, la conversión de fosfoenolpiruvato a
piruvato se hace mas lenta cuando la célula tiene alta
concentración de ATP, es decir cuando la célula no
tiene gran necesidad de energía en forma de ATP
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15.
Reacciones de biotransformación de la
fermentación alcohólica
15

16.
Reacciones de biotransformación de la
fermentación alcohólica
No derivadas de la vía glicolítica
• Ruta oxidativa del fosfogluconato.
• Fermentación heteroláctica.
• Ruta de Entner-Doudoroff.-
Fermentación alcohólica de
Zymomonas liridneri.
• Escisión C2 — C4: Ruta
fermentativa de Bifidobacterium,
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17.
Reacciones de biotransformación de la
fermentación alcohólica
Vía glicolítica de Embden-Meyerhof
• En las reacciones iniciales se utilizan 2 moles de ATP para formar
1 mol de fructosa-1,6-difosfato. Esta se escinde, por la acción del
enzima aldolasa, en dos triosasfosfato, - gliceraldehfdo-3-fosfato
y fosfato de dihidroxiacetona, fácilmente interconvertibles.
• La oxidación de la triosafosfato, acoplada a la reducción de
NAD* es acompañada de una esterificación de fosfato
inorgánico.
• Las etapas subsiguientes en la conversión de este compuesto en
ácido pirúvico permiten la transferencia de ambos grupos
fosfato al ADP.
• La vía de Embden-Meyerhof es el mecanismo más extendido
para la conversión de glucosa en ácido pirúvico, y es utilizado
por muchos grupos de bacterias, además de por las levaduras de
la fermentación alcohólica (Tabla 1). Los distintos tipos de
fermentaciones que aquéllas llevan a cabo reflejan
exclusivamente diferencias respecto al metabolismo del ácido -
pirúvico.
Vía glicoíticade Embden-Meyerhof.
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18.
Reacciones de biotransformación de la
fermentación alcohólica
• La fermentación alcohólica se
lleva a cabo en tejidos
vegetales, en ciertos hongos v
en particular en levaduras. El
esquema metabólico seguido
es la vía glicolítica de
Embden-Meyerhof hasta el
ácido pirúvico. A
continuación, el piruvato se
decarboxila no
oxidativamente por acción de
la decarboxilasa pirúvica, un
enzima que requiere
tiaminpirofosfato (TPP) y Mg
^+ produciendo acetaldehido
y CO2
Fermentación alcohólica • En la fermentación alcohólica
industrial se utilizan casi
exclusivamente levaduras,
siendo la especie empleada
dependiente del tipo de
carbohidrato utilizado como
materia prima.
• El tiempo de fermentación
varía entre limites muy
amplios, según la temperatura,
concentración de azúcar, y cepa
fermentadora.
• La produción de etanol es
básicamente similar en las
etapas de desarrollo del
inoculo a la producción de
levadura - pienso, pero el
producto final depende de que
opere o no el mecanismo de
control metabólico conocido
como "efecto Pasteur".
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18

19.
Reacciones de biotransformación de la
fermentación alcohólica
Fermentación alcohólica
• Las bebidas alcohólicas fermentativas tuvieron su
origen en procesos fermentativos espontáneos y se
produjeron de un modo empírico por el hombre
desde la antigüedad. Solamente en tiempos
recientes, los métodos modernos de la
microbiología industrial han sido aplicados a su
producción. Al contrario de la producción industrial
de alcohol, la producción de vinos y cervezas, no
sufre la competencia de los productos sintéticos
debido a que el "carácter" de cada bebida
depende de la interacción entre una serie de
factores biológicos no bien definidos en términos
físicos o químicos.
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20.
Ciclos Implicados
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En óptimas condiciones, S.
cerevisiae puede duplicar su
población cada 90 minutos. El ciclo
de división celular en la
multiplicación vegetativa consiste
en cuatro fases: G1 (periodo que
precede a la síntesis de ADN), S
(periodo donde se sintetiza el ADN),
G2 (periodo anterior a la mitosis), y
M (donde ocurre la mitosis y la
citoquenesis)
Esquema del ciclo celular de la
gemación de las levaduras

21.
Ciclos Implicados
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X
21
Bajo condiciones de limitación de
nutrientes, las células diploides
entran en meiosis, generando
cuatro ascosporas haploides, dos
ascosporas de signo sexual MATa y
dos MAT, envueltas en un asca.
Cuando las ascosporas se liberan del
asca y germinan pueden empezar a
multiplicarse y generar una línea
celular haploide.
Representación esquemática del ciclo reproductivo de
las levaduras

22.
Fases de la fermentación
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Fase de latencia
• En esta fase inicial,
la población de
levaduras en forma
de ascas no crece,
pues su estado
larvario no les
permite metabolizar
los azucares ni
arrancar la
fermentación (dura
15 horas
aproximadamente).
Fase de multiplicación
• Se produce en un
medio favorable;
por tanto, se
incrementa la
población de
levaduras por vía
vegetativa. El
metabolismo de las
levaduras actúa y la
fermentación
avanza (dura de 1 a
4 días).
Fase estacionaria
• Debido a los
factores externos
desfavorables, se
detiene el
crecimiento de la
población de
levaduras. Las
células existentes
mantienen la
fermentación
Fase de declive
• Disminuye
progresivamente la
fermentación. El
medio es hostil, no
solo a la
reproducción, sino
también a la
supervivencia de las
levaduras. La
fermentación se
detiene.

23.
Factores que afecta el proceso de
fermentación alcohólica
El proceso de fermentación se
realiza sin un control sobre las
variables que pueden afectar
directamente la calidad de la
fermentación. Entre los
factores que afectan el
proceso de fermentación
están: la temperatura, la
concentración de sustrato,
oxigeno, el pH, la
concentración de nutrientes
entre otros (Agu et al., 2008).
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pH
•El nivel de acidez o
basicidad que contenga el
medio que contendrán las
levaduras que promoverán
la producción de alcohol,
determinará el nivel de
consumo de sustrato, así
como la velocidad de
fermentación.
Temperatura
•La temperatura para que
las levaduras puedan
trabajar tienen un rango de
13-14°C hasta los33-35°C
de acuerdo al tipo de
producto a elaborar y la
levadura a utilizar. Dentro
de este intervalo, cuanto
mayor sea la temperatura
mayor será la velocidad del
proceso fermentativo
siendo también mayor la
proporción de productos
secundario.
Alteración del oxígeno
•Según Chirino et al.(2008)
el mosto ha de ser aireado
para que el oxígeno
contenido en el aire se
disuelva en el mosto y sirva
a la levadura como
elemento de multiplicación.
•La multiplicación de la
levadura en un medio
oxigenado produce células
mucho más jóvenes y
vigorosas y de mayor poder
que levadura proveniente
de un estado de inactividad.

24.
3.PRODUCTOS

25.
Elaboración de productos
25

26.
PRODUCTOS
FERMENTACIÓN DEL VINO
• La fermentación del vino es de las más conocidas y
estudiadas por afectar a una industria muy
extendida y con gran solera. En el caso del vino las
levaduras responsables de la vinificación son unos
hongos microscópicos que se encuentran de forma
natural en los hollejos de las uvas.
• Las especies de levaduras empleadas en la
elaboración del vino suelen ser por regla general
las Saccharomyces cerevisiae aunque a veces
también se emplean la S. bayanus y la S. oviformis
• Losvinos blancos fermentan a temperaturas
relativamente bajas de 10º-15 °C y los vinos tintos
a temperaturas mayores de 20º-30 °C.
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27.
PRODUCTOS
FERMENTACIÓN DEL ARROZ
• En los países asiáticos la abundancia natural del arroz debido
a las características climáticas permite que se pueda emplear
en la elaboración de fermentaciones alcohólicas en forma de
bebida como es el sake (conocida en Japón como nihonshu (
日本酒? "alcohol japonés"), así como el vino de arroz.
• Los principales microorganismos empleados en la
elaboración de estas bebidas alcohólicas a base de arroz son
el Aspergillus oryzae, elLactobacillus sakei, el Leuconostoc
mesenteroides var. sake y la Saccharomyces sake.
• La fermentación se toma un periodo que va desde los 30 a los
40 días. El sake tiene tres fases de elaboración: la koji, la
motto y la moromi que se realiza en la denominada
fermentación de estado sólido
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28.
4. DISTRIBUCIÓN DE
FABRICA Y MAQUINARIA

29.
Planta Procesadora
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29
Planta procesadora de Bioetanol

30.
Layout
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30
Instalación piloto de 100 Lt para producción de bioetanol a partir de melazas

31.
Equipamiento Industrial
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31
A: Biorreactor de fermentación
B y C: Recipientes de almacenamiento de ácido y de base
respectivamente
D: Recipiente de recolección de levaduras y vinasas para el reciclaje
E: Decantador
Mn: Recipiente de almacenamiento de melazas
F: Válvulas automáticas
G: Intercambiador de calor para el calentamiento del caldo de
fermentación
H: Intercambiador de calor para el enfriamiento
J: Recipiente de recolección de vinasas
K: Recipiente de recolección del caldo de fermentación
L: Columna de destilación
M: Bomba para la crema de levaduras
N: Bomba de alimentación a la columna de destilación
O: Bomba de reciclaje de levaduras
P: Bomba para el reciclaje de vinasas
Fm: Flujo de melazas
Fe: Flujo de agua
Fair: Flujo de aire
CO2: Flujo de dióxido de carbono Intercambiador de Calor

32.
Equipamiento Industrial
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32
Es un recipiente de forma
cónica. El medio de cultivo
fermentado se evacúa y
luego se recupera en un
depósito de recolección,
para ser enviado a la
columna de destilación.
Decantador Industrial

33.
Equipamiento Industrial
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33
Recipiente de forma
cilíndrica, en acero
inoxidable, equipado con
sistemas de medida
[temperatura, pH, volumen],
de entrada (para las melazas
(Fm), agua (Fe), vinasas,
ácido y sosa)]; y de salida
(para el cultivo fermentado,
para la evacuación del aire,
para la evacuación del
dióxido de carbono y
evacuación de las levaduras
en exceso). Un motor
permite agitar el líquido
evitando así la formación de
gradientes de concentración
y temperatura. Biorreactor de la fermentación

34.
5. MERCADO

35.
Canales de comercialización nacional
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Lugar de compras más
frecuente (Principales
respuestas)
Total
2015
%
NSE
A% B% C% D% E
%
Supermercado /
autoservicios
36 41 * * * *
Farmacia 23 43 * * * *
Consultora 17 3 * * * *
Mercado / puestos 9 0 * * * *
Bodega 8 2 * * * *
Base 87 52 * * * *
Lugar de compras más
frecuente (Principales
respuestas)
Total
2017
%
Total
2018
%
Supermercado / autoservicios 32 51
Farmacia 50 35
Consultora 13 6
Bodega * 2

36.
Canales de comercialización
internacional
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36
Año
2015 2016 2017 2018 2019
Exportadores
Chile 6530 7120 7952 8245 9102
Colombia 5230 6892 7524 7921 8123
Argentina 6321 6987 7925 8425 9452
Mercados que importan biodiesel y alcohol etílico

37.
6. IMPORTANCIA
EN LA SALUD

38.
Funcionalidad
38
Se estima que el 3,8 % de las
muertes registradas son por el
exceso de consumo de alcohol. Sin
embargo el consumo moderado de
algunas bebidas alcohólicas puede
constituir un beneficio a la salud tal
que puede disminuir los riesgos de
contraer enfermedades
cardiovasculares, formación de
coágulos en la sangre, entre otros
beneficios.
La cerveza contiene antioxidantes,
incluyendo polifenoles y ácidos
fenólicos tales como ácido ferúlico,
que ha demostrado ser tomado de
manera más eficaz en el cuerpo de
la cervezas. La cerveza contiene

39.
7. APLICACIONES
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39

40.
Cuidado del cultivo
microbiano
40
• Cualquier producto que contenga azúcares
fermentable o hidratos de carbono
transformables en aquéllos (almidón o
celulosa) puede servir para obtener alcohol.
• Ahora bien, dependiendo del tipo de biomasa
de partida, es necesario analizar con detalle el
rendimiento de este proceso de conversión de
la biomasa en alcohol combustible, para poder
evaluar su viabilidad técnica y económica, ya
que, cuando la materia prima es rica en
almidón o celulosa, es necesario someterla
previamente a ciertos procesos para
transformarla en compuestos fermentables
Azucarad
as
Mostos y jugos de
diversas frutas
Remolacha y caña de
azúcar
Sorgo azucarado
Algarroba
Mandioca
Amilácea
s
Cereales Maíz
Cebada
Malta
Trigo
Avena
Centeno
Arroz
Tubérculo
s
Patata
Boniato
Pataca
Raíz de girasol
Celulósic
as
Madera
Bagazo de caña de
azúcar
Residuos de paja de
Tabla
4
Grupos
de
biomasa
para
fermentació
alcohólica

41.
Pre tratamiento e
Hidrólisis
• El pretratamiento tiene como objetivo transformar la biomasa a
utilizar cuando ésta es poco asequible a la fermentación.
• Cuando se trabaja con biomasa que contiene almidón, se suele
someter ésta, además, a una cocción, con objeto de gelatinizarla, es
decir, impregnarla bien de agua para obtener una masa homogénea.
• La hidrólisis, o ruptura de las moléculas en medio acuoso, tiene
como finalidad la transformación de los polímeros de glucosa
(almidón y celulosa) en azúcares sencillos.
• La hidrólisis enzimática se lleva a cabo con la ayuda de enzimas
obtenidos de microorganismos.
• La hidrólisis química de la celulosa se efectúa preferentemente con
los ácidos clorhídrico y sulfúrico (hidrólisis ácida) o con una base
fuerte (hidrólisis alcalina).
41

42.
Fermentación
alcohólica
• Una vez que la biomasa conteniendo hidratos de
carbono se ha transformado en una solución
azucarada se puede someter está a un proceso de
fermentación con objeto de convertir los azúcares
en etanol.
• Los microorganismos generalmente empleados
son las levaduras, hongos unicelulares
ampliamente distribuidos en la Naturaleza.
• Tradicionalmente, la fermentación alcohólica ha
sido un proceso discontinuo de duración entre 2 y
3 días, después de los cuales se retira la masa
fermentada para su destilación

43.
Separación y
purificación del
etanol
• En la masa de fermentación, el etanol sólo se
encuentra en una concentración máxima del 8
al 12%.
• Industrialmente se emplea la rectificación (una
forma de destilación) para separar el etanol de
la masa fermentada. Esta operación se hace
normalmente en dos etapas.
• En la primera destilación, la fracción de cabeza
contiene etanol al 50 - 60% y otros productos.
• El efluente intermedio contiene una disolución
de etanol al 95%, pureza imposible de superar
por destilación ya que se trata de una mezcla
azeotrópica,

44.
Aplicaciones en la industria
alimentaria
Las fermentaciones específicas
son manipuladas por el
hombre con el objeto de
obtener el etanol en ciertas
bebidas. Para ello se emplean
principalmente los azúcares de
las frutas, los cereales y de la
leche.

45.
Aplicaciones en la
industria
alimentaria
Las fermentaciones específicas son manipuladas
por el hombre con el objeto de obtener el etanol
en ciertas bebidas. Para ello se emplean
principalmente los azúcares de las frutas, los
cereales y de la leche.
La producción de estas bebidas es en la mayoría de
los casos local debido a la disponibilidad de los
substratos, por ejemplo en los países
mediterráneos la uva es frecuente y por lo tanto la
fermentación del vino también
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45

46.
Aplicaciones en la industria alimentaria
Tej etiope (Europa del
Norte)
Nattō (Japón)
• Las diferentes culturas
del mundo emplean
de una forma u otra
esta fermentación
como identificación
cultural, debido quizás
a que se suele
emplear alguna fruta
o verdura propia de la
región.
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Las fermentaciones realizadas con azúcar de caña en los vinos
azucarados como:
• Sake (japonés) • El basi filipino
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Los vinos de palma elaborados con la hoja de la palmera,
algunos como:
• El ogogoro de Nigeria • El kalu de la India
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Otras aplicaciones
no alimentarias
El empleo de la fermentación alcohólica tiene un
éxito potencial en el tratamiento de los residuos de
la industria alimenticia. Un proceso industrial muy
investigado a comienzos del siglo XXI es la
fermentación en estado sólido empleada en la
biomedicación y en la biodegradación de productos
de desecho, la transformación biológica de residuos
agroindustriales, en la producción de compuestos
bioactivos, de enzimas, de ácidos orgánicos,
biopesticidas, biocombustibles y compuestos
aromáticos, entre otros.
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Otras aplicaciones no
alimentarias
El uso del bioetanol en los combustibles fue visto en un principio como un sustituto
parcial de la gasolina, como un mejorador de octanaje y como un agente, siendo así
uno de los más prometedores a partir de fuentes renovables (Mejías, 1990).
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Otras aplicaciones
no alimentarias
Otros estudios han dado lugar al concepto de
inmovilización de células como nueva estrategia
de fermentación. Amutha y colaboradores
desarrollaron un estudio de producción de
etanol a partir de almidón licuado usando
células co-inmovilizadas de Zymomonas mobilis
y Sacharomyces diastaticus obteniendo una
mayor concentración de etanol en comparación
a la producción mediante el uso de células libres
(Amutha et.al.2001).
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Otras aplicaciones no
alimentarias
El uso de bioetanol bruto representa en la actualidad
un reto para la aplicación industrial rentable del
bioetanol en la obtención del hidrógeno, puesto que
se evitaría el proceso de rectificación necesario para
separar el etanol puro del resto de componentes
presentes en el bioetanol bruto. Hay que tener en
cuenta que la purificación representa un enorme
impacto (50-80%) en los costes de producción de
bioetanol. El bioetanol bruto contiene alcoholes
superiores como principales impurezas, además de
aldehídos, aminas, ácidos y ésteres.
Otros usos de la fermentación son la producción de
suplementos como la cianocobalamina.
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