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SACARIFICACION ENZIMATICA

Características del proceso • Proceso de elevado rendimiento • Pueden desarrollarse procesos a régimen continuo • Permiten acoplarse con procesos de destilación continua • Los procesos son altamente reproducibles • Pueden mecanizarse completamente

Rendimiento en producción de etanol L etanol/100Kg almidón

%

Estequimetrico

72

100

Max. obtenible

68.4

95

62 - 65

86 - 90

Estandar industrial

Un 5% de almidón se pierde en la producción de biomasa de levaduras y en la formación de subproductos de la fermentación Glicerol Acido succínico Acido Piruvico Acidos organicos

Estándares de distintas materias primas

Estructura del almidón

Diagrama de producción de etanol por sacarificación enzimática

La operación de la gelatinizacion • El almidón se encuentra en los tejidos en forma de granulo de distinta forma y tamaño • Lo granos están recubierto por polifosfatos • El almidón en los gránulos está altamente replegado sobre si mismo (estratificado) En esas condiciones las enzimas amilasas presentan una baja actividad

La gelatinización del almidón • Cuando el almidón es tratado con agua caliente los granos de almidón absorben agua y gradualmente cambian su estructura, dispersándose en la solución • Este proceso es denominado GELATINIZACION

Temperatura de gelatinización • Una mayor temperatura determina – – – –

Aumento de la velocidad de ge latinización y rendimiento Aumento de la velocidad de hidrólisis enzimática Disminución de la viscosidad Aumento de la filtrabilidad del mosto

• Pero un aumento en la demanda de energía • Con algunas materias primas la velocidad optima de gelatinización es solo obtenida a temperaturas a las que la enzima es muy poco estable • Lo anterior se soluciona separando las etapas de gelatinización y licuefacción solo se puede hacer con medios de baja concentración de materia seca

Etapas de la degradación del almidón • La degradación del almidón gelatinizado cuenta de dos etapas – Licuefacción – Sacarificación • La primera etapa se remite a bajar la viscosidad de la pasta obtenida, esta etapa es critica • Si la pasta de elevada viscosidad se enfría, se produce una cristalización de la amilosa la que se torna insoluble (almidón retrogradado). • La amilosa en estas condiciones constituye una perdida ya que no es hidrolizada por las enzimas

Licuefaccion • Se efectúa por medio de la actividad de un αamilasa, las hay de distintos orígenes y con distinta tolerancia a la temperatura • La α-amilasa en una endo enzima que corta en forma al azar el almidón en los enlaces α-1,4, tanto de amilosa como de la amilopectina. • Su producto son dextrinas de distinta estructura (lineales y ramificadas). • Esta actividad baja de manera rápida e intensa la viscosidad de la pasta de almidón

Sacarificación • Se realiza por medio de una enzima que actua frente a cualquiera de los dos tipos de enlaces presentes. Se denomina: – Glucoamilasa o Amiloglucosidasa

• Es una exo enzima ya que opera en los terminales de las cadenas produciendo cada vez una molécula de glucosa • En algunos países se conoce como spiritzime o spiritamylase

Fuentes de amilasa

Fuentes y tipos de enzimas utilizados • Las enzimas provienen de bacterias y de hongos – Amilasa termosensible (BAN) de origen bacterial Bacillus subtilis – Amilasa termoresistente obtenida a partir de Baciluus licheniformes – Amiloglucosidasa Aspergillus niger

• Las formulaciones son liquidas de alta concentración • Pueden ser almacenadas por unos 3 meses a 25º C sin perdida de actividad • A 5º C su duración se extiende hasta un año

Efectos del calcio sobre la estabilidad de las amilasas

VALORES OPTIMOS DE LA AMILASA BACTERIANA NORMAL TEMPERATURA

Sustrato: almidón soluble 5 g/L Ph 5,7

pH

VALORES OPTIMOS DE LA TERMAMYL TEMPERATURA

Sustrato: almidón soluble 5 g/L Ph 5,7

pH

Efecto de Temperatura y pH sobre la actividad de la AMILOGLUCOSIDASA TEMPERATURA

pH pH

Sustrato 30% de maltosa Ph 4,5

Temp =55 º

Tipos de procesos • Los procesos puede desarrollarse en régimen discontinuo y continuo • Pueden también diferenciarse respecto del porcentaje de materia seca utilizado en proceso – Baja MS (15 a 20%) produce mostos con un alcohol potencial de 9 a 11 º GL. – Procesos de alta MS 30 a 35% son problemáticos de tratar por su elevada viscosidad, pero consumen menos energia

Consumos de energía en procesos discontinuos y continuos

Proceso discontinuo de sacarificación

Procesos continuos • Están constituidos de tres etapas – Pre-licuefacción solo se logra una gelatinización parcial para bajar la viscosidad – Gelatinización a elevadas temperatura – Post licuefacción

• En estos procesos se logra una elevada recuperación de energía a través de intercambiadores de calor y recompresión de los vapores

Factores de la sacarificación • Disgregación de la material a sacarificar • Concentración de materia seca • Concentración de ión Ca+2 en el pasta: incrementa la estabilidad de la amilasa a elevadas temperaturas • Ph: pH menor a 6 reduce la estabilidad de la amilasa, especialmente a temperaturas elevadas • Un pH mayor a 5 - 5,5 reduce la velocidad de sacarificación y de fermentación • Por ello el pH del mosto se ajusta con álcali en la etapas de licuefacción y con acido en la de sacarificación y fermentación.

Proceso continuo de sacarificación

Procedimiento continuo de sacarificación

Proceso con elevada concentración de materias seca

Su principal problema es la elevada viscosidad al gelatinizarse el almidón Se debe utilizar enzima de alta estabilidad térmica La estabilidad de la enzima se logra con ajuste del pH a 6 – 6,5 y una concentración de Ca de a los menos 50 ppm

Dosificación de las enzimas • Depende de variados factores: – Valor de pH óptimo (depende de la enzima) – Niveles de temperatura – Concentraciones de ión Ca+2 – Concentración de materia seca – Velocidad necesaria de sacarificación

• La dosis se expresan en porcentaje respecto del peso de almidón. Ellas van de: 0,01 a 0,06%

FERMENTACION • Por razones de economía la mayoría de los procesos son también continuos • Determina que las velocidades de sacarificación y de fermentación deben estar en una relación constante. • La fermentación por ser un proceso biológico es difícil de mantener a un velocidad constante se debe controlar la concentración de azucares, de nitrogeno y vitaminas.

Factores del comportamiento fermentativo • Temperatura concentración de solutos fermentativos • Concentración de enzima glucoamilasa • pH • Nutrimentos para la levadura • Aireación del mosto

Temperatura de fermentación Depende de las condiciones de pH del mosto sacarificado (5.0 ± 0,5) • La velocidad de reproducción de las levaduras aumenta hasta una Tº de 30 º C • La velocidad de fermentación aumenta hasta los 35º C dependiendo de la cepa de levadura • La fermentación completa de la glucosa se realiza en 24 a 30 horas

DESTILACION CONTINUA