Resumen - Fermentacion

FERMENTACION Transformación enzimática de compuestos orgánicos complejos en otros orgánicos mas simples, con la liberación de energía y generalmente asociado con desprendimiento de gas carbónico (CO2) Microorganismos: vegetales, generalmente de tamaño microscópico, pertenecientes a la clase de hongos de las talofitas (plantas que crecen en forma de talo). Algas Musgos Líquenes TALOFITAS Hongos

Musilaginosos Bacterias Hongos Mohos (pluricelulares) Levaduras (unicelulares) Otros

Levaduras: se aplican industrialmente en la producción de alcohol o de bebidas alcohólicas, producen glicerol, hacen subir el volumen en la fabricación del pan y son una fuente de proteínas, vitaminas y enzimas. Tipos de microorganismos  Aeróbicos: solo pueden desarrollarse y reproducirse en presencia de aire (medio aeróbico). Viven y catabolizan solamente en presencia de aire por oxidación aeróbica exclusivamente.  Anaeróbicas: solo pueden desarrollarse y reproducirse en ausencia total de O2 atmosférico. Viven y catabolizan solamente en ausencia de aire y respiran exclusivamente por fermentación.  Mixtas o facultativas: pueden desarrollarse y reproducirse tanto en medio aeróbico como anaeróbico. Pueden vivir y respirar en ausencia o presencia de aire. Se dividen en varios subgrupos según la sensibilidad al oxigeno. Proceso de Fermentación 1) CRECIMIENTO 2) DESARROLLO: proceso por el cual el organismo se desarrolla, reproduce y propaga. Implica el crecimiento individual del microorganismo y el crecimiento de la colonia (conjunto visible) por medio de la reproducción. 3) CONSERVACIÓN CELULAR a. Anabolismo: proceso de construcción del microorganismo (hay consumo de energía suministrada por la desasimilación) i. Asimilación: proceso endoenergético (consume E) por el cual una sustancia del sustrato pasa a formar parte del microorganismo (sustrato en la MP a transformar por el microorganismo). ii. Biosíntesis: proceso endoenergético por el cual el microorganismo sintetiza las sustancias asimilables. Es la formación de compuestos complejos dentro de la célula en cantidades mayores a las necesarias para el sostenimiento de las

actividades normales de la vida. Los compuestos biosintetizados (vitaminas, enzimas, antibióticos, toxinas, etc) con gran frecuencia son eliminados de la célula, pasando al sustrato b. Catabolismo o desasimilación: es un proceso destructivo (exoenergético). Se transforman sustancias sintetizadas en compuestos de menor energía ⇒ se pone en libertad energía. La desasimilación se produce dentro de la célula pero los productos son expulsados al sustrato o medio que la rodea. Los compuestos resultantes son los productos industriales buscados por fermentación. La energía liberada es en parte consumida por el proceso de anabolismo y el resto se libera en forma de calor. Química del catabolismo Los procesos de catabolismo son de naturaleza oxidante y pueden realizarse por: 1. Adición de oxigeno 2. Eliminación de hidrógeno (el mas frecuente) 3. Perdida de un electrón Si el oxigeno atmosférico toma parte de la reacción (como aceptador de H) el proceso de desasimilación es aeróbico. Cuando el catabolismo se realiza sin la participación del oxigeno atmosférico, la desasimilación es una verdadera fermentación (desasimilación anaeróbica). • •

Portador de H: enzimas, pigmentos respiratorios. Aceptor de hidrógeno: oxigeno atmosférico (proceso aeróbico) o compuestos intermedios (anaeróbico)

FERMENTACIÓN AERÓBICA Utiliza el oxigeno del aire. Es una oxidación completa realizada por bacterias aeróbicas y es la que mayor energía libera. C6H12O6 + 6 O2 Glucosa

→

( Glucosa + 4 1/2O2 →

6CO2 + 6H2O

∆H = 674 kCal

3 COOHCOOH + 2 H2O )

FERMENTACIÓN ANAERÓBICA En este caso las bacterias son del tipo anaeróbicas. Usan el oxigeno combinado para realizar la oxidación. La E liberada es mucho menor que en el proceso aeróbico. C6H12O6

→

2 CH3CHOHCOOH Ácido Láctico

∆H = 22,5 kCal

C6H12O6

→

2 CH3CH2OH Alcohol Etílico

∆H = 22,5 kCal

Enzimas y coenzimas microbianas

Enzimas: son proteínas (compuestos complejos) producidas por células vivas que poseen la facultad de catalizar reacciones especificas sin ser consumidas en el proceso y sin convertirse en una parte de los productos formados Exoenzimas: enzimas que pasan al sustrato y lo preparan para la digestión por parte del microorganismo. Endoezimas: enzimas internas, responsables del catabolismo y anabolismo. Coenzimas: compuestos (cationes metálicos) de origen vitamínico que intervienen en el metabolismo del microorganismo, ayudando a la enzima a producir la catálisis de reacciones. Enzimas esenciales: las que el organismo no puede producir por si mismo y debe obtener de su dieta. Enzimas no esenciales: las que el organismo puede producir por si mismo a través de las enzimas esenciales. Tipos de fermentación Las acciones microbianas o fermentación se clasifica según: a) Por el sustrato: fermentación de carbohidratos, proteínas o grasas. b) Por el nombre de la MP usada: uva, caña de azúcar, cebada, lecho, etc c) Por el producto final obtenido: fermentación alcohólica, láctica, acética, propiónica, etc. d) Según la tecnología empleada: fermentación intermitente, semicontinua y continua. e) Según este presente o no el aire: proceso aeróbico o anaeróbico. f) Por el producto comercial obtenido: fermentación de cerveza, vino, sidra, queso, yogurt. Tecnología de la Fermentación 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Selección de las MP Selección del microorganismo Preparación de las MP Preparación del inóculo Procesos productivos industriales. Conducción de la acción microbiana. Recuperación y utilización de subproductos

1) SELECCIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS a) MP principales: sustancias disponibles comercialmente que se transforman en nuevos productos por la acción regulada de microorganismos. Son productos agrícolas (de origen vegetal o animal) o subproductos industriales. Los requerimientos para la MP son: bajo precio, rendimiento elevado, comodidades en el manipuleo, almacenamiento, suministro continuo todo el año, proximidad del mercado, pureza, % de carbohidratos (son desasimilados y por lo tanto el contenido de carbohidratos determina el rendimiento de la MP), nitrógeno, nitroderivados, nutrientes orgánicos (P, K, Mg, Na, etc), etc. b) MP auxiliares: se agregan al sustrato para mejorar el rendimiento. • Diluyentes (el mas usado es el agua) • Agentes convertidores: por digestión en los compuestos complejos convierten a algunas MP disponibles para la acción microbiana. Son catalizadores de la hidrólisis

• • • •

•

de los compuestos complejos (bioquímicos: enzimas amilazas; o químicos: ácido sulfúrico) Neutralizadores y estabilizadores de PH: reducen el exceso de acidez o alcalinidad y ayudan a mantener el PH requerido por el sustrato. Los microorganismos son muy sensibles a la variación de PH y a PH altos (<10) mueren (Ej. CaCO3, NaOH, H2SO4) Nutrientes microbianos: son componentes asimilables por los microorganismos que se agregan al sustrato cuando lo que se requiere es la propagación del microorganismo (Ej. nitrógeno en forma de urea, amoniaco, etc) Activadores: en pequeñas cantidades aceleran el proceso microbiano. Dos clases: indicios (ej. vitaminas) que toman parte en el metabolismo microbiano e inertes (ej. carbón activado) para acelerar las acciones ofreciendo gran superficie. Antisépticos: se añaden para proteger a los microorganismos principales de las infecciones producidas por bacterias indeseables que pueden traer las MP o el diluyente y que pueden inhibir la acción microbiana de los organismos (ej. compuestos de fluor, ácido acético, etc) Agentes de sabor y aroma: brindan ciertas características de sabor y olor sobre todo para productos alimenticios.

2) SELECCIÓN DEL MICROORGANISMO La elección del microorganismo esta limitada no solo al que pueda efectuar la reacción deseada, sino al que lo pueda hacer en un tiempo limitado, produciendo al máximo de rendimiento posible con un mínimo de atención. Debe mantener su actividad de una generación a otra y ser resistente a las infecciones de bacterias. 3) PREPARACIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS Casi todas las MP tiene que someterse a tratamientos físicos y químicos para obtener un sustrato adecuado al microorganismo que se adapte a las condiciones del proceso. Se debe favorecer el estado de contacto con los microorganismos (trituración, molienda, disolución, cocción, etc). Ajuste del PH: agregando neutralizantes y estabilizadores o tratando que el PH sea el optimo antes de la inoculación de los microorganismos. El PH inicial optimo depende del organismo, de la reacción deseada y de las condiciones del proceso Control de la temperatura: los microorganismos son muy sensibles a los cambios de temperatura y existen intervalos óptimos tanto para el crecimiento como para la acción de las enzimas. Como las reacciones son exotérmicas, el calor generado debe extraerse por medio de refrigeración. Esterilización: con ella se elimina la posibilidad de infecciones por medio de un tratamiento a altas T. Puede ser: • Completa: mueren todas las células vegetativas, esporas y bacterias. T>115ºC • Parcial: mueren las células vegetativas (80-90ºC) • Intermitente: consiste en 3 esterilizaciones parciales sucesivas con intervalos de 1 o 2 días Dilución del sustrato: se debe fijar exactamente la proporción de sólidos con respecto al agua. Si la MP esta demasiado concentrada el proceso microbiano es lento e incompleto. Se lleva a cabo la dilución para obtener los productos con la máxima concentración posible, economizando el espacio en el fermentador.

4) PREPARACIÓN DEL INOCULO El inoculo es la cantidad de microorganismos vivos, con o sin el medio en el cual se desarrollan, que sirve como iniciador para el sustrato recientemente preparado. Los microorganismos proliferan en el seno del sustrato o en la superficie y catalizaran el cambio bioquímico deseado. Características fundamentales de un inoculo:

Poder propagarse rápidamente Completar la acción microbiana en un tiempo limitado

Etapas en la preparación de un inoculo I. Preparación del medio de cultivo II. Esterilización III. Siembre de microorganismos IV. Se lleva a cámaras termoestabilizadas (CULTIVO MATRIZ) V. Se transfiere a medios mayores VI. Se agregan sustancias nutritivas (SUBCULTIVO) VII. Se transfieren a recipientes mas grandes (INOCUO) 5) PROCESOS PRODUCTIVOS INDUSTRIALES. FERMENTACIÓN (Acción microbiana)

CONDUCCIÓN

DE

LA

Cuando se ponen microorganismos en un medio de cultivo se cumplen las siguientes etapas: X: concentración de microorganismos t : tiempo CURVA DE CRECIMIENTO I- Retardo o latencia IIMáxima velocidad Exponencial) III- Aceleración negativa IV- Muerte Siendo µ la velocidad especifica instantánea de crecimiento:

µ=

d (ln X ) 1 dX = ⋅ dt X dt

Pendiente de la Curva

X.µ es creciente al principio del proceso, manteniéndose constante durante un tiempo para luego caer hasta cero.

(Crecimiento

PROCESO DISCONTINUO

De una etapa Varias etapas con divisiones

PROCESOS INDUSTRIALES Una tina PROCESO CONTINUO Varias tinas Tipos de inoculación ♣ Cultivo discontinuo o por extracciones parciales: para acelerar el proceso y evitar la muerte de microorganismos, se extrae sustrato con microorganismos desarrollados y se introduce sustrato fresco, bajando asi la concentración y comenzando la generación a un ritmo µ.

♣ Cultivo continuo: se logra si se producen infinitas extracciones. Es un sistema de flujo del volumen constante al que se añade medio y se elimina el exceso continuamente. Una vez que este sistema esta en equilibrio, el numero de células y de nutrientes permanece constante (X=cte)

Cultivo continuo en varias tinas

F: caudal extraido D: dilución D = F/V V1 = F/D1 = F/µ1 GRAFICO (no se cual es, porque el del apunte es diferente al de Fernanda)

Tipos de procesos de Fermentación 1) Proceso intermitente o discontinuo

2) Proceso discontinuo o por divisiones

Se llena el tanque 1 con sustrato y se inocula (previamente se esteriliza). Cuando la fermentación se halle por la mitad se abre 9 y se llena medio tanque 2, completándose con sustrato ambos tanques. Cuando la fermentación del tanque 2 este por la mitad se vacia la mitad en el tanque 3 se llenan ambos. Finaliza la fermentación en 1, se descarga y limpia. Cuando la fermentación en 3 esta avanzada, se descarga medio tanque de 3 en 1 y ambos se llenan con sustrato. Así sigue el ciclo. 3) Proceso Continuo Xprod = cte ; Xmicro = cte ; XMP = cte 1 tina: se mantiene la Xprod al máximo compatible con el proceso

Varias tinas: es muy conveniente para regular diferencialmente cada fase del proceso, ya que al hacerlo en varias tinas, las mismas están separadas físicamente.

ELABORACIÓN DE LA CERVEZA CERVEZA: bebida que se obtiene por fermentación alcohólica de un mosto elaborado con cebada germinada y otros cereales, lúpulo, levadura y agua potable. Vulgarmente conocida como “birra” o “birrin”. Bebida preferida por los argentinos, sobre todo en fiestas o reuniones. Imposible “clavarse” una sin un pucho. Composición de la cerveza ♣ Etanol (2,5%-8%) ♣ Extracto seco

Hidratos de carbono (dextrina, maltosa, glucosa) Proteínas, peptona y aminoácidos Sustancias minerales Ácidos orgánicos Anhídrido carbónico

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO 1) MATERIAS PRIMAS ♠ Malta: a veces se reemplaza parte de la malta por otros cereales ♠ Lúpulo: tiene principios amargos y aromáticos. Se cosecha, sus flores se secan y conservan a bajas temperaturas. ♠ Adjuntos: productos amiláceos no malteados (arroz, trigo, maíz, sorgo). Reemplazan a la malta para reducir el costo de la cerveza. ♠ Agua: tiene que ser de buena calidad 2) FABRICACIÓN DE LA MALTA Se lleva a cabo en la malteria a partir de la cebada. Esta debe tener alto grado de germinalidad para ser de buena calidad. Se prefiere cebada con alto contenido de almidón (62%) y un porcentaje relativamente bajo de proteínas (10%). Etapas de la transformación de cebada en malta a) Limpieza y remojo de la cebada: se limpian los granos y luego sigue el remojo mediante el cual el grano absorbe la cantidad necesaria de agua (45-48% de humedad) para la germinación (duración ≈ 70hs). El remojo se realiza en cubas de hormigón. Por el fondo se inyecta aire comprimido (necesario para la mezcla y la respiración de las semillas). El agua entra desde el fondo de la cuba y rebasa. Una vez que la cebada absorbió la cantidad necesaria de agua, se escurre y se manda a la germinación. b) Germinación: tiene importancia la humedad, la temperatura y el oxigeno. Se efectúa en herías o en piletas con mezcladores mecánicos (duración 8-9 días). La temperatura esta entre 10 y 16ºC (40% humedad) ⇒ malta verde c) Torrefacción: la malta verde debe ser secada rápidamente. El secado se realiza en una torre donde la malta sufre la acción de temperaturas crecientes. La torrefacción tiene el objeto de reducir la humedad de la malta a 1,5-3% y de conferir a la misma aroma y calor. La temperatura no debe pasar los 40ºC. La torrefacción se realiza con aire caliente en

grandes torres que poseen varios pisos constituidos por chapas perforadas sobre las cuales se pone la malta y el aire caliente pasa a través. Una vez secada la malta, se le deben sacar las radiculas y plúmulas.

3) TRANSPORTE DE MP La malta se transporta en camiones y se almacena en silos (al igual que los agregados de cereales). El lúpulo se debe mantener a baja temperatura hasta su uso. 4) PROCESO DE FABRICACIÓN DE LA CERVEZA ETAPAS a) Molienda: se muele la malta en molinos de rodillos ⇒ se obtiene el harina b) Sacarificación: la malta molida se mezcla con agua y se calienta para obtener una rápida acción de las enzimas. El almidón se convierte en azúcar y dextrinas. Para romper el almidón se necesita la presencia de dos enzimas: la α y la β. Almidón → Dextrinas → Maltosa La sacarificación se efectúa en 2 pasos: i) Cocción: en el recipiente de cocción se introducen la malta molida y el agua tibia (1:5 a 1:6 para birra clara). A 35ºC se agita durante 30 minutos. Se extrae 1/3 de la suspensión y se la manda a otro recipiente de cocción. Se calienta a ebullición durante 30 minutos. A distintas temperaturas actúan distintas enzimas. Mediante la ebullición se trata de solubilizar todo el almidón de la malta. Se repite esta operación hasta que la temperatura sea de 75ºC. ii) Infusión: cuando se reemplaza una parte de la malta por alguno de los materiales amiláceos (ej. Cerveza La Diosa). Se extrae la malta molida con agua a una T de 15-18ºC durante 6-12hs. La sacarificación es una etapa muy importante durante la cual se forma una cantidad conveniente de azucares que luego se transforman en alcohol. c) Decantación y filtración: después de la sacarificación (que dura 5hs) se debe separar del mosto la parte sólida, decantando y luego pasando la suspensión por filtro-prensa. d) Cocido y aromatización: el liquido filtrado adicionado a las aguas de lavado debe ser adicionado de lúpulo. Se debe eliminar la mayor parte de microorganismos presentes, destruir completamente la amilasa y coagular las proteínas. Se procede a llevar a ebullición durante 2 hs, donde se coloca el lúpulo (tiene propiedades antibacterianas). Terminada la ebullición (en la que se carameliza el mosto y se pierde el 15% del agua por evaporación) se enfría en intercambiadores de calor en los que se disuelve oxigeno (para el desarrollo de las levaduras). e) Fermentación: al liquido frió se lo siembra con levaduras. Hay dos tipos de fermentación: i) fermentación de alta o de superficie, donde las levaduras suben a la superficie después de la fermentación; y ii) fermentación de fondo o baja, en la que la

levadura sedimenta en el fondo de la tina después de haber efectuado la fermentación del mosto (anaeróbica). La levadura segrega una enzima (maltasa) que actúa sobre la maltosa, transformándola en glucosa. Otra es la enzima zimasa que transforma la glucosa en alcohol y CO2. El gas carbónico producido se purifica y licua con el fin de ser inyectado posteriormente a la birra. Cuando se alcanza el extracto deseado, se bombea la birra a los tanques de maduración. f) Maduración: comprende todo el tiempo que la cerveza en los tanques a baja temperatura antes de ser filtrada. Se divide en 2 etapas: reposo (2-3ºC) y acabado (-2ºC) Los objetivos de la maduración son almacenar cerveza, dejar sedimentar la materia amorfa y la levadura, refinar el sabor, separar por precipitación de los compuestos que se forman al ser enfriada la cerveza. La maduración dura 2 o 3 semanas. Al final de la maduración se debe filtrar y proteger la cerveza agregándole antioxidantes.

FLOW SHEET MALTERIA

FLOW SHEET CERVECERIA