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INSTITUTO TECNOLGICO DEL ESTADO DE OAXACA
DEPARTAMENTO DE QUMICA Y BIOQUMICA
REACTORES QUMICOS CINTICA DE ABATIMIENTO DE LA ESPUMA DE LA CERVEZA REPORTE CATEDRATICO: DR. MANUEL SANCHEZ RUBIO
ALUMNO: MANUEL GORGONIO RAMIREZ
Introduccin Proceso de elaboracin de la Cerveza Fermentacin alcohlica Es importante conocer las partes del proceso de elaboracin de la Cerveza, una de ellas, sino la ms importante es la etapa de la fermentacin alcohlica, que es un proceso anaerbico el cual, adems de generar etanol desprende grandes cantidades de dixido de carbono (CO2) adems de proporcionar la energa para el metabolismo de las bacterias anaerbicas y levaduras que participarn.
La fermentacin alcohlica (denominada tambin como fermentacin del etanol o incluso fermentacin etlica) es un proceso biolgico de fermentacin en plena ausencia de aire (oxgeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidn, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya frmula qumica es: (CH3-CH2-OH), dixido de carbono (CO2) en forma de gas y unas molculas de ATP (adenosin trifosfato),que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energtico anaerbico.
El etanol resultante se emplea en la elaboracin de algunas bebidas alcohlicas, tales como el vino, la cerveza, la sidra, el cava, etc. Aunque en la actualidad se empieza a sintetizar tambin etanol mediante la fermentacin a nivel industrial a gran escala para ser empleado como biocombustible.
La fermentacin alcohlica tiene como finalidad biolgica proporcionar energa anaerbica a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de oxgeno para ello disocian las molculas de glucosa y obtienen la energa necesaria para sobrevivir, produciendo el alcohol y CO2 como desechos consecuencia de la fermentacin. Las levaduras y bacterias causantes de este fenmeno son microorganismos muy habituales en las frutas o cereales y contribuyen en gran medida a generar el sabor de los productos fermentados.
Una de las principales caractersticas de estos microorganismos es que viven en ambientes completamente carentes de oxgeno (O2), mximo durante la reaccin qumica, por esta razn se dice que la fermentacin alcohlica es un proceso anaerbico (S. Martn Aparicio "Cintica del proceso de fermentacin alcohlica del mosto de cerveza"(2004).
Si nos remontamos al origen etimolgico de la palabra fermentar, rpidamente podremos entender lo que acontece en un depsito de fermentacin. La palabra fermentar procede del trmino latino fervere, que significa hervir. Dicha denominacin nos hace una idea del aspecto que toma el lquido, aunque en este caso la sensacin de agitacin se produce principalmente por el desprendimiento de CO2, no exento de un desprendimiento de calor, de aqu que no es raro pensar que de la observacin del proceso, se llegase a este trmino. As, lo que ahora conocemos como levadura, antes de Pasteur era conocido como fermento.
Durante el proceso de fermentacin el lquido sufre una serie de cambios, entre los que ms se evidencian est el cambio en su composicin, pasando de un liquido en el que predominan los azcares (agua + azcar) a uno en el que predomina el etanol. Podemos por tanto plantear la fermentacin como el proceso donde la glucosa es transformada por un microorganismo en etanol y en una serie de componentes con especiales cualidades sensoriales (olor y sabor) y con desprendimiento de CO2 y calor. Para hacernos una idea, la transformacin de1Kg de azcar produce aproximadamente 500 a 520 g. de alcohol y de 480 a 500 gramos de CO2. J. S. Hough (2002).
CARBOHIDRATOS Los carbohidratos estn formados por los siguientes tomos: oxgeno, hidrgeno y carbono. Son solubles en agua debido a la presencia de los siguientes grupos polares, que pueden formar H- enlaces con el agua: Grupo hidroxilo (OH) Grupo aldehdo (H-C=O) Grupo cetona (-C=O)
Los carbohidratos se dividen en tres grupos segn su complejidad: Monosacridos: compuestos por un solo azcar, tales como: glucosa, fructosa, y ribosa. Los nombres de los azcares terminan con el sufijo osa, que significa azcar. Los monosacridos pueden tener 3, 4, 5, 6 o ms tomos de carbono en sus estructuras. En el proceso de la respiracin, la glucosa se rompe dentro de la clula para producir energa en forma de ATP.
La glucosa es transportada desde el intestino delgado a todas las clulas del cuerpo a travs de la circulacin. . Su nivel en sangre est controlado por hormonas, entre las cuales se encuentran la insulina y el glucagn, que son secretadas por el pncreas y actan en el hgado.
La estructura de la glucosa puede existir de la forma mostrada a continuacin, conocida como - D- glucosa. Los nmeros indican la posicin de los carbonos en la estructura. (Vicente Ediciones, 1994).
La glucosa es un monosacrido compuesto por 6 carbonos. Su estructura de anillo se basa en 5 tomos de carbono y un tomo de oxgeno. Los nmeros 1-6 se refieren a la posicin del carbono en la molcula de azcar. Se empieza a enumerar a la derecha del tomo de oxgeno y segn las agujas del reloj. Disacridos: son carbohidratos que se forman por la reaccin de condensacin de dos monosacridos como se muestra en el siguiente ejemplo: Glucosa + Glucosa Maltosa + Agua El siguiente diagrama ilustra esta reaccin: Vicente Ediciones, (1994).
Reaccin de condensacin de dos monosacridos
La condensacin es la construccin de grandes molculas a partir de pequeas, eliminando el agua. Otros ejemplos de disacridos son: la sacarosa, formada mediante la reaccin de condensacin de la glucosa con la fructosa. La lactosa (el azcar de la leche), formada mediante la reaccin de condensacin de la glucosa con la galactosa. Vicente Ediciones, (1994)
Reaccin de condensacin de la glucosa, fructosa y galactosa Polisacridos: Son polmeros formados por la reaccin de condensacin de tres o ms monosacridos (monmeros).
ALMIDN El Almidn (amilasa), es un polisacrido que funciona como sustancia de depsito en las clulas de plantas. Formada por 1000 o ms unidades de alfa- glucosa unidas por enlaces glicosdicos. Vicente Ediciones, (1994).
Estructura del almidn El polmero de almidn existe en forma de espiral. La forma de espiral es mantenida por los enlaces de hidrgeno. Vicente Ediciones, (1994).
Polmero de almidn en forma espiral El almidn se encuentra en las clulas de la planta como estructuras llamadas granos de almidn. Estos, se pueden ver al microscopio en secciones finas de tubrculos de patata teidos de negro con el yodo. Otros ejemplos de estructuras en plantas que contienen gran cantidad de almidn son los cereales como trigo, arroz y maz. El almidn se almacena en estas semillas para proporcionar energa, para el crecimiento del embrin durante la germinacin de semillas. Vicente Ediciones, (1994).
Granos de almidn
Granos de almidn en clulas de patatas vistas al microscopio
Grnulos de glucgeno en las clulas hepticas vistos al microscopio
Hidrlisis del almidn Hidrlisis es una reaccin que rompe grandes molculas para pasar a pequeas, con la adicin de agua. En la hidrlisis del almidn, cada enlace glucosrico se rompe utilizando una molcula de agua. Un almidn con 4 unidades de glucosa necesita 3 molculas de agua para la hidrlisis de los 3 enlaces.
LAS ENZIMAS Estructura de la triosafosfato isomerasa. Conformacin en forma de diagrama de cintas rodeado por el modelo de relleno de espacio de la protena. Esta protena es una eficiente enzima involucrada en el proceso de transformacin de azcares en energa en las clulas. En bioqumica, se llaman enzimas las sustancias de naturaleza proteica que catalizan reacciones qumicas, siempre que sea termodinmicamente posible (si bien no pueden hacer que el proceso sea ms termodinmicamente favorable). En estas reacciones, las enzimas actan sobre unas molculas denominadas sustratos, las cuales se convierten en diferentes molculas, los productos. Casi todos los procesos en las clulas necesitan enzimas para que ocurran en tasas significativas.A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimticas.
Actividad Enzimtica La sustancia sobre la cual acta una enzima se llama sustrato. Los sustratos son especficos para cada enzima: La sacarosa es el sustrato de la sacarasa que acta rompindola en sus componentes. Las enzimas actan de acuerdo con la siguiente secuencia: La enzima (E) y el sustrato (S) se combinan para formar un complejo intermedio enzima sustrato (E- S), el cual se descompone formando un producto y regenerando la enzima.
Clasificacin de las enzimas Existe una clasificacin normalizada con 6 categoras principales dependiendo de la reaccin que catalice la enzima.
Funcin de las Enzimas Las enzimas son protenas que catalizan todas las reacciones bioqumicas. Adems de su importancia como catalizadores biolgicos, tienen muchos usos mdicos y comerciales. Un catalizador es una sustancia que disminuye la energa de activacin de una reaccin qumica. Al disminuir la energa de activacin, se incrementa la velocidad de la reaccin. La mayora de las reacciones de los sistemas vivos son reversibles, es decir, que en ellas se establece el equilibrio qumico. Por lo tanto, las enzimas aceleran la formacin de equilibrio qumico, pero no afectan las concentraciones finales del equilibrio. J. S. Hough (2002). INGREDIENTES PARA ELABORAR CERVEZA
Como lo hemos venido mencionando, los principales y ms comunes ingredientes que participan en el proceso de elaboracin de la cerveza son, fundamentalmente, la malta, el lpulo, la levadura de cerveza y el agua.
Malta La elaboracin de la cerveza se pude hacer con cualquier cereal: este ha de ser preparado para que sus azucares sean fermentables. En algunos casos una simple coccin es suficiente (como es el caso del maz) y en otros casos en preciso maltear el cereal (de ah la denominacin de MALTA a este ingrediente). En la elaboracin de la cerveza se utilizan numerosos cereales en su estado crudo o malteado, siendo la cebada el nico que debe maltearse necesariamente y el ms utilizado en la cervecera occidental. La malta es el ingrediente clave para la elaboracin de la cerveza. La produccin de malta solo necesita cebada que germine, agua declorinada y aire. El objetivo del mateo del grano es acelerar el proceso natural de germinacin proporcionndole a la cebada las condiciones adecuadas de humedad temperatura y oxigenacin con el fin de producir enzimas y causar cambios definidos en sus constituyentes para la futura elaboracin de cerveza.
El proceso de malteo puede dividirse en tres grandes etapas:
Remojo Su principal objetivo es que la cebada absorba suficiente cantidad de agua bajo condiciones aerobias. La cebada es sumergida en agua hasta conseguir un nivel de humedad del 42% a 45% aproximadamente. Esta operacin se realiza con agua y a una temperatura controlada (15-20C) es un proceso que dura 24hrs aprox.
Germinacin El objetivo de la germinacin es fomentar el desarrollo y crecimiento del embrin de la cebada para conseguir la modificacin requerida del grano y desarrollo de las enzimas. Esta etapa que dura 4-6 das, se desarrolla en condiciones de humedad y temperatura controladas entre 15 y 20 C Secado
El objetivo del secado es remover la humedad y prevenir posterior crecimiento y modificacin, conseguir un producto estable que pueda ser almacenado y transportado, preservar las enzimas, desarrollar y estabilizar propiedades como el sabor y color, remover sabores indeseable, inhibir la formacin de compuestos qumicos indeseables y secar los brotes para permitir su remocin, a medida que se aumenta la Temperatura del horno, la malta resultante es cada vez ms obscura. Se puede llegar al punto de quemarla, produciendo malta negra. El grado de tostado de la malta determinara el color de la cerveza.
Tipos de grano: Los diversos cereales que se utilizan para la cervecera presentan cada uno variedades botnicas que multiplican las posibilidades de eleccin del elaborador. Bsicamente los cereales se distinguen en cuatro categoras: Malta base, malta clara, poco horneadas con gran poder enzimtico, que suelen formar la parte ms grande o la totalidad de la mezcla. En concreto estas maltas son llamadas lager, pale o pils, segn el fabricante. Maltas de Especialidades. Son maltas de color que va de mbar a negro, muy horneado y con poco o nada de poder enzimtico. Suelen ser usados en pequeas cantidades para incidir sobre el color o el gusto de la cerveza o por algn motivo tcnico propio de la elaboracin. Hay entonces una gran variedad, entre los que citaramos las maltas negras, maltas chocolate o maltas tostadas. Maltas mixtas. Estas maltas estn ms tostadas que las maltas base pero conservan propiedades enzimticas suficientes al menos para sus propios azcares, de manera que pueden ser usados como base o como aditivos. En esta categora encontramos las maltas de color caramelo y mbar conocidos en Inglaterra como maltas cristal (y derivados) y en Alemania como maltas caramelo. En esta rea, existen dos maltas caramelo particulares llamadas Mnich y Viena muy importantes en la cervecera de esos pases.
Adjuntos o sustitutos. Como ya se ha dicho, los cereales pueden ser utilizados sin maltear para aadir variedad en gustos, aromas, textura y otras caractersticas a la cerveza. Se suelen utilizar en pequeas cantidades (Maz, Arroz, Trigo, Sorgo, Avena etc.)
La calidad de los cereales, sus variedades, y la calidad del proceso de malteo definen en gran medida la calidad de la cerveza. Las bebidas alcohlicas hechas de la fermentacin de azcares obtenidos de otras fuentes generalmente no se llaman cerveza, a pesar de ser producido por un proceso similar a la reaccin bioqumica de la levadura. Como ejemplos, el zumo de manzana fermentado se llama sidra, el jugo fermentado de la pera se llama perry, y el jugo de uva fermentado se llama vino. Lpulo El lpulo es el responsable fundamental del amargor de la cerveza. Utilizado para compensar el excesivo dulzor proporcionado por la malta. Adems, el lpulo posee excelentes cualidades aromticas.
Originariamente, el lpulo silvestre creca en los valles hmedos de Oriente Prximo y los cerveceros babilonios y egipcios ya lo usaban. Pero su generalizacin lleg en el siglo XVI al ser impuesto como uno de los tres nicos ingredientes de la cerveza bvara por la "Ley de la pureza" de 1516. Antes de su aceptacin y generalizacin, algunos cerveceros venan utilizando diversas hierbas y especias para compensar el dulzor natural de la malta. La planta El lpulo (Humulus lupus) es una planta trepadora de la familia de las cannabinaceae, del orden de las urticaceae. Es, por tanto, pariente del cannabis. Sus hojas y flores son de color verde con glndulas de lupulina amarillas debajo de los ptalos.
Para la elaboracin de cerveza se utilizan slo las flores (tambin llamadas conos o pias) de las plantas femeninas antes de que sean fecundadas. Aunque en pases como Inglaterra y Blgica tambin utilizan, a veces, lpulos femeninos fecundados que son ms fuertes y amargos. Habitualmente, estas flores son desecadas antes de ser usadas.
El lpulo proporciona a la cerveza su caracterstico sabor amargo y su aroma. Necesita de un clima de frecuentes precipitaciones que permitan una alta produccin y una buena aportacin de elementos amargos, y tambin de sol que dote a la produccin de elementos aromticos.
Se cultiva en ms de 50 pases. Sin embargo, los pases exportadores son slo Alemania, EEUU, Chequia, Polonia y Eslovaquia. El 99,5% de la produccin de lpulo se dirige a la industria cervecera. El resto va a parar a la industria farmacutica.
Material Cervezas de distintas variedades Probeta Vaso de precipitados Franela Procedimiento 1- Se procede limpiar el material con agua destilada y subsiguientemente a abrirla cerveza y se agrega un poco a las paredes del vaso de precipitados y a la bureta, posteriormente se hace la primer prueba para ensayar, midiendo en el vaso de precipitados 50 ml de cerveza este se vierte en la bureta contabilizando los tiempos de 10, 10, 20,20, 20, 20,20, 30, 30 y el volumen respectivo en cada tiempo.
t,s TIEMPO VS VOLUMEN -5 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0 50 100 150 200 L N ( V A )
t,s TIEMPO VS LN(VA) Resultado
De acuerdo a los resultados obtenidos la cervezas ms estable es la cerveza Heineken con una regresin lineal de r 2 = 0.9984 y y=-0.0208x-0.0011 con una constate de velocidad de k = -0.0148 y la menos estable la cerveza victoria con una regresin lineal de r 2 = 0.9469 y y=-0.0433x-0.4208.
Bibliografa
De Barbado, Jos Luis, SECRETOS DE LA CERVEZA CASERA, 1 Ed. Buenos Aires, Editorial Albatros, 2003, pag. 127
l i b r o b l a n c o d e l a c e r v e z a Cerveceros de Espaa Direccin y coordinacin: Cerveceros de Espaa, Editado por: Cerveceros de Espaa Madrid, 31 de diciembre de 2001 J. S. Hough, Biotecnologa de la cerveza y de la malta, Editorial Acribia, S. A. - 1990