I.

PRODUCCIN DE ETANOL

Muchas bacterias y algunos eucariotas son capaces de sobrevivir en ausencia de oxgeno.

Convierten al piruvato en una diversidad de cidos orgnicos que son excretados. El etanol es
uno de los productos. Cobra importancia en la bioqumica porque la sntesis del etanol mediante
cepas muy seleccionadas de levadura es importante en la produccin de cerveza y vino. Las
clulas de levadura convierten piruvato en etanol y CO2, y oxidan NADH a NAD.

1. Biosntesis de etanol

El piruvato se convierte en etanol en dos pasos. El primer paso libera dixido de carbono
del piruvato que se convierte en el compuesto de dos carbonos acetaldehdo. En el segundo
paso, el acetaldehdo es reducido por el NADH a etanol. Esto regenera la provisin de NAD+
necesaria para la continuacin de la glucolisis.

El alcohol deshidrogenasa cataliza la reduccin de acetaldehdo a etanol. Esta reaccin de

oxidacin-reduccin se acopla a la oxidacin de NADH. Estas reacciones y el ciclo de
reduccin y oxidacin de NAD+/NADH en la fermentacin alcohlica.

La suma de las reacciones glicolticas y la conversin de piruvato a etanol es:

Glucosa + 2 Pi 2- + ADP3- + 2 H+ 2 Etanol + 2 CO2 + 2 ATP4- + 2 H2O

Estas reacciones tienen aplicaciones comerciales en la fabricacin de cerveza y pan. En

cervecera, el dixido de carbono producido durante la conversin de piruvato a etanol se
puede captar y usar para carbonatar la bebida alcohlica producida (este gas produce la
capa espumosa). En panadera, el dixido de carbono hace que se esponje la masa.

Figura 1. Biosntesis del etanol

Figura 2. Conversin anaerbica del piruvato a etanol en la levadura
2. Proceso de produccin

En la siguiente figura se muestra las etapas en la produccin de etanol a partir de harina de

maz.

Ca2 Harina de maz/agua 15-30% en -amilasa

solidos pH 6.0-6.5

H2O

Calor (60 80)

Vapor

Refrigeracin (recuperacin del calor)

Licuefaccin (60 80C)

Digestin del almidn (50 60C)

Aire

Precultivo Fermentacin (30-35C, pH 4.5-5.5)

Separacin Material celular

Destilacin

Etanol (94.5% w/v)

Figura 1 Etapas en la produccin de etanol a partir de un substrato

que contiene almidn.
 Tabla 1 Sustratos para la produccin de etanol

PRODUCTO BSICO A SER EJEMPLOS

CONVERTIDO EN ETANOL

Sacarosa de cultivos sacridos: caa de

azcar, remolacha, sorgo dulce
Azcares Azucares invertidos y glucosas: melazas y
otros residuos agroindustriales, como
lactosas

Granos de cereales: maz, sorgo, trigo,

Almidn cebada
Productos procesados: harina de trigo,
salvado de maz

Races almidonadas: mandioca, papa,

batata, alcachofa israelita. Residuos
lignocelulsicos: aserrn, paja, residuos
Celulosa boscosos, residuos agrcolas, leja
celulsica
Residuos urbanos e industriales: papel,
fracciones celulsicas

Figura 2 Proceso de fabricacin con diversos sustratos

El etanol se produce en tres etapas, cada una de las cuales debe ser optimizada:

a. Preparacin de la solucin de nutrientes: tres tipos de subsustratos son utilizados

en la fermentacin del etanol:

- Races que contienen almidn, tubrculos o granos.

El almidn de races ms importantes se obtiene de la planta tropical Maniot

esculenta, de la cual se obtienen la harina de yuca, mandioca o de tapioca. En
Brasil se han cosechado anualmente 28x106 toneladas anuales de esta planta.

Puesto que Saccharomyces Cerevisiae no tiene amilasas, el almidn debe ser

hidrolizado. Las races (que contienen 20-35 % de almidn y 1-2% de protenas)
son primero molidas, exprimidas y desecadas. El almidn se licua por ebullicin
a presin y luego se hidroliza enzimticamente.

Aadiendo enzimas de diferentes orgenes microbianos que hidrolicen la

celulosa, se puede aumentar la proporcin de azucares reductores en la pasta
de mandioca.

El grano conteniendo almidn que se utiliza en Asia es el arroz, en los Estados

Unidos principalmente maz, pero tambin mijo en algunas reas, en Europa
patatas adems de otros granos. El grano puede ser utilizado entero o en el
caso del maz, triturado; los granos de maz se empapan durante varias horas
a 40 50C, luego se trituran y licuan.

En las plantas modernas se utilizan procesos continuos de licuefaccin y

sacarificacin que utilizan primero una inyeccin de vapor (3 min a 150C) y
luego vaco para refrigerar. Para disminuir la viscosidad que se desarrolla
despus del proceso de remojo se aade algo de alfa amilasa antes del
calentamiento. Para la produccin de glucosa se aaden glucoamilasas y alfa
amilasas despus del proceso de calentamiento y enfriamiento.
Aproximadamente 11 de alfa amilasa comercial y 3,51 de glucoamilasa son
aadidos por tonelada de almidn.

- Melazas o jugo de la caa de azcar o de la remolacha.

Las melazas, un subproducto de la cristalizacin del azcar, son utilizadas

normalmente en la actualidad como fuente de etanol, pero pueden resultar
menos importantes en el futuro ya que tienen mejor uso como alimento
animal o en otras fermentaciones.
 Cuando las melazas han sido obtenidas a partir de remolacha el jugo se extrae
de las rodajas de remolacha con agua caliente. Con la caa de azcar el jugo
de la caa se libera utilizando prensas. El residuo del prensado de los tallos
de la caa de azcar se denomina bagazo. El 80 % del bagazo que se origina
puede ser quemado como fuente de energa en el proceso de destilacin y 20
% mas puede ser fermentado despus de su hidrolisis qumica. En la Repblica
Federal Alemana se est desarrollando como fuente de carbohidrato para la
produccin de etanol una planta hibrida, cruce entre remolacha y tulipn.

- Madera o residuos desechables del procesamiento de la madera.

La madera no ha sido utilizada todava en la produccin comercial de etanol.

Debido a la gran cantidad de residuos de madera disponibles, seria de la mayor
importancia la fermentacin directa de la madera que haya sido hidrolizada
con celulasas.

El lquido sulfitico residual es otra fuente potencial de azcar. Este se forma

durante la produccin del papel a partir de conferas y contiene hexosas
fermentables. El lquido sulfitico de desecho de los rboles de hoja caduca no
puede ser utilizado para procesos comerciales debido a la alta fraccin de
azcar que esta, no en la forma de hexosas, sino de pentosas.

b. Fermentacin:

La fermentacin es la etapa principal del proceso, no solo porque en ella se produce

el etanol, sino porque se reproduce la masa fundamental de microorganismos y
adems por formarse aqu los productos secundarios.

Para la fermentacin se requiere un biocatalizador que sea capaz de atacar

enzimticamente determinados grupos qumicos del sustrato, ya sea por hidrlisis,
oxidacin, reduccin u otros medios. Los sustratos orgnicos sobre los que actan
los microorganismos tienen un doble papel: el primero como fuente de nutrientes
para dicho biocatalizador y el segundo como fuente de energa.

Mediante la accin de dichos microorganismos o biocatalizadores, que pueden ser

tanto levaduras como bacterias, se transforma el azcar en alcohol. Esto se deba a
que stos bajo condiciones de crecimiento anaerbico, tienen la habilidad de utilizar
la glucosa mediante la compleja va de EmbdenMeyerhofParnas; a travs de esta
va, el piruvato producido durante el catabolismo es procesado por la piruvato
descarboxilasa a acetaldehdo y CO2. Se produce entonces etanol a partir de
acetaldehdo mediante la reduccin por la enzima alcohol deshidrogenasa.

El xito de una buena fermentacin depende de la eficacia del tratamiento

preliminar: concentracin del azcar, pH y temperatura ptimos; la adicin de
sustancias nutritivas al mosto, contaminacin por otros microorganismos, empleo de
un organismo resistente a altas concentraciones de alcohol, mantenimiento de
condiciones anaerobias y la inmediata destilacin del producto fermentado

Condiciones a medir y controlar en el proceso de fermentacin

- Temperatura. La temperatura afecta de manera notable en el crecimiento

microbiano, debido a que los microorganismos tienen un rango restringido de
temperatura para su crecimiento.

- pH. El pH tiene una gran influencia en los productos finales del metabolismo
anaerbico, por lo tanto es importante tener un control sobre esta variable
durante el desarrollo del proceso de fermentacin puesto que los
microorganismos poseen un pH ptimo en el cual tienen mayor velocidad de
crecimiento y rendimiento.

- Nutrientes. Un medio de cultivo debe de tener todos los elementos necesarios

para el crecimiento microbiano, para esto se debe tener en cuenta los
requerimientos nutricionales del microorganismo con el cual se va a trabajar.

- Etanol a partir de melaza. La melaza se obtiene como subproducto final de la

elaboracin del azcar de caa en la figura 5 se muestra un cuadro resumido de
su obtencin.
 Figura 3 Proceso de la obtencin de la melaza

Tratamiento previo de la melaza antes de la fermentacin.

Antes de realizar el proceso de fermentacin alcohlica, es necesario someter la
melaza a tratamientos previos para acondicionarla.

- Esterilizacin. Las melazas pueden contener microorganismos que pueden ser

nocivos para la fermentacin. El ms comn es la bacteria Leuconostoc
mesenteroides, el cual polimeriza las molculas de sacarosa en dextranos no
fermentables.

- Dilucin. La altsima concentracin de azcares y sales presentes en las melazas

impiden que los microorganismos puedan fermentarlas, debido a la gran presin
osmtica que generan sobre sus paredes celulares; asimismo, las melazas son
altamente viscosas, y su manipulacin es difcil en estas condiciones. Por estas
razones, es necesario diluir las melazas; para ello, se les agrega agua, hasta
obtener diluciones de 25 Brix o menores; a valores mayores se tiene el riesgo
de inicios lentos de fermentacin y contaminacin bacteriana.

- Adicin de nutrientes. En ocasiones es necesario aadir algunos elementos

adicionales, con el fin de complementar los nutrientes necesarios para los
microorganismos que realizarn la fermentacin. Para las melazas de caa de
azcar, es necesario aadir algo de nitrgeno y fsforo. Para produccin de
 alcohol carburante, el nitrgeno puede aadirse en forma de urea. Los
requerimientos en fsforo pueden cubrirse con fosfato de diamonio, con la
correspondiente disminucin de urea o la fuente de nitrgeno usada.

c. Destilacin del etanol:

Puesto que el etanol se produce primariamente como fuente de energa y para
combustin, el balance de energa del proceso total determina su viabilidad
econmica.

3. Enzimas comprometidas

Tradicionalmente, los microorganismos ms empleados en la obtencin de etanol son las

levaduras, aunque existen varios tipos de bacterias y hongos que tambin son capaces de
sintetizarlo en cantidades considerables.

En las levaduras, cuando stas toman el azcar del medio, se inicia toda una serie de
reacciones intermedias, conocidas como la ruta glicoltica o ruta Embden-Meyerhof. A
travs de este proceso bioqumico, las levaduras rompen los azcares en energa,
intermediarios tiles para el crecimiento de las clulas, y una gran cantidad de productos
finales (etanol, dixido de carbono y calor), los cuales son excretados por las mismas.

- Zymomonas mobilis, han sido utilizadas para la produccin de etanol, debido a que
presentan un rendimiento de conversin en etanol superior al de la levadura que
resulta de la va metablica utilizada por las mismas, por lo que produce menos
biomasa, una velocidad de produccin ms alta, aunque del otro lado, esta cepa
necesita un pH ms elevado aumentando el riesgo de contaminacin, adems de que
su rango de sustratos es restringido a glucosa, fructosa y sacarosa.

- Saccahromyces cerevisiae, es la especie de levaduras utilizada por excelencia para la

obtencin de etanol a nivel industrial puesto que es un microorganismo de fcil
manipulacin y recuperacin, no es exigente en cuanto a su cultivo, no presenta alto
costo , tolera altas concentraciones de etanol , en la fermentacin produce bajos
niveles de subproductos, es osmotolerante, capaz de utilizar altas concentraciones de
azcares, presenta alta viabilidad celular para el reciclado y caractersticas de
floculacin y sedimentacin para el procesamiento posterior.