Fermentación Alcohólica Fermentaciones Industriales por Hector Massaguer

La producción de etanol es un proceso industrialmente viejo. El etanol por su uso como materia primera química se produce por fermentación desde los inicios de la microbiología industrial, y para la producción de bebidas alcohólicas desde hace miles de años. Pero durante muchos años se ha obtenido por procedimientos químicos, mediante la hidratación de etileno. Últimamente se ha retomado la producción de etanol para su uso químico a través de la fermentación.
El etanol se produce por fermentación para fabricar bebidas alcohólicas y alcohol industrial, pero el uso del etanol como combustible no es rentable, ya que es más económico comprar petróleo que producir etanol. Tan solo lo producen algunos países subdesarrollados.
La producción de etanol por fermentación de la glucosa se produce por la vía de Embden - Meyerhof – Parnas (EMP). A través de esta vía, el piruvato producido pasa a ser acetaldehído por acción de la piruvato descarboxilasa. El acetaldehído pasará a alcohol por acción de la alcohol deshidrogenasa.
El 96% de la producción de etanol la llevan a cabo hongos, diferentes especies de levaduras, principalmente:

Los sistemas biológicos discontinuos para la producción de etanol se inician en aerobiosis, ara obtener la máxima biomasa posible, ya que si las condiciones anaerobias empiezan demasiado pronto, la población no será lo suficientemente grande como para obtener una buena velocidad de conversión a etanol. Distinguimos por lo tanto 2 fases:
♦ Fase aerobia: Glucosa → 6 CO2, es una fase de crecimiento
♦ Fase anaerobia: Glucosa → 2 Etanol + 2 CO2, es la fase de producción de etanol
Por otro lado, incluso en la fase anaerobia será necesaria una cierta presencia de oxígeno, ya que las levaduras lo necesitan para producir sus esteroles y sus AGs insaturados de membrana.

El principal problema es que el etanol es inhibidor a altas concentraciones. La tolerancia al alcohol de las levaduras es crítica para obtener rendimientos elevados. La tolerancia al alcohol de diferentes cepas varía considerablemente. A medida que aumenta la concentración disminuye la velocidad de crecimiento, en primer lugar, y a ciertas concentraciones, incluso la síntesis de alcohol se ve inhibida. El crecimiento generalmente se detiene al llegar al 5% de etanol, mientras que la síntesis se detiene entre el 6 y el 10 %.

Se ha intentado solucionar este problema de 2 maneras:
♦ Desarrollo de cepas de levaduras más resistentes al etanol. Su interés radica en la producción de bebidas alcohólicas de baja graduación y del alcohol industrial. Existen algunas cepas de Saccharomyces capaces de producir hasta el 12 – 14 %, e incluso algunas entre el 18 – 20%.
♦ Uso de Zymomonas fragilis. Es la única bacteria capaz de hacer la fermentación alcohólica. Usa una vía diferente de la EMP, sino que usa la vía de Entner – Doudoroff, seguida de la piruvato descarboxilasa y la alcohol deshidrogenasa. Presenta una serie de ventajas que lo podrían situar por encima de Saccharomyces en la producción:
o Tolera más el azúcar, hasta 400 g/l
o Tolera más el etanol, hasta 130g/l
o Mayor velocidad de crecimiento que las levaduras
o La vía de ED produce en anaerobiosis solo 1 mol ATP/ mol glucosa, de manera que la cantidad de glucosa que pasa a biomasa es menor.
o Mayor velocidad de formación de etanol
Como sustratos para la producción de etanol industrial se usan:
- Raíces con alto contenido en almidón (tubérculos o granos) hidrolizados
- Melazas o zumo de caña de azúcar o remolacha (residuos agrícolas azucarados)
- Madera o residuos del procesado de madera. Esto ya no se usa mucho porque la industria maderera lo reaprovecha para hacer conglomerado, de manera que se aprovecha mejor, ya que como sustrato no es muy rico.
- Residuos agrícolas muy degradados, como paja... No se usa, porque degradar células hasta azúcares resulta caro, con lo que disminuye el rendimiento.
Lo mejor son las melazas, son los más ricos, y además, generalmente, tiene buenas concentraciones de otros productos, aunque puede ser que se tengan que suplementar con P o N.

La producción de etanol se hace generalmente por fermentación en discontinuo con almidón hidrolizado o melazas como sustrato. El volumen de inóculo usado suele ser de un 3%. La fermentación continua se ha probado en algunos casos, obteniendo un éxito relativo.

En lo que respecta a la recuperación del producto, antes de la destilación, se separa la masa celular por centrifugado o por sedimentación. La destilación consiste en aplicar calor e una mezcla de líquidos, idealmente con diferentes puntos de ebullición, de manera que uno pase a vapor y se condense después en una columna de destilación. En lo que respecta a la destilación, depende del destino:
♦ Si se trata de alcohol para consumo, se destila por el método tradicional del alambique, inventado por los árabes. El alambique consta de un recipiente donde se caliente el líquido a destilar, de manera que los vapores se recojan y se pasen por un refrigerador o serpentín, donde condensarán.
♦ Si se trata de alcohol industrial, se usan destiladores en continuo, desde principios del siglo XIX. Estos destiladores pueden alcanzar alcohol del 96% de pureza, usado como disolvente en la industria cosmética, química o farmacéutica. Si se quiere alcohol 100% el 4% restante se ha de eliminar por medios químicos. En una destilación en continuo distinguimos una serie de etapas.
1. Destilación primaria
2. Rectificación del destilado de la primera columna
3. En la producción de etanol para formar combustible o para otros usos industriales