Fermentación alcohólica

La fermentación de etanol, también llamada fermentación alcohólica, es un proceso biológico que convierte azúcares como glucosa, fructosa y sacarosa en energía celular, produciendo etanol y dióxido de carbono como subproductos. Debido a que las levaduras realizan esta conversión en ausencia de oxígeno, la fermentación alcohólica se considera un proceso anaeróbico. También tiene lugar en algunas especies de peces (incluidos los peces dorados y las carpas) donde (junto con la fermentación del ácido láctico) proporciona energía cuando el oxígeno escasea.

La fermentación de etanol tiene muchos usos, incluidas las bebidas alcohólicas, la producción de combustible de etanol y el aumento de la masa de pan.

Proceso bioquímico de fermentación de sacarosa.

Las siguientes ecuaciones químicas resumen la fermentación de sacarosa (C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁) en etanol (C ₂ H ₅ OH). La fermentación alcohólica convierte un mol de glucosa en dos moles de etanol y dos moles de dióxido de carbono, produciendo dos moles de ATP en el proceso.C ₆ H ₁₂ O ₆ → 2 C ₂ H ₅ OH + 2 CO ₂

La sacarosa es un azúcar compuesto por una glucosa unida a una fructosa. En el primer paso de la fermentación alcohólica, la enzima invertasa rompe el enlace glucosídico entre las moléculas de glucosa y fructosa.C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ + H ₂ O + invertasa → 2 C ₆ H ₁₂ O ₆

A continuación, cada molécula de glucosa se descompone en dos moléculas de piruvato en un proceso conocido como glucólisis. La glucólisis se resume en la ecuación:C ₆ H ₁₂ O ₆ + 2 ADP + 2 P _i + 2 NAD → 2 CH ₃ COCOO + 2 ATP + 2 NADH + 2 H ₂ O + 2 H

CH ₃ COCOO es piruvato y _Pi es fosfato inorgánico. Finalmente, el piruvato se convierte en etanol y CO ₂ en dos pasos, regenerando el NAD+ oxidado necesario para la glucólisis:1. CH ₃ COCO + H → CH ₃ CHO + CO ₂

catalizada por la piruvato descarboxilasa2. CH ₃ CHO + NADH + H → C ₂ H ₅ OH + NAD

Esta reacción está catalizada por la alcohol deshidrogenasa (ADH1 en la levadura de panadería).

Como muestra la ecuación de reacción, la glucólisis provoca la reducción de dos moléculas de NAD a NADH. Dos moléculas de ADP también se convierten en dos moléculas de ATP y dos de agua a través de la fosforilación a nivel de sustrato.

Procesos relacionados

La fermentación de azúcar a etanol y CO ₂ también puede ser realizada por Zymomonas mobilis, sin embargo, el camino es ligeramente diferente ya que la formación de piruvato no ocurre por glucólisis sino por el camino de Entner-Doudoroff. Otros microorganismos pueden producir etanol a partir de azúcares por fermentación, pero a menudo solo como producto secundario. Los ejemplos son

• Fermentación de ácido heteroláctico en la que la bacteria Leuconostoc produce lactato + etanol + CO ₂
• Fermentación ácida mixta donde Escherichia produce etanol mezclado con lactato, acetato, succinato, formiato, CO ₂ y H ₂
• Fermentación de 2,3-butanodiol por Enterobacter produciendo etanol, butanodiol, lactato, formiato, CO ₂ y H ₂

Galería

• Uvas fermentando durante la producción de vino.

• Glucosa representada en la proyección de Haworth
• piruvato
• acetaldehído
• Etanol

Efecto del oxígeno

La fermentación no requiere oxígeno. Si hay oxígeno presente, algunas especies de levadura (p. ej., Kluyveromyces lactis o Kluyveromyces lipolytica) oxidarán completamente el piruvato a dióxido de carbono y agua en un proceso llamado respiración celular, por lo que estas especies de levadura producirán etanol solo en un ambiente anaeróbico (no celular). respiración). Este fenómeno se conoce como efecto Pasteur.

Sin embargo, muchas levaduras, como la levadura de panadería de uso común Saccharomyces cerevisiae o la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombebajo ciertas condiciones, fermentan en lugar de respirar incluso en presencia de oxígeno. En la elaboración del vino, esto se conoce como el efecto contra-Pasteur. Estas levaduras producirán etanol incluso en condiciones aeróbicas, si se les proporciona el tipo adecuado de nutrición. Durante la fermentación por lotes, la tasa de producción de etanol por miligramo de proteína celular es máxima durante un breve período al principio de este proceso y disminuye progresivamente a medida que el etanol se acumula en el caldo circundante. Los estudios demuestran que la eliminación de este etanol acumulado no restaura inmediatamente la actividad fermentativa y proporcionan evidencia de que la disminución en la tasa metabólica se debe a cambios fisiológicos (incluido el posible daño por etanol) más que a la presencia de etanol. Se han investigado varias causas potenciales de la disminución de la actividad fermentativa. La viabilidad permaneció en o por encima del 90 %, el pH interno permaneció cerca de la neutralidad y las actividades específicas de las enzimas glucolíticas y alcohológenas (medidas in vitro) permanecieron altas durante la fermentación por lotes. Ninguno de estos factores parece estar causalmente relacionado con la caída de la actividad fermentativa durante la fermentación discontinua.

Horneado de pan

La fermentación del etanol hace que la masa de pan suba. Los organismos de levadura consumen azúcares en la masa y producen etanol y dióxido de carbono como productos de desecho. El dióxido de carbono forma burbujas en la masa, expandiéndola hasta formar una espuma. Queda menos del 2% de etanol después del horneado.

Bebidas alcohólicas

Todo el etanol contenido en las bebidas alcohólicas (incluido el etanol producido por maceración carbónica) se produce mediante fermentación inducida por levaduras.

• El vino se produce por fermentación de los azúcares naturales presentes en las uvas; la sidra y la perada se producen mediante una fermentación similar del azúcar natural en manzanas y peras, respectivamente; y los demás vinos de frutas se producen a partir de la fermentación de los azúcares en cualquier otro tipo de fruta. El brandy y el eaux de vie (por ejemplo, slivovitz) se producen por destilación de estas bebidas fermentadas con frutas.
• El hidromiel se produce por fermentación de los azúcares naturales presentes en la miel.
• La cerveza, el whisky y, en ocasiones, el vodka se producen por fermentación de almidones de cereales que se han convertido en azúcar mediante la enzima amilasa, que está presente en los granos de cereales malteados (es decir, germinados). Se pueden añadir a la mezcla otras fuentes de almidón (p. ej., patatas y cereales sin maltear), ya que la amilasa también actuará sobre esos almidones. También puede ser fermentado inducido por amilasa con saliva en algunos países. También se destilan whisky y vodka; la ginebra y las bebidas relacionadas se producen mediante la adición de agentes aromatizantes a una materia prima similar al vodka durante la destilación.
• Los vinos de arroz (incluido el sake) se producen mediante la fermentación de almidones de cereales convertidos en azúcar por el moho Aspergillus oryzae. El baijiu, el soju y el shōchū se destilan del producto de dicha fermentación.
• El ron y algunas otras bebidas se producen por fermentación y destilación de la caña de azúcar. El ron generalmente se produce a partir de la melaza del producto de la caña de azúcar.

En todos los casos, la fermentación debe tener lugar en un recipiente que permita que escape el dióxido de carbono pero que evite que entre aire exterior. Esto es para reducir el riesgo de contaminación de la infusión por bacterias o moho no deseados y porque la acumulación de dióxido de carbono crea un el recipiente se romperá o fallará, lo que posiblemente cause lesiones o daños a la propiedad.

Materias primas para la producción de combustible

La fermentación de levadura de varios productos de carbohidratos también se usa para producir el etanol que se agrega a la gasolina.

La materia prima de etanol dominante en las regiones más cálidas es la caña de azúcar. En las regiones templadas se utilizan maíz o remolacha azucarera.

En Estados Unidos, la principal materia prima para la producción de etanol actualmente es el maíz. Aproximadamente 2,8 galones de etanol se producen a partir de un bushel de maíz (0,42 litros por kilogramo). Si bien gran parte del maíz se convierte en etanol, parte del maíz también produce subproductos como DDGS (granos secos de destilería con solubles) que pueden usarse como alimento para el ganado. Un bushel de maíz produce alrededor de 18 libras de DDGS (320 kilogramos de DDGS por tonelada métrica de maíz). Aunque la mayoría de las plantas de fermentación se construyeron en regiones productoras de maíz, el sorgo también es una materia prima importante para la producción de etanol en los estados de las Llanuras. El mijo perla se muestra prometedor como materia prima de etanol para el sureste de los EE. UU. y se está estudiando el potencial de la lenteja de agua.

En algunas partes de Europa, particularmente en Francia e Italia, las uvas se han convertido en una materia prima de facto para el etanol combustible mediante la destilación del excedente de vino. También se pueden usar bebidas azucaradas sobrantes. En Japón, se ha propuesto utilizar arroz normalmente convertido en sake como fuente de etanol.

Yuca como materia prima de etanol

El etanol se puede hacer a partir de aceite mineral o de azúcares o almidones. Los almidones son más baratos. El cultivo rico en almidón con mayor contenido de energía por acre es la yuca, que crece en los países tropicales.

Tailandia ya tenía una gran industria de yuca en la década de 1990, para su uso como alimento para ganado y como una mezcla barata para la harina de trigo. Nigeria y Ghana ya están estableciendo plantas de yuca a etanol. Actualmente, la producción de etanol a partir de la yuca es económicamente factible cuando los precios del petróleo crudo superan los 120 dólares EE.UU. por barril.

Se están desarrollando nuevas variedades de yuca, por lo que la situación futura sigue siendo incierta. Actualmente, la yuca puede producir entre 25 y 40 toneladas por hectárea (con riego y fertilizantes), y de una tonelada de raíces de yuca se pueden producir alrededor de 200 litros de etanol (suponiendo que la yuca tenga un contenido de almidón del 22%). Un litro de etanol contiene alrededor de 21,46 MJ de energía. La eficiencia energética general de la conversión de raíz de yuca en etanol es de alrededor del 32%.

La levadura utilizada para el procesamiento de la yuca es Endomycopsis fibuligera, a veces utilizada junto con la bacteria Zymomonas mobilis.

Subproductos de la fermentación

La fermentación del etanol produce subproductos no cosechados, como calor, dióxido de carbono, alimentos para el ganado, agua, metanol, combustibles, fertilizantes y alcoholes. Los residuos sólidos no fermentados del cereal del proceso de fermentación, que pueden utilizarse como alimento para el ganado o en la producción de biogás, se denominan granos de destilería y se venden como WDG, granos húmedos de destilería y DDGS, granos secos de destilería con solubles, respectivamente.

Microbios utilizados en la fermentación de etanol

• Levadura
  • Saccharomyces cerevisiae
  • Schizosaccharomyces
• Zymomonas mobilis (una bacteria)