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MEZCLA DE GASES EN LA CERVEZA EN BIORREACTORES

CURSO: Ingeniería de Alimentos II PROFESOR: Ing. Isabel Jesús Berrocal Martínez INTEGRANTES:  Huamán Miranda Johanna 092704K  Pujalla Ríos, Miguel Castro Durán Hugo 092057E092059H  Quineche Minaya, Laura Huamán Miranda Johanna 092704K092689A  Silva Quiñones, Quineche Minaya, LauraLiceth 092689A092663B Silva Quiñones, Liceth

INTEGRANTES:    

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INTRODUCCIÓN

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS OBJETIVOS

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS MARCO TEÓRICO ELABORACIÓN DE CERVEZA INDUSTRIAL

El Principio general Según la reglamentación Técnico Sanitaria española, “la cerveza es el resultado de la fermentación alcohólica de levaduras seleccionadas de un mosto procedente de la cebada malteada, sola o mezclada con otros productos transformables en azucares adicionado con lúpulo y todo ello llevado a un proceso de cocción. La cebada puede sustituirse por otros cereales”.

A pesar de la variedad de procedimientos que han existido en el curso de los tiempos, toda elaboración de cerveza responde a principios comunes con independencia de las materias primas básicas empleadas. Entre esos principios se encuentran la conversión del almidón obtenido de un cereal y la fermentación de dichos azúcares para obtener la cerveza. Las fases del proceso pueden variar, pero generalmente incluyen el añadido de un ingrediente fermentador, que active la transformación de los azúcares del almidón en alcohol y dióxido de carbono. Por último, en la tradición cervecera de los últimos siglos se procede a dejar añejar el producto durante un periodo que salvo tipos especiales como el belga Lambic, normalmente no traspasa pocas semanas. Tras esto se procede a filtrar la cerveza y ponerla en condiciones de empacarse.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS PROCEDIMIENTO El proceso de Elaboración de Cerveza consta de tres etapas claramente definidas, que son: Cocimiento, Fermentación y Reposo las cuales dependen exclusivamente del tipo de cerveza que se piensa elaborar, debido a que según la clase de cerveza varia la cantidad y tipo de Materia Prima. Esta es una de las causas principales por las cuales existen tantas variedades de cerveza. Siendo las otras el:    

Tipo y naturaleza de Agua cervecera Tipo y naturaleza de levadura cervecera Tiempos y Temperaturas en Cocimiento Tiempos y Temperaturas en Fermentación

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS PROCEDIMIENTO MALTEADO DE CEREAL El primer proceso que inevitablemente está vinculado cerveza es malteado. Después de localizado el cereal debe dar una preparación tendente a que esté en lleve a cabo el proceso central de transformación, en enzimas y se prepara la germinación. Aunque desde en el mundo occidental la cebada como materia malteado, pueden usarse otros cereales o productos almidón.

a la elaboración de la por su calidad, se le condiciones de que se que se activaran las hace siglos predomina prima sometida a contentivos del

Después de cierto tiempo, un grano germina espontáneamente, pero antes de que eche raíz necesita alimentarse de almidón, para lo cual emite enzimas que transforman el almidón en azúcares simples. Este proceso natural es interrumpido por medio del malteado, en que se somete el grano a temperatura elevada, con el fin de secarlo. Conviene observar las fases del malteado con mayor detenimiento. El proceso, en su conjunto, es altamente exigente, empezando por el requerimiento de selección de la variedad que se va a utilizar. Los granos deben ser homogéneos, pues de lo contrario la cerveza carecería de estabilidad, requisito de calidad. Existen dos tipos de variedad que se clasifican de acuerdo a la disposición del grano en la espiga: la de dos hileras y seis hileras. A continuación, el cereal se deja en remojo, a fin de que lo granos se hinchen. En ese transcurso se inyecta aire al agua de remojo a una temperatura constante, de alrededor de 18 grados centígrados. Luego se transfiere grano húmedo al recipiente donde se efectúa la germinación. El especialista maltero da seguimiento minucioso al crecimiento de las raicillas y al comportamiento del grano. De cuando en cuando, los granos son removidos para obtener una germinación homogénea en la casi totalidad de ellos. Pasados algunos días, se interrumpe el proceso de germinación. Inmediatamente después, los granos son secados con aire caliente, con lo cual se elimina el germen. Hecho esto, se procede a separar el germen del resto del grano, lo que lo deja transformado en malta y listo para las ulteriores operaciones. Dependiendo de la temperatura y la duración de ese proceso de secado, el color de la marta varía entre amarillo pálido y marrón oscuro, al igual que el sabor y el aroma.

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Cada tipo de cerveza depende de un proceso particular de malteado, que a menudo se produce en función de las variedades de la cebada o del cereal que se utilice. Los tipos inciden en el sabor y el color de la cerveza. Además de las maltas regulares, pueden obtenerse maltar caramelo, para sabores especiales, y maltar negras las cuales se usan en las cervezas oscuras. No obstante la dependencia de una determinada materia prima para el producto deseado, el malteado se lleva a cabo de manera independiente del resto del proceso. Esto se debe en gran medida a que el cereal requiere ser sometido con prontitud al malteado, por lo cual constituye una operación previa, con sus peculiaridades y exigencias. La gran mayoría de empresas cerveceras, por consiguiente, prefieren prescindir de la fase de malteado, que queda en manos de plantas especializadas, y adquirir la malta en el mercado, materia prima con la cual propiamente comienza la labor de la cervecería

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Molienda: En todas las cervecerías industriales y micro cervecerías se comienza con este proceso y muchos cerveceros artesanales y caseros tienen sus propios molinos para romper la malta. La importancia de la molienda radica en que de ella depende la eficiencia en la extracción de los azúcares atrapados en el grano, tarea que realizan las enzimas durante la maceración. Influye también en el filtrado del mosto durante el recirculado y lavado del grano. El proceso en sí consiste en reducir el endospermo o interior del grano a partículas más pequeñas tratando de mantener la cáscara intacta. Cuanto más chico se parta el grano más superficie del mismo se expone a la acción de las enzimas encargadas de transformar el almidón y más eficiente será la extracción de los azúcares, por lo que se puede pensar que lo mejor sería convertir el grano en harina. A menos que se use un filtro prensa en el macerado, como en las grandes cervecerías, esto es totalmente desaconsejado. La harina junto con el agua se convertirá en una masa compacta que hará imposible la filtración, el recirculado y la recolección del mosto. Por otro lado, si molemos muy grueso la extracción de azúcares será escasa y el rendimiento del grano muy pobre. Es muy importante lograr que la cáscara quede entera ya que es la encargada de mantener la correcta circulación del mosto en las distintas etapas del macerado, formando además una especie de filtro natural. Si la cáscara se rompe en demasía, se disolverán en el mosto un porcentaje mayor de sustancias indeseables (taninos y polifenoles) que afectarán el sabor (astringente) y el aspecto final (turbio) de la cerveza. Además no se formará adecuadamente la cama filtrante que permitirá un drenaje fluido del mosto. Podemos decir que una molienda es correcta cuando el tamaño de las partículas obtenidas mantiene una relación balanceada entre la extracción de los azúcares y la fluidez del drenaje. Una buena molienda debería dar como resultado aproximadamente los siguientes porcentajes:

La molienda consiste en destruir el grano, respetando la cáscara o envoltura y provocando la pulverización de la harina. la malta es comprimida entre dos cilindros pero evitando destruir la cáscara lo menos posible pues ésta servirá de lecho filtrante en la operación de filtración del mosto; a su vez el interior del grano en una harina lo más fina posible. Estas dos condiciones, cáscara entera

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS y harina fina no podrán respetarse si el grano no está seco (excepción molienda húmeda) y muy bien desagregado una tercera exigencia es un buen calibrado de la malta. La molienda debe ser también regulada según el cocimiento; si se utiliza un alto porcentaje de granos crudos o adjuntos es necesario moler groseramente. Sí para la filtración del mosto se utiliza un filtro prensa en lugar de una cuba-filtro o de falso fondo se puede moler más fino pues en el filtro prensa el espesor de la capa filtrante de orujo o afrecho es mucho más delgado.

MOLIENDA SECA. Es el método tradicional de molienda en el que se usa el grano seco. Para obtener un buen resultado la malta debe tener un muy bajo contenido de humedad (2.5 - 4 %), debe estar muy bien desagregada y el tamaño de sus granos debe ser parejo.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Cuando la malta está seca la cáscara es mucho más quebradiza pero con un correcto calibrado del espacio entre los rodillos del molino se logrará hacerle el menor daño posible. Una ventaja de este sistema de molienda consiste en que las muestras de la malta molida pueden ser fácilmente tomadas y comprobadas, lo que permite poder modificar la regulación del molino en caso de ser necesario. Molinos de Rodillos El grano, al pasar entre los rodillos, es aplastado y descascarado. Los rodillos son comúnmente estriados para aumentar la fricción y ruedan en sentido contrario uno del otro. La capacidad y la eficacia de un molino dependen de la longitud, diámetro, velocidad, y separación de los rodillos. El aplastado tiene dos efectos, la compresión y el pelado del grano. La compresión está relacionada con la distancia entre los rodillos, y el pelado o descascarado depende de la velocidad de rotación de los mismos. Estos molinos pueden tener entre dos y seis rodillos. Los de dos rodillos no resultan muy eficaces, cuando de reduce demasiado el espacio entre los rodillos causan daño a la cáscara y no dan una molienda apropiada. La distancia entre los rodillos es normalmente de 1.3- 1.5 mm. Tales molinos son sólo útiles para la malta bien modificada. En el molino de tres rodillos, estos se disponen en forma triangular o de” V” con un rodillo central que gira en sentido contrario a los otros dos y que está separado de ellos a una distancias distintas. Tanto esta moledora como la anterior son ideales para ser usados en pequeñas fábricas de cervezas por su diseño simple, tamaño reducido y bajo costo. En los molinos de más rodillos, se separan los diferentes productos de la molienda, cáscaras, grano partido grueso, grano partido fino, y harina por medio de tamices vibradores o bateas giratorias. Las cáscaras y la harina que no requieren para ser molidas una segunda o tercera vez y son separadas en la primera etapa. Los de cuatro o cinco rodillos son máquinas útiles para fábricas de cerveza que realizan un proceso en gran escala. El par superior de rodillos tiene generalmente un separación de 1.31.5 mm y el juego de más debajo de 0.25-0.4 mm.. Los molinos de seis rodillos son convenientes para aquellas cervecerías con producciones de 6 a-12 cocciones por día. El espacio entre rodillos es normalmente, en el par superior de 0.75-1.5 mm, en el del medio de 0.7-0.9 mm, y el de más debajo de 0.3-0.6 mm. En la siguiente figura se muestran varios modelos y combinaciones en molinos de mas de dos rodillos

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS MOLIENDA HUMEDA Los sistemas para molienda húmeda son normalmente de dos rodillos que están más juntos que en la molienda seca (0.35-0.45 mm). La malta es remojada en una tolva encima del molino para levantar su humedad a alrededor del 30 %. Si el agua de remojo se va a descartar puede usarse fría en cambio si se va a utilizar para la realización del empaste en la maceración, podrá calentarse hasta alcanzar la temperatura a la cual se va a macerar (la Figura 10.7a). En la, el agua normalmente se recircula por 15-30 minutos y posteriormente pasa a través del molino, junto con la malta, hacia el recipiente mezclador donde realizará el empaste que luego se bombea directo al macerador. La molienda húmeda es ventajosa porque da como resultado una combinación de cáscara entera y partículas más pequeñas de endospermo que acelera el proceso de macerado y facilita la obtención de extractos más altos. Sin embargo, también tiene varias desventajas. Es difícil obtener una mezcla buena y uniformemente húmeda en la tolva del molino. Descartar el agua de remojo puede causar la pérdida de algunas enzimas y la maceración más corta (35-45 minutos) puede resultar en una actividad proteolítica demasiada larga que afectará la densidad del mosto y posiblemente la estabilidad de la espuma. Con este proceso, el empaste se hace muy compacto durante la molienda y se necesitan grandes cantidades grandes de agua. Otras desventajas son la difícil realización de ajustes en el molino y la alta oxigenación que se puede dar. Todo estos problemas hicieron que este tipo de tecnología ya no se fabrique, pero está todavía en el uso. Molienda Húmeda con Acondicionamiento por Remojo. Este sistema es una variación del proceso de molienda húmeda y es una combinación de molienda y maceración. Aquí la tolva alimentadora contiene la malta seca y el agua de maceración, a 60-70 ºC es añadido al sistema entre la tolva y los rodillos. Una vez que el recipiente mezclador tiene una capa conveniente del agua, se abre la tolva y comienza la molienda. Los granos se mezclan con el agua caliente en la cámara de humectación durante aproximadamente 1 minuto para que la humedad de cáscara aumente hasta alrededor del 20 %., entonces la malta es arrastrada hacia los rodillos. Después de la molienda se agrega más agua hasta completar lo necesario para la maceración.

Este sistema tiene la ventaja de disponer de una ronda de realimentación, que regula la velocidad del suministro de granos a los rodillos permitiendo así manejar diferentes tiempos para poder utilizar maltas poco modificadas. Se acorta el proceso a aproximadamente 20 12 NGENIERÍA DE ALIMENTOS II MEZCLA DE GASES EN CERVEZA EN BIORREACTORES

NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS minuto, pero todavía mantiene ciertas desventajas. No es fácil obtener la cáscara con el 20 % de humedad deseado y los problemas de compactación del empaste y el exceso de oxígeno todavía persisten. Además, debido a la mayor velocidad del proceso, se requieren motores y bombas más poderosas.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Obtención del mosto La obtención del mosto se lleva a cabo en equipos ubicados en una área llamada COCINAS y comprende las siguientes operaciones: Licuificacion de los grits u obtención de crudos Maceración de la Malta. Filtración del mosto Cocción del mosto y agregación del Lúpulo Sedimentación. Es de anotar que en la industria cuando se usan grits o harinas de cereales, se hace necesario solubilizar los almidones razón por la cual, el proceso en cocinas se inicia con el llamado proceso de crudos.

Figura N : Composición del mosto Fuente: http://industriaalimentaria.org/docu/bb/cerveza.pd

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Preparación de crudos En una olla llamada de temperatura de unos 36o (pH, dureza y alcalinidad) grits y se procede a agitar

crudos, se alista una cantidad de agua previamente calculada y a una C, se adicionan las sales correctoras para lograr las condiciones químicas apropiadas para la disolución de los almidones, enseguida se agregan los para lograr una mezcla homogénea.

Inicialmente se sube la temperatura a para que los almidones absorban agua, es decir se gelatinicen. La temperatura de gelatinización depende del cereal, por ejemplo los almidones del maíz gelatinizan a 80ºC, en tanto que los de cebada gelatinizan a 72ºC. Se deja a esta temperatura unos minutos para que los almidones se hinchen (forman el llamado engrudo) y luego se llevan los crudos a ebullición para que ocurra la solubilización o licuificaciòn de los almidones. Una vez están solubles los almidones, se deben hidrolizar por la acción de las enzimas de la malta y se pasan a la olla donde se procesa la malta.

Maceración. La maceración es el cocimiento en agua, sin llegar a ebullición, de la malta. En esta etapa se extraen de las malta los compuestos solubles, principalmente almidones y proteínas. Por acción enzimática y a temperaturas previamente definidas se degradan parcialmente las proteínas a poli péptidos, péptidos y aminoácidos y los almidones tanto de la malta como de los grits, a acrodextrinas, eritrodextrinas, tri, di y monosacáridos, siendo estos últimos los azúcares fermentables. Para lograr estos cambios químicos, en una olla apropiada llamada de mezclas, se alista una cantidad de agua previamente calculada y a una temperatura de unos 36o C, se adicionan las sales correctoras para lograr las condiciones químicas apropiadas para el trabajo enzimático, enseguida se agrega la malta y se procede a agitar para lograr una mezcla homogénea. A continuación se sube la temperatura para llegar a unos 52 o C, y que actúen las enzimas, llamadas proteasas, sobre las proteínas; estos compuestos como ya se mencionó, pasan a poli péptidos, péptidos, peptonas y aminoácidos.

Tantos las proteínas como los poli péptidos causan inestabilidad y turbidez en la cerveza. Los péptidos y las peptonas son en alto grado las responsables de la espuma y los aminoácidos son

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS nutrientes de las levaduras y aparecen también como elementos nutricionales en la cerveza. El tiempo de proceso, llamado descanso de proteólisis, que se deja a esta temperatura, depende del contenido de proteínas que tiene la malta , de la cantidad de espuma que se quiere tener en la cerveza y de la relación almidón- proteína necesaria para preveer la adecuada estabilidad del producto. Terminado el descanso de proteólisis, se lleva la masa a unos 72o C, para que las enzimas, en este caso llamadas amilolíticas, actúen sobre los almidones. Como la masa está a 36ºC se mezcla con los grits que están hirviendo y con algo de calor se logran los 72ºC La acción de las enzimas sobre los almidones se llama sacarificación y en esencia consiste en llegar a tener como mayores moléculas, las dextrinas; el tiempo en que se deja la masa a esta temperatura depende de la cantidad de almidones presentes en la malta, de la relación almidones-proteínas, de la cantidad de alcohol que se requiera tenga la cerveza, y del cuerpo de la cerveza. Ya hemos referido como en la sacarificación los almidones pasan a acrodextrinas, eritrodextrinas, dextrinas, tri, di y monosacáridos. Las acro y las eritrodextrinas producen sabores harinosos o a pan. A diferencia de la proteólisis que puede ser parcial, la sacarificación si debe ser total y por tal razón debe comprobarse que ello ocurra mediante una prueba que se denomina de sacarificación. Terminado el descanso de sacarificación, se eleva la Temperatura a 76 - 80o C, para inactivar las enzimas. Durante este proceso también ocurren otras reacciones y cambios como son la parcial disolución de taninos que dan color a la cerveza, degradación de gomas, formación de flovafenos causantes de color y otras de menor importancia. El resultado de estas operaciones es una especie de sopa donde el líquido es el mosto y los sólidos están constituidos por cáscaras algunos gérmenes y granos no transformados de la malta. Debe hacerse una separación de estos componentes y ello se logra mediante la filtración.

Filtración del mosto. En una olla de fondo plano con varias tuberías y válvulas de salida, con un falso fondo ranurado, se recibe agua caliente en cantidad suficiente para tapar el falso fondo y buscar que la olla se caliente por lo menos a la temperatura a la cual se encuentra la masa proveniente de la olla de mezclas. Si la masa se enfría aumenta su viscosidad y la filtración se hará muy lenta.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS La masa se bombea de mezclas a filtración y se deja en reposo por unos cinco minutos, tiempo en el cual se forma un lecho filtrante constituido por los sólidos de la masa. Al iniciar la filtración abriendo las válvulas del fondo de la olla, sale un mosto turbio que debe ser devuelto a la olla. Una vez clarifica el mosto se envía a la Olla de Cocción. En ocasiones se tapa el lecho filtrante y se para la filtración, la olla dispone de un sistema de cuchillas que permite “cortar” y destapar el lecho.

Al terminar la filtración, denominada la primera se encuentra que existe mucho mosto embebido en el lecho, que por este tiempo recibe el nombre de afrechos. Mediante adición de agua a unos 76 80o C, previamente tratada con ácido y sales se procede al lavado de los afrechos en lo que se llama la segunda filtración. Una vez se termina la segunda filtración se procede a sacar los afrechos y a lavar minuciosamente la olla con agua.

Ebullición de Mosto

La finalidad de la ebullición es Estabilizar enzimática y microbiológicamente el mosto, buscar la coagulación de las proteínas. La destrucción de las enzimas es realizada para evitar que sigan desdoblando a lo largo de la fermentación, las amilasas podrían seguir desdoblando las dextrinas y éstas se transformarían enteramente en alcohol. La esterilización del mosto es obtenida por simple ebullición, pues su reacción es ligeramente ácida. La coagulación de las materias proteínicas debe hacerse lo mejor posible, pues si subsisten en el mosto ocasionarían problemas en la fermentación y provocando fácilmente turbiedad en la cerveza embotellada. La esterilización y la destrucción de las 17 NGENIERÍA DE ALIMENTOS II

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS enzimas es fácil de realizar, un cuarto de hora de ebullición es generalmente suficiente. La coagulación de proteínas es mucho más difícil, se realiza por etapas, la primera es la desnaturalización que consiste en la ruptura de puentes de hidrógeno en la molécula de proteína, pasando del estado hidratado al deshidratado, manteniéndose en suspensión únicamente por su carga eléctrica; luego de la desnaturalización se produce la coagulación propiamente dicha por agrupación de micelios deshidratados; es aquí donde el PH juega un papel importantísimo pues la coagulación será eficiente si se realiza en el punto isoeléctrico; como existen muchas proteínas en el mosto se ha optado por el PH 5.3 como él mas conveniente. La violencia de la ebullición influye también en la coagulación más no en la desnaturalización. Durante la ebullición. La coloración también aumenta sobre todo por la formación de melanoidinas, también por oxidación de taninos, estas dos reacciones son favorecidas por el PH elevado. Por último a lo largo de la ebullición se forman productos reductores que contribuyen a la calidad y estabilidad de cerveza. El Lupulado del mosto se realiza tradicionalmente durante esta operación, es decir en la paila de ebullición. El amargor es obtenido por isomerización de los ácidos y del lúpulo; esta isomerización es incompleta debido principalmente al PH del mosto, el PH óptimo de isomerización es 9. Como se ha visto existen muchas lupulonas y humulonas en el lúpulo; cada uno de estos compuestos donará su isómero respectivo; el conjunto es conocido como isohumulonas pues son esencialmente quienes donan el amargor deseado.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Enfriamiento de Mosto El mosto obtenido por sacarificación de la malta o de los adjuntos y por proteólisis de las proteínas de la malta, ebullido durante hora y media con el lúpulo para otorgarle el amargo, a lo largo de esta ebullición la esterilización completa es obtenido gracias en particular a un PH vecino a 5.3. Los precipitados proteícos son eliminados por sedimentación, filtración o centrifugación; el mosto es enseguida enfriado a la temperatura de inoculación de la levadura, esta temperatura depende del tipo de levadura empleada y del tipo de cerveza a fabricar entre 6 a 20 ºc . Durante el enfriamiento un nuevo precipitado de polifenoles-proteínas se forma, por un lado por enlaces de hidrógeno y también por la falta de solubilidad de las prolaminas. La presencia de este nuevo precipitado juega un rol esencial sobre la formación de H2S por la levadura. El mosto enfriado, en principio estéril, debe ser airada antes del inicio de la fermentación, de no ser airada la tasa de mortalidad levuriana aumentaría a tal punto que la levadura no podría ser reutilizada; la oxigenación del mosto antes del inicio de la fermentación permite a la levadura sintetizar ácidos grasos insaturados (oleícos, linoleícos, y linolénicos), en ausencia de estos ácidos grasos la pared celular está sujeta a alteraciones lo cual lo hace más permeable a los ésteres correspondientes a los alcoholes superiores que ella misma forma. La composición del mosto es muy variable en función al tipo de cerveza fabricada, su densidad puede variar entre 2 a 20 ºP (grados Plato) es decir que puede contener de 2 a 20 gr de soluto por 100 grs de líquido; a su vez puede ser rico o no en aminoácidos y péptidos en función de la importancia de la proteólisis y de la proporción de adjuntos utilizados. La relación maltosa/dextrinas es igualmente variable de acuerdo al método de cocimiento escogido. De manera general se puede decir que el mosto es un medio incompleto, normalmente carente de aminoácidos y ácidos grasos insaturados pues es imposible obtener un crecimiento rápido y completo de levadura; cosa que no sucede si se tratara de un medio sintético a base de extractos de levadura.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS FERMENTACION: La fermentación juega un rol esencial en la calidad de la cerveza, en particular gracias a los productos secundarios como los alcoholes superiores y ésteres; es también la etapa de la fabricación más difícil de controlar. La levadura que es reutilizada de una fermentación a otra no tiene un metabolismo estable; ella degenera. Esta degradación es debida a una infección por presencia de otros microorganismos, ni habitualmente tampoco debido a una mutación; debido a modificaciones progresivas de la membrana celular y de la actividad enzimática de la levadura. Las fermentaciones son modificaciones del metabolismo celular, es decir el conjunto de modificaciones bioquímicas y físicas. Este metabolismo comprende el catabolismo y anabolismo. Se ha preparado un líquido complejo y se ha purificado cuidadosamente hasta el momento de agregar la levadura cervecera para producir su fermentación. Al final de esta cuando los azucares han sido transformados hasta alcohol y gas carbónico se tendrá la cerveza. Después de la fermentación la cerveza es separada de la levadura, la cual puede ser utilizada para fermentar más mosto, posteriormente. La cerveza se deja un determinado tiempo en reposo durante el cual se fijan ciertas cualidades y se clarifica naturalmente; después es filtrada. El principal producto obtenido durante la fermentación es el alcohol etílico pero se conoce dos tipos de fermentaciones en cervecería la fermentación de superficie y la fermentación de fondo Fermentación de superficie.- Se usa levadura que va a la superficie del líquido después de filtrar la fermentación. Con este sistema se hacen cervezas tipo Ale, Porter, Lambic. Fermentación de fondo.- Se emplea un tipo de levadura que se sedimenta al fondo de la tina después de haber efectuado la fermentación del mosto con ella se hacen cervezas tipo Lager. En las cervecerías nacionales se emplea este tipo de fermentación.

Descripción del proceso: Se agrega al mosto frío, levadura en una cantidad calculada, para que quede en el mosto de 8 a 10 millones de células por cc. Para la fermentación de mosto concentrado, se usa un millón de células por cc por cada grado plato del mosto. La cantidad de levadura previamente determinada se diluye en el mosto y luego se inyecta a la línea de mosto frío durante el enfriamiento. La cantidad total de levadura que se inyecta se calcula teniendo en cuenta el volumen de mosto que va contener la tina de fermentación. La temperatura inicial de fermentación puede variar entre 6 a 10ºC. Una vez que se inicia la fermentación se aprecian como cambios notorios, el descenso del extracto, la producción de gas carbónico y el desprendimiento de calor; durante la fermentación se controla el descenso de la densidad regulando la temperatura con atemperadores (serpentines o chaquetas), por los cuales circula agua fría o salmuera o agua glicolada a temperaturas que oscilan entre 1 a 2ºC para el caso del agua y de -5 a -10ºC. Para el caso de la salmuera o el agua glicolada. Para recolectar el gas carbónico que se desprende de la fermentación, comúnmente el tanque está conectado por la parte superior con dos tuberías; una que va a la intemperie y la otra que va a la planta de purificación de gas carbónico. En la planta de gas carbónico, éste es purificado y licuado con el fin de inyectarlo posteriormente a la cerveza. Cuando se alcanza el extracto límite o sea hasta donde se le va a dejar fermentar se abre el frío para conseguir enfriar la cerveza y para que la

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS levadura se alimente. Se consigue enfriar la cerveza hasta 5ºC y se suspende él envió de gas carbónico a la planta, luego se bombea la cerveza a los tanques de maduración y se recupera la levadura. A la cantidad de levadura obtenida en cada fermentación se le denomina cosecha de levadura, lo normal es obtener 4 veces la cantidad de levadura agregada.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Ya enfriado el mosto pasa a un tanque, donde es inyectado con un tipo puro de levadura. La cantidad de células de levadura y su vitalidad requieren un cuidado extremo. En ese momento se inyecta una porción de aire para iniciar la fermentación, el cual debe ser microbiológicamente estéril. En la fermentación, los azúcares se transforman en alcohol y gas carbónico durante un lapso variable entre 6 y 9 días, en el cual el mosto se transforma en cerveza. En el proceso, el dióxido de carbono que se origina es colectado para su ulterior uso en la carbonatación de la cerveza. Una vez que los azúcares fermentados han sido convertidos en alcohol y gas carbónico, se considera que ha finalizado la etapa de fermentación. El proceso de fermentación es exotérmico (despide calor), y para evitar que la temperatura se eleve, debe ser controlado, suministrándole enfriamiento al tanque de fermentación, por cuanto es básico el sabor y la calidad del producto. Finalizada la fermentación de varios días, se enfría el tanque y dependiendo de la variedad de levadura, esta se sedimenta en la parte superior o inferior del líquido. Esta levadura se extrae de la cerveza por sedimentación u otros métodos. La cerveza aquí obtenida se denomina verde, joven o virgen, y es enviada a otro tanque para la etapa de maduración o añejamiento. Los tanques de añejamiento han de tener características que garanticen un proceso microbiológico correcto. En las cervecerías antiguas estos tanques eran de madera, luego pasaron a ser cubiertos por porcelana y en la actualidad son de acero con aleaciones precisas que contribuyen al correcto procesamiento final. La conservación en estos tanques de añejamiento tiene una duración casi siempre de pocas semanas, aunque en ciertos tipos de cerveza puede tomar hasta carios meses. En las cervezas de fermentación alta el añejamiento toma menos tiempo y se lleva a cabo a más de 15 grados. En cambio, en las de fermentación baja se mantiene en la actualidad una temperatura de entre 2 y ‘1 grado centígrado, con el fin de asegurar que la levadura se deposite en el fondo; en tiempos anteriores la fermentación baja se realizaba a una temperatura cercana a 8 grados. Todavía un aparte de los fabricantes prefiere someter esta cerveza ya añejada a un filtrado, con el fin de acentuar su aspecto cristalino Por el contrario, en las de fermentación alta se deja el producto tal como está considerándose que así se mantienen inalterados su sabor y densidad. Es común en gran parte de las actuales cervecerías que la cerveza sea sometida a un segundo añejamiento y un segundo filtrado con el propósito de acentuar el sabor y aspecto cristalino. Este segundo añejamiento es más corto que el primero, durante normalmente menos de una semana. Después del filtrado la cerveza es inyectada con dióxido de carbono, previamente purificado, para llevarla a los niveles deseados de carbonatación. Durante todo el proceso de elaboración el cervecero presta máxima atención a los elementos que ayudan a la formación de la espuma que tradicionalmente tiene enorme impacto en la percepción de calidad e imagen. Se estima que el producto es mejor en la medida en que despide más espuma y esta dará más tiempo en el envase en que es servida.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Principios de diseño de un biorreactor Los Biorreactores son los equipos donde se realiza el proceso de cultivo (también comúnmente denominado “fermentador”), sea en estado sólido o líquido. Su diseño debe ser tal que asegure homogeneidad entre los componentes del sistema y condiciones óptimas para el crecimiento microbiano y la obtención del producto deseado. Es importante tomar en cuenta los problemas de transferencia de calor y oxígeno sobre la cama de sustrato, los cuales dependen de las características de la matriz que se este utilizando para la fermentación, siendo éste, uno los principales factores que afectan el diseño y las estrategias de control. Los criterios más importantes para el diseño de un biorreactor pueden resumirse del siguiente modo dependiendo del tipo de biorreactor y la fermentación a utilizar: 1. El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante numerosos días, para evitar la aparición de contaminantes en las operaciones de bioprocesos de larga duración. 2. Debe permitir una mayor área de contacto entre las fases biótica y abiótica del sistema, es decir, se debe proporcionar un sistema adecuado de aireación y agitación para cubrir las necesidades metabólicas de los microorganismos. 3. El consumo de energía debe de ser el mínimo posible. 4. Entradas para la adición de nutrientes y el control de pH. 5. El crecimiento microbiano es generalmente exotérmico, por lo que, el biorreactor debe facilitar la transferencia de calor, del medio hacia las células y viceversa, a medida que se produce el crecimiento celular, además de mantener estable la temperatura deseada. 6. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo. 7. Suministrar oxígeno a una velocidad tal que satisfaga el consumo. 8. El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro; una vez que todo el sistema ha sido esterilizado y posteriormente inoculado con el microorganismo deseado. Los biorreactores más utilizados a nivel industrial están provistos de mecanismos de agitación, dispersión y aireación así como de sistemas para el control de la temperatura, pH. Los biorreactores deben ser optimizados para obtener la máxima concentración de productos de la fermentación, como lo son la biomasa microbiana y/o metabolitos en un tiempo mínimo y a menor costo de producción. Biorreactores para Fermentación en Medio Sólido

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS La última década ha sido una de las más importantes para el desarrollo en el diseño, operación y escalamiento de biorreactores para la fermentación en medio sólido. Los tipos de biorreactores más estudiados han sido los de bandeja y los de tambor rotatorio y desde hace pocos años se han introducido un nuevo tipo de biorreactores en fermentación en medio sólido denominados de cama empacada o columna de lecho fijo. Algunos de los biorreactores utilizados a escala laboratorio son cajas petri y matraces Erlenmeyer. Estos son utilizados por su simplicidad, los cuales no operan con aeración ni agitación forzada, en ellos solamente es controlada la temperatura del cuarto de incubación. Dentro de los procesos de fermentación en medio sólido existen actualmente dos categorías: a escala laboratorio en las cuales se utilizan pequeñas cantidades de medio sólido hasta pocos kilogramos, y el otro que es a escala piloto y escala industrial en donde se utilizan desde kilogramos hasta toneladas. En la primera categoría existen muchos diseños de biorreactores, los cuales llegan a ser muy sofisticados, mientras que en la segunda categoría es poca la variedad de biorreactores utilizados, solo algunos de los biorreactores a nivel industrial pueden operar en condiciones estériles. Biorreactor en Columna Uno de los más interesantes sistemas para fermentación en medio sólido a nivel laboratorio fue el desarrollado y patentado por el grupo del Instituto para la Investigación y Desarrollo (IRD) en Francia, entre 1975 y 1980, compuesto por pequeñas columnas de cuatro centímetros de diámetro y veinte centímetros de altura, el cual es llenado con un medio previamente inoculado y puesto en un termorregulador de agua. El equipo está conectado a una columna de cromatografía de gases para monitorear la producción de CO2, resultado de la respiración del microorganismo y de sus reacciones metabólicas. La demanda de oxigeno se cubre por medio de aeración forzada utilizando compresores con sistemas de regulación de presión para evitar la compactación excesiva del lecho. La geometría y diseño de las columnas permite que sea un equipo barato, debido a que son elaboradas a base de vidrio, por lo que la remoción del calor exotérmico de la fermentación se lleva a cabo de manera eficiente. Requiere de poca cantidad de medio de cultivo y la fácil adaptación del equipo a sistemas más rudimentarios en cuanto a equipamiento y cuantificación de productos, le confiere practicidad de uso. Sin embargo, para llevar a cabo las lecturas de los parámetros cinéticos durante la fermentación es necesario sacrificar una columna completa, ya que el diseño de la misma no permite tomar muestras. Este equipo es conveniente en las primeras etapas del desarrollo de un bioproceso ya que es adecuado para estudios de caracterización y optimización de la composición del medio de cultivo, y para cuantificar los datos necesarios para llevar a cabo el cálculo de parámetros cinéticos.

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BIORREACTOR

VENTAJAS

DESVENTAJAS

Escala Laboratorio

Columna

Columna Estéril

Tambor horizontal

Zymotis

Growtek

Económico, fácil montaje, monitoreo y control de humedad, temperatura, biomasa y CO2, Conexión en forma continua de varias columnas. Control de humedad y temperatura. Sistema de esterilización previo inoculación y toma de muestra. Mayor aireación y mezclado del sustrato. Existen varios diseños con modificaciones que mejoran la remoción del calor.

Canales preferenciales de O2, dificultad en la toma de muestra y problemas en la eliminación de calor.

Formación de gradientes de concentración de O2 y nutrientes. Daño de estructura micelial. Dificultad en el control de temperatura y humedad. Poco volumen utilizado en el tambor.

Mejor transferencia de Problemas de asepsia calor. en el proceso. Mayor compactación de la cama de sustrato. Facilidad en la toma de No cuenta con un muestra. Mayor sistema de aireación. contacto entre el Solo se pueden medio de cultivo y el manejar una sola soporte sólido. Menor carga de 400 mL de acumulación de calor medio líquido por en la cama de fermentación. sustrato. Menor tiempo de Transferencia no

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Proceso Continuo

Columna – Charola

residencia. Mejor mezclado y crecimiento fúngico. Mayor asepsia. Económico. Alta transferencia de O2 y aireación. Mayor transferencia de nutrientes. Fácil remoción de temperaturas elevadas.

homogénea de calor. Aglomeración de células por rompimiento micelial. Primer Prototipo. Optimizar la cantidad y tamaño de charolas en el volumen del cilindro.

Escala Piloto y/o Industrial

Biocon

Lecho Fluidizado

Automatizado en el control de las variables de estudio del crecimiento microbiano. Altos niveles de asepsia. Equipo compacto. Operación de forma continua. Menor aglomeración del sustrato. Incremento en la transferencia de O2 y humedad. Variedad de configuraciones de soportes.

Dificultad en la toma de muestra. Rápida generación de calor exotérmico por crecimiento microbiano. Formación de altos esfuerzos cortantes que pueden afectar al microorganismo y rendimiento del producto.

Tabla. Clasificación y diferencias en biorreactores a nivel laboratorio, piloto e industrial

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Figura. Biorreactor en columna

Biorreactor de Columna Estéril Diseñado por un grupo del Instituto Nacional de la Investigación Agronómica (INRA) en Francia, tomando como base de diseño al biorreactor en columna. Se elaboraron varios prototipos previos al modelo desarrollado en el año 2000. Este biorreactor trabaja con un volumen de 1 litro, cuenta con un muestreador de humedad relativa y un sistema de calefacción en la cabeza de la columna, mientras que en el circuito de operación se encuentra un sistema de enfriamiento, utilizando agua fría, el cual rodea una resistencia de calentamiento. Figura. Biorreactor estéril (1) Tapa de calefacción (2) Termómetro (3) Tamiz de acero (4) Medidor de temperatura del aire en la entrada. (5) Medidor de humedad relativa. (6) Resistencia (7) Medidor de temperatura del agua (8) Medidor de flujo másico. (9) Medidor de nivel (10) Chaqueta aislante.

Dichas modificaciones permiten una mejor regulación del contenido de agua durante el proceso. Es posible la toma de muestra de la columna de forma aséptica abriendo la tapa superior, la cual dispone de un dispositivo de flama que impide problemas de contaminación. Se trabaja con varios biorreactores conectados a un sistema de control automático por computadora, el cual regula temperatura, humedad y aireación a través de la cama del sustrato. Debido a que el equipo cuenta con un sistema de control, es adecuado para llevar estudios de perfiles de velocidad de flujo del aire suministrado, así como de temperatura, permitiendo evaluar parámetros necesarios para llevar a cabo estudios de escalamiento.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Tambor horizontal Uno de los biorreactores en estado sólido más utilizado son los llamados tambor horizontal, el cual se ha diseñado de varias formas: como un contenedor rotatorio, perforado o con paletas, con el fin de obtener una agitación continua del sustrato sólido para incrementar el contacto entre las paredes del biorreactor y el sustrato, así como, proveer mayor oxígeno al microorganismo. Los equipos rotatorios, desarrollados por el grupo Several, consisten de un cilindro, con o sin chaqueta con agua para el control de temperatura, el cual gira lentamente volteando al medio de cultivo ayudado de pestañas que se encuentran adheridas a la pared. Este tipo de biorreactor presenta dificultades en el control de temperatura y humedad debido a problemas de aglomeramientos de células por ruptura micelial. En cambio los biorreactores de tipo tambor con paletas, vuelve más eficiente la trasferencia de oxígeno y disminuye la aglomeración de partículas de sustrato durante el crecimiento microbiano. Sin embargo, generalmente, un biorreactor de fermentación sólida con agitación permanente, aunque sea suave, puede modificar la estructura del medio sólido. Además, dependiendo de la naturaleza de la partícula del soporte sólido, esta agitación puede llegar a ser abrasiva causando daños al micelio. Se han diseñado sistemas continuos de tambor rotatorio con el fin de mejorar los sistemas de control de temperatura y humedad, sin embargo, a medida que aumenta el volumen del sistema fermentativo la remoción de calor por las paredes del biorreactor se vuelve más ineficiente.

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Figura. Biorreactor Tambor Horizontal a) ROTATORIO (1) Entrada de aire (2) Embalaje rotatorio (3) Conector (4) Boquillas de entrada de aire (5) Línea de aire (6) Rodillos (7) Tambor rotatorio (8) Medio sólido (9) aro (10) Chaqueta aislante.

b) CON PALETAS (1) Entrada de aire (2) Medidor de temperatura (3) Chaqueta de agua (4) Paletas (5) Salida de aire (6) Motor para agitación (7) Reactor (8) Medio sólido (9) Árbol de agitación BIORREACTORES (10) Chaqueta aislante.

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Biorreactor Zymotis Diseñado y desarrollado por el grupo ORSTOM (hoy IRD de Francia), el cual consiste de platos verticales por donde internamente hay transferencia de calor debido a la circulación de agua fría, mientras, que el aire previamente temporizado es introducido por el fondo del sistema. Entre cada plato se carga el medio sólido previamente inoculado, dicha cama se mantiene estática durante la fermentación. Este sistema es parecido a los biorreactores de columna, con la diferencia de que las capas de sustrato están verticalmente fijas, por lo tanto es difícil trabajar en condiciones asépticas. Además, existe mayor posibilidad de que la cama de sustrato presente un encogimiento del volumen durante el crecimiento del micelio, provocando que el contacto con los platos verticales disminuya a medida que la fermentación progrese, lo cual llevaría la formación de canales pobres en transferencia de calor y oxígeno.

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Figura. Biorreactor Zymotis (1) Platos verticales intercambiadores de calor (2) Cama de sustrato (3) Entrada de agua (4) Salida de agua (5) Termostato

Biorreactor Growtek. Es uno de los últimos fermentadores diseñado por el Departamento de Biotecnología, Agricultura e Ingeniería en Alimentos del Instituto Tecnológico de la India, llamado Growtek. Consiste de un envase de 16 cm de altura y 11.3 cm de diámetro, que tiene un tubo, de 2.6 cm de diámetro y 8.5 cm de altura, pegado a la base con una inclinación de 15° con respecto a la vertical. El cuerpo del recipiente y del tubo externo está hecho de policarbonato, y las tapas de ambos son de polipropileno. Este biorreactor tiene dentro del envase un depósito de polipropileno que contiene una tela de fibra de vidrio en el fondo, donde se sostiene el sustrato. La fermentación ocurre en la vasija cilíndrica y el medio es introducido por el tubo inclinado. Dicho dispositivo también permite la dosificando de agua para mantener la humedad adecuada para el crecimiento microbiano. Sin embargo, no cuenta con un sistema de medición de la variación de temperatura y no es posible la toma de muestra sin descartar toda la cama del sustrato.

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Figura. Biorreactor Growtek (1) Entrada de aire estéril (2) Entrada de agua estéril (3) Distribuidor de aire (4) Entrada para el termómetro (5) Charola (6) Chaqueta para el control de temperatura (7) Columna de acrílico (8) Entrada de agua (9) Salida de agua

Al momento solo se han realizado experimentos cuyos resultados han estimulado la continuación del estudio de caracterización total del biorreactor y la optimización de los procesos para los que se puede aplicar. Biorreactor Biocon. Biocon diseñó, desarrolló y patentó un nuevo biorreactor llamado PlaFactorTM para llevar a cabo fermentaciones usando matrices sólidas. El sistema fue higiénicamente diseñado y automatizado para un proceso de cultivo en charola, el cual ya es utilizado eficientemente en plantas industriales en Biocon, en el desarrollo de productos de uso alimenticio. La fermentación se lleva a cabo en un biorreactor controlado por computadora. Todas las operaciones del proceso fermentativo, como esterilización, enfriamiento, inoculación, control, recuperación de producto y post-esterilización, se realiza en un solo equipo. El equipo consta de charolas selladas colocadas una sobre la otra formando dos torres unidas por un eje central. Cada módulo cuenta con un brazo de mezclado, el cual rota alrededor axialmente, y con canales de remoción de calor metabólico, control de humedad, aireación y vapor para la esterilización. Este equipo fue diseñado con el objetivo de reemplazar los cuartos de incubación por un equipo más compacto. El equipo de PlaFactor TM es un sistema que cuenta con estudios del uso cultivos sólidos para la producción de agentes de biocontrol y productos farmacéuticos a nivel industrial, lo cuales requieren altas condiciones de ascepcia y condiciones de alta precisión. Biorreactor de lecho fluidizado.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Sistema de operación en modo continuo el cual puede ser operado por altos periodos de tiempo a un alto valor de productividad. Los primeros biorreactores constaban de un cilindro de vidrio, con o sin chaqueta, llenado por una carga completa de lecho o sustrato, sin embrago causaba problemas de compactación similares a los presentados en los equipos de cama empacada. Las variaciones en el lecho han permitido un mejor funcionamiento de este sistema, ya que se utilizan pedazos de esponjas, troncos naturales (loofa, coyonoxtle), polímeros sintéticos (espumas de poliuterano, poliestireno), así como también canastas o cajas delgadas de acero inoxidable, que cuenten con perforaciones que permiten tener una eficiente inmovilización de las células en el soporte con el medio de cultivo. Dichos soportes son llenados por el medio solidó a fermentar, los cuales fueron previamente colocados a lo largo del contenedor. El principio del diseño se basa en proveer agitación y aireación por flujo forzado de aire proveyéndolo por la parte del cilindro a través de una bomba. El sistema provee un incremento en la transferencia de oxígeno a la cama de sustrato, sin embargo, se presenta daño al inoculo por causa del gran esfuerzo de corte generado, además de que se forman gradientes de temperatura a través de la columna que pueden afectar al producto deseado.

Figura. Biorreactor de leche fluidizado (1) Camas de esponja de loonfa (2) Medio de cultivo (3) Difusor de aire (4) Entrada de aire (5) Entrada de agua (6) Salida de agua

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS CONTROL DEL FERMENTADOR O BIORREACTOR Inicialmente, se plantean tres lazos simples de control por realimentación individuales sobre cada uno de los estados físicos del sistema (Producto, Sustrato y Biomasa) asumiéndolos como la salida de interés, usando su variable manipulable asociada como acción de control total (Tasa de Dilución de sustrato, Concentración de sustrato de alimento y recirculación respectivamente). A partir del análisis dinámico y los resultados obtenidos con los lazos individuales, se proponen un controlador multilazo y otro del tipo multilazo con desacopladores que buscan combinar el efecto dinámico de las acciones individuales de control probadas y reducir efectos negativos de sus interacciones. Controladores PID lazos simples de realimentación: Se usará como entrada de control de la concentración de producto la tasa de dilución de sustrato Ds, y se visualiza un objetivo interesante el cual es maximizar la concentración de etanol producida, de forma tal que se minimicen las oscilaciones evitando así aumentos en la tasa de concentración de etanol y pérdidas de sustrato residual. Para este último efecto, vale la pena mencionar la propuesta de un controlador de concentración de sustrato con el fin de regular lacantidad presente en el biorreactor y evaluar su comportamiento respecto al desempeño global de la fermentación. Dado que también se cuenta con un término nuevo de recirculación de Biomasa en el sistema a controlar, se propone un lazo de control simple PID con el fin de mantener constante en un valor deseado la concentración de microorganismos, e igualmente, observar el comportamiento de las otras variables del biorreactor. Esto permitirá sacar conclusiones acerca de la estabilidad del sistema y el rango de operabilidad que ofrecen los controladores de lazos simples propuestos. Figuras 3 a. 4 a. y 5 a. Control de Producto: Se considerará como cero (0) la Recirculación de Biomasa al tanque de proceso y por consiguiente, la Tasa de Dilución de Biomasa Dr se hará nula con el fin de permitir que la acción de control Ds tenga un efecto dinámico directo sobre la variable en cuestión y no influya en la población de microorganismos en el biorreactor. En caso que se manipulara la tasa de dilución de recirculación de biomasa Dr, se influiría en la productividad y en las dinámicas internas del sistema, representando una perturbación adicional. Se encontró que la relación de ganancia entre la variable manipulada (Ds) y la controlada es inversa (P). La Figura 3.b, muestra la respuesta del Producto bajo la acción del controlador usando los parámetros kp = -0.095 [(1/h)/(g/L)], ki = -0.01 [s] y kd = 0.015 [s], ante perturbaciones tipo escalón en la concentración de sustrato de entrada al reactor aplicadas

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS en los tiempos 30, 60, 90 y 120 horas. La acción de control aplicada se ve en la Figura 3. c. Llendo un poco más lejos en el análisis de la influencia del control del producto sobre los demás estados del reactor, con el fin de buscar una relación entre la variable manipulada Ds y la Biomasa y el Sustrato, se observa el comportamiento estabilizante de la tasa de Dilución de sustrato sobre la cantidad de sustrato en el reactor. Es decir, ya que lo que realmente se manipula para controlar la cantidad de producto es el alimento de los microorganismos, la concentración de sustrato en el reactor se estabiliza pero la concentración de Biomasa no cambia su carácter oscilatorio radicalmente sino que dicho comportamiento es disminuido por la influencia del producto en el fermentador y por la trayectoria que sigue la tasa de dilución durante la fermentación para regular el etanol. Control de Sustrato: Se usa como variable manipulada la concentración de sustrato en alimento SIN, la cual proporciona una señal de referencia para un controlador de concentración de sustrato que actúa como EFC en el proceso anterior; se asume que el desempeño del mencionado controlador “esclavo”' es óptimo y mantiene la acción de control en el valor deseado. Se considera como mayor perturbación dentro de este lazo de control los cambios en la tasa de dilución de sustrato.

Figura. Lazo de control del producto

Figura. Concentración de producto Figura. Tasa de Dilución de Sustrato

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Figura. Lazo de control de Sustrato

Figura. Concentración de sustrato en el Biorreactor

Figura. Concentración de sustrato de entrada

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Asumiendo que el sistema de una entrada una salida corresponde a un modelo de primer orden con retardo de respuesta ante el escalón, se hicieron varios cálculos de juegos de parámetros para los controladores. Los parámetros calculados con el criterio de ITAE (Smith and Corripio, 1997) garantizaron un desempeño correcto del sistema en un rango de acción de control amplio. Al analizar el comportamiento del sistema cuando se hace una regulación de la concentración de sustrato dentro del reactor, se encontró que en caso opuesto al anterior, el efecto es casi nulo sobre la biomasa e igualmente sobre el producto ya que conserva su tendencia oscilatoria natural, las oscilaciones se presentan como consecuencia de la trayectoria que sigue la variable de control sobre el sistema. En la Figura 4. b se muestra la Concentración de Sustrato en el reactor y en la Figura 4.c la acción de control. Control de Biomasa Debido a la recirculación de biomasa proveniente del separador a la salida del reactor, es posible pensar en una corriente de microorganismos que supla la necesidad de agentes productores de etanol dentro del reactor. La recirculación, expresada como porcentaje de la corriente de salida del reactor, determinará que tantos microorganismos son recirculados en la corriente de realimentación. El resto se desechan por la línea de purga como se ve en la Figura 1. Se usará el porcentaje de recirculación como acción de control calculada en función del error y con ella se calculará la correspondiente tasa de Dilución de Recirculación Dr. Las perturbaciones a las cuales es sometido el sistema son la concentración de sustrato de alimento Sin y la Tasa de Dilución de Sustrato Ds quienes actuaron como acciones de control de los lazos anteriores. En la Figura 5.b. se ilustra el comportamiento del controlador usando como valor deseado para concentración de biomasa 3 g/L, ante perturbaciones del tipo escalón positivo y negativo tanto en la concentración como en la tasa de dilución de sustrato de entrada al reactor en los tiempos 30, 60, 90 y 120 horas con valores 225 y 180 g/L y 0.04 y 0.07 1/h respectivamente. El controlador logra mantener la concentración de microorganismos constante, por medio de la corriente de recirculación de la Figura 5.c, en la segunda perturbación, la cual motiva un aumento en la recirculación de microorganismos, su consumo de sustrato aumenta, y por ende su crecimiento, trayendo consigo un aumento en la producción de etanol.

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Figura. Lazo de control de Biomasa

Figura. Concentración de Biomasa en el reactor

Figura. Acción de control

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Otras Propuestas de control: Para efectos de control, es posible pensar que el control sobre la concentración de Biomasa en el fermentador puede ser una herramienta muy útil, tanto de la productividad de etanol, como del ahorro en el sustrato residual porque se presentan condiciones muy convenientes para una buena fermentación. Esta afirmación podría sugerir que los lazos de sustrato y producto estuvieran abiertos mientras que el lazo de Biomasa lleva el control de la fermentación, pero desde el punto de vista operativo debe garantizarse que tanto el sustrato como el producto mantengan valores viables y que se vean lo menos afectadas posibles por las perturbaciones. A continuación se presenta una posible solución de este tipo. Como se observó en el análisis de desempeño de los lazos simples, es posible hacer una regulación de las variables controladas y con ello poder mantener el desempeño de las otras en un rango cercano al deseado, muy cerca del punto de operación o en estado estable. Estas características indican que existe un grado de interacción entre las tres variables elegidas como manipulables o manipuladas dentro del sistema Ds, Sin, Dr y las variables u objetivos de control definidos. Ahora bien, el problema de control radica en la implementación de lazos conjuntos que no se afecten mutuamente por el sentido de las acciones individuales aplicadas por cada uno para la regulación de Biomasa, Sustrato y Producto. Control Multilazo: La aplicación de un control multilazo en el que los pares de variables Controlada-Manipulada propuestos son: Biomasa – Recirculación, Sustrato - concentración de Sustrato de Entrada y Producto - Tasa de Dilución de Sustrato. Los lazos que componen esta estructura de control son todos lazos simples de realimentación en los cuales, las ganancias fueron ajustadas de tal modo que no se presentaran muchas oscilaciones ni se afectara significativamente la ganancia total del sistema en lazo cerrado (Ver Figura 6). Esta estructura se plantea con el fin de compararla con una estrategia avanzada de lazos multivariable que implique la utilización de desacopladores de las dinámicas no lineales del Biorreactor.

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Figura. Esquema de Control Multilazo

Control Multivariable:

Surge la posibilidad de plantear un control multivariable para los lazos de Sustrato y Producto y aplicar un lazo simple PID para el control de la Biomasa (ver Figura 7). Se calculó tanto la matriz de ganancias estáticas para el par Sustrato-Producto y concentración de Sustrato en el alimento Sin-Tasa de Dilución de Sustrato Ds como variables controladas y manipuladas respectivamente y la matriz de ganancias relativas, que efectivamente demostraron la conveniencia de las acciones a aplicar. Siguiendo el método planteado en (Smith and Corripio, 1997) para el cálculo de la matriz de desacoplamiento (donde se hace linealización de cada uno de los estados), se obtuvieron las expresiones de los desacopladores que se aplicaron en simulación. Es importante anotar que el método seguido es el mismo, pero que en ningún momento se linealizó el sistema ni se asumió comportamiento de primer orden. Aunque ese es un procedimiento muy usado para el diseño de controladores multivariable (Guzmán et al, 2002) representa un grave inconveniente en procesos con altas no linealidades y fuerte acoplamiento, lo que lo restringiría a un uso en regiones muy reducidas de operación; lo cual no se desea para el Biorreactor. La unión de los lazos independientes tiene un efecto determinantemente positivo sobre la dinámica del biorreactor. Es posible observar del comportamiento de los tres lazos que cada una de las acciones de control no tiene que realizar un esfuerzo demasiado grande para llevar a su respectiva variable controlada al punto deseado cuando se cierran todos los lazos de control simultáneamente. Las acciones de control se suavizan notablemente y el desempeño del sistema aumenta, ya que es posible llevarlo a condiciones que en lazos 39 NGENIERÍA DE ALIMENTOS II MEZCLA DE GASES EN CERVEZA EN BIORREACTORES

NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS individuales de control serian los otros dos estados físicos.

alcanzables

sacrificando

la

estabilidad de

Figura. Esquema de Control Multivariable

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS TIEMPO DE MEZCLADO- EJEMPLO APLICATIVO La eficiencia en el mezclado es uno de los factores más significativos en la performance y en el cambio de escala de un biorreactor. Con frecuencia la agitación es decisiva en el rendimiento de los procesos fermentativos y está vinculada con muchos problemas de cambio de escala del fermentador. La influencia de la escala sobre la eficiencia del mezclado en un sistema afecta los procesos de transferencia del mismo, debido a esto se pueden originar gradientes de concentración, temperatura y oscilaciones de pH que causan substanciales daños en los microorganismos. Uno de los parámetros más usado para la caracterización de la agitación de biorreactores es el tiempo de mezclado. Éste se define como el tiempo que necesita un líquido agitado para alcanzar un grado especifico de homogeneidad después que se agrega un trazador en señal pulso. En la literatura se encuentra información para predecir el tiempo de mezclado en sistemas bifásicos (líquido-gas) (Einsele y Finn, 1980, van`t Riet y Tramper, 1991, Vasconcelos y otros, 1995). La mayoría de las correlaciones propuestas han sido determinadas para regímenes de flujo turbulento (NRe >10000). En el presente trabajo se determinó experimentalmente el tiempo de mezclado en un biorreactor tanque agitado de laboratorio, cuantificando el modo en que es afectado por condiciones operativas tales como: velocidad de agitación, velocidad superficial de gas y consumo específico de potencia. Las expresiones obtenidas, junto con resultados de un trabajo previo (Ducros, 2003), se emplearon para analizar la influencia del cambio de escala sobre el tiempo de mezclado en la producción de Staphylococcus aureus Smith. Estas cepas forman parte de la formulación de vacunas desarrolladas para combatir la mastitis bovina, una enfermedad que afecta al ganado bovino lechero.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS MATERIALES Y MÉTODOS Instalaciones y equipos Las experiencias fueron realizadas en un biorreactor tanque agitado de 2.5 lt de capacidad de trabajo marca Applikon, equipado con un agitador con dos turbinas tipo Rushton de 45 mm de diámetro y 6 paletas, tres baffles dispuestos a 120º cada uno. El pH fue medido con un sensor Phoenix esterilizable por autoclavado con controlador Cole Palmer 29041-02. El aire fue introducido al sistema a través de un distribuidor situado por debajo del agitador. Los detalles y dimensiones del fermentador se muestran en la Figura 1. Los datos fueron registrados en un registrador Linear 1200. Condiciones Experimentales El medio usado fue agua destilada. El efecto de la velocidad de agitación se estudió en el rango 0.1667 a 13.33 r.p.s., lo que corresponde a una variación en el número de Reynolds de agitación en el rango 0.337 a 27x103. La velocidad de agitación fue controlada por medio de un controlador ADI 1012 (Applikon Instruments). El controlador posee una señal de salida en mA proporcional al torque. Esta señal fue previamente calibrada con la finalidad de evaluar la potencia entregada por el sistema de agitación. El efecto de la velocidad de aireación fue estudiado empleando los siguientes valores de flujo volumétrico de aire por volumen de medio: 0, 0.5, 1, 1.5, 2 v.v.m. El caudal de aire fue registrado con un medidor de flujo másico AALBORG GFM17. Determinación Experimental del Tiempo de Mezclado. El tiempo de mezclado fue determinado experimentalmente empleando la “Técnica de Respuesta del pH” (van´t Riet y Tramper, 1991). El trazador usado fue una solución de ácido clorhídrico (1 ml. con concentración 3.9 M), el mismo fue introducido en forma de pulso a 10 mm de la superficie del líquido, las variaciones de pH fueron registradas en función del tiempo. El tiempo de mezclado fue determinado según el criterio de homogeneidad determinado por el tiempo que tarda el pH en alcanzar un valor de  5 % del  valor final. La Figura 2 muestra un perfil experimental típico obtenido en el presente trabajo para la respuesta al pulso de ácido.

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Figura. Diagrama y dimensiones del biorreactor. (Dimensiones en mm.)

Figura. Curva típica de respuesta al pulso de ácido para la determinación del tiempo de mezclado

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Consumo de Potencia En la Figura 3 se muestran los datos experimentales obtenidos para la potencia consumida en función del número de Reynolds tomando como parámetro la velocidad de aireación. Puede observarse, que para flujo laminar el número de potencia disminuye con el aumento del número de Reynolds y que el caudal de aire no tiene influencia sobre la potencia consumida. En régimen turbulento, en cambio, para el sistema sin aireación el número de potencia es constante, y disminuye con el incremento de la aireación. Tiempo de Mezclado

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS En la Figura 4 se muestran los valores experimentales obtenidos para el tiempo de mezclado en función de la velocidad de agitación tomando como parámetro el flujo volumétrico de aire expresado en v.v.m.

Figura. Número de potencia en función del número de Reynolds

Figura. Tiempo de mezclado en función de la velocidad de agitación

Puede observarse que el efecto de la aireación sobre el tiempo de mezclado depende del régimen de operación del agitador. A bajas velocidades de agitación, correspondientes a números de Reynolds menores de 4000 el tiempo de mezclado disminuye con el aumento de la aireación mientras que a altas velocidades de agitación el efecto se invierte y el tiempo de mezclado se incrementa o permanece constante con el incremento de las v.v.m. Dichos

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS resultados concuerdan con los trabajos de Pandit y Joshi (1983), Vasconcelos y otros (1995). Estos autores manifiestan que este fenómeno es producido por los efectos opuestos de los mecanismos de mezclado neumático y mecánico generados por el distribuidor de aire y por el agitador respectivamente. A altas velocidades de agitación (mayores de 6.67 r.p.s.) el agitador controla el régimen de flujo de manera que cualquier incremento en la velocidad superficial de aire afecta negativamente la agitación mecánica sin que la agitación neumática sea suficiente para compensarlo. A bajas intensidad de agitación (menores de 2.08 r.p.s.) el gas controla el régimen prevaleciendo el efecto opuesto. Entre dichas velocidades se observan condiciones intermedias donde los efectos negativos de la aireación sobre la agitación son más o menos compensados.

Correlaciones para el tiempo de mezclado Flujo Laminar Para describir el tiempo de mezclado con las velocidades de agitación y aireación en régimen laminar, los datos experimentales fueron ajustados usando un método de regresión. El modelo de ajuste que se propone es el mostrado en la ecuación (1):

(1) Los valores de los parámetros encontrados son los siguientes: Chi2=6.8x10-3 (2)

c1=21.451

(3) 2

-6

Chi =1.95x10

(4) Chi2=2.043x10-1 Finalmente la correlación hallada para flujo laminar queda expresada por la ecuación (5): (5)

Esta ecuación es válida para números de Reynolds menores de 4000. En la Figura 5 se representa el modelo (ecuación 5) en tres dimensiones. Se puede observar que el tiempo de mezclado presenta una fuerte dependencia con la velocidad de agitación, además se

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS observa que el gas controla el régimen, ya que un incremento en del gas produce una disminución del tiempo de mezclado.

la

velocidad

La correspondencia entre los valores teóricos del tiempo de mezclado dados por la ecuación (5) con los datos experimentales se muestran en la Figura 6, observándose que el porcentaje de desviación no supera el 20 %.

Figura. Correlación y resultados experimentales del tiempo de mezclado en función del flujo de aire y de la velocidad de agitación

N(r.p.s. )

Q(m3/s)x1

Flujo turbulento En la literatura se han propuesto varias ecuaciones para describir la dependencia del tiempo de mezclado con las condiciones de operación, propiedades del fluido y geometría del biorreactor para números de Reynolds > 10000 y en sistemas aireados. Una de las más frecuentemente usada es la propuesta por van t` Riet (1991). La expresión general de dicha ecuación es:

(6)

donde a = 216 y b = 0.33

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Para establecer los valores de los coeficientes a y b, los resultados experimentales fueron analizados usando un método de ajuste no lineal mediante un programa desarrollado en MATLAB. La expresión obtenida se muestra en la ecuación (7):

(7)

En la Figura 7 se comparan los valores teóricos del tiempo de mezclado, obtenidos con la ecuación (7), con los valores experimentales, además se muestra los límites inferior y superior de un error del 20%. 20

5

18 16

12 10

-20 %

8

tm Teórico [s]

tm Teórico [s]

4

+20 %

14

+20 %

3 -20 %

6 4

2

2 0

0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20

tm Experimental [s]

Figura. Comparación entre los resultados experimentales y la ecuación (5)

2

3

4

5

tm Experimental [s]

Figura. Comparación entre los resultados experimentales y la ecuación (7)

Efectos del cambio de escala sobre el tiempo de mezclado El cambio de escala es un procedimiento para el diseño y construcción de un sistema en gran escala a partir de los resultados experimentales en equipos en pequeña escala. Para evaluar los efectos que produce el escalado sobre el tiempo de mezclado, se tomó como base el análisis realizado sobre el cambio de escala de la producción de cepas de Staphylococcus aureus Smith y su polisacárido capsular, desarrollado en un trabajo previo

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS (Ducrós, 2003). En dicha investigación se empleó el mismo biorreactor y con idéntica configuración geométrica que en el presente trabajo. Para el análisis del cambio de escala de la producción se recurrió a uno de los criterios propuestos por Hubbard (1987). De acuerdo con este investigador, además de la similitud geométrica, el cambio de escala puede realizarse considerando como criterios, la constancia en forma simultánea del valor para el kLa y del flujo volumétrico de aire, expresado en v.v.m. Las condiciones de operación para las cuales se realizó el escalado fueron velocidad de agitación: 8.33 r.p.s. y flujo volumétrico de aire: 1 v.v.m., este último se mantuvo constante al igual que el coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno, kLa=0.0012 seg-1. Cuando el cambio de escala es llevado a cabo sobre la base de una o dos magnitudes como fue caso bajo estudio, es necesario analizar cómo se modifican otras características importantes del biorreactor (Humphrey, 1998). Una de estas características es el tiempo de mezclado. En la Figura 8 se muestra la variación de la potencia específica y la velocidad de agitación con el tamaño del biorreactor obtenidos por Ducrós, (2003). Tomando como base de cálculo estos resultados y aplicando la ecuación (7) obtenida en el presente trabajo se obtuvo la Figura 9 que muestra la evolución del tiempo de mezclado con el diámetro del biorreactor, dicha figura permite evaluar la influencia del cambio de escala sobre el tiempo de mezclado. Para cada valor de diámetro mostrado en las abscisas de las Figuras 8 y 9, las dimensiones reales del biorreactor se obtienen empleando el criterio de similitud geométrica y las dimensiones ya mostradas en la Figura 1 para el biorreactor experimental. Se puede observar que el tiempo de mezclado no sería una variable que introduciría inconvenientes en el escalado de la producción, ya que, aun con diámetros grandes, dicho parámetro no supera los 30 segundos.

-1

kLa=0.012 [s ],  G= 1 v.v.m.

500 450 400

PG/VL

350 300 250 200

N

150 100 0

1

2

Diámetro [m]

T M 3 0 2 5 2 0 1 5 15 0 00 1D iám e2tro[m ]3 4

T iem podem ezclado[seg]

-3

N.60 [r.p.s], PG/V [W.m ]

550

3

4

Figura. Tiempo de mezclado Figura. Potencia específica en función del diámetro y velocidad agitación en NGENIERÍA DEde ALIMENTOS II del reactor MEZCLA DE GASES EN CERVEZA EN BIORREACTORES función del diámetro del reactor

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS CONCLUSIONES DEL EJEMPLO PRÁCTICO Se ha presentado un estudio experimental del tiempo de mezclado en un biorreactor tanque agitado equipado con dos turbinas Rushton. Las experiencias fueron llevadas a cabo en un amplio rango de velocidades de agitación y de aireación. Este estudio permitió determinar expresiones para estimar el tiempo de mezclado en distintos regímenes de flujo. Del análisis de los datos experimentales se observa que a bajas velocidades de agitación (régimen laminar) un aumento en la velocidad de aireación produce una disminución del tiempo de mezclado, mientras que a altas velocidades de agitación (régimen turbulento) prevalece el efecto contrario. Las expresiones obtenidas, junto con los resultados de un trabajo previo (Ducrós, 2003), permitieron evaluar los efectos del cambio de escala sobre el tiempo de mezclado en la producción de Staphylococcus aureus Smith y su polisacárido capsular, concluyéndose que dicho parámetro no introduciría inconvenientes en el escalado ya que no supera los 30 segundos para diámetros de biorreactor de 4 m.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Definición de biorreactor Recipiente en el cual se lleva a cabo una reacción catalizada por enzimas o células, libres o inmovilizada junto con los mezcladores, equipos de toma de muestra y aparatos de control. Fases  

Homogéneas Heterogéneas

Proceso  

Continuos Discontinuos

Mezcla    

Discontinuo de mezcla completa Continuo de mezcal completa Continuo de flujo en pistón Reactores de lecho fluidizado

Elección del tipo de reactor -

Control de pH y temperatura Exigencias de suministro o eliminación de reactantes gaseosos Presencia de partículas sólidas deseadas o indeseadas en la alimentación Estabilidad química o biológica de sustratos y productos Sustitución del catalizador Inhibición por sustratos y/o productos Escala de operación Destinos del producto

La operación en continuo tiene ventajas sobre todo cuando se quieren manejar grandes volúmenes disminuyendo los costos de capital y de funcionamiento, además son mas fáciles de controlar y automatizar. Como contrapartida la sustitución y regeneración del catalizador es más difícil.

BIORREACTOR IDEAL DE MEZCLA COMPLETA EN DISCONTINUO

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS BIORREACTOR IDEAL DE MEZCLA COMPLETA EN CONTINUO

BIORREACTOR IDEAL DE FLUJO PISTON EN ESTADO ESTACIONARIO

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS TIPOS DE BIORREACTIORES IDEALES

BIORREACTORES DE LECHO FLUIDIZADO

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Fenómenos de transporte de materia y energía en el diseño de biorreactores -

Mezcla de reactivos compleja Flujo relativo entre las fase continua y dispersa bajo Mezclas de reacción viscosa, de comportamiento no newtoniano. Formación de agregados multicelulares grandes, resistencia a la difusión interparticular. Las condiciones de operación son suaves, pero estrictas. Las concentraciones de reactivos y/o productos son normalmente bajas, las fuerzas impulsoras de la transferencia de materia están limitadas. Se requieren volúmenes relativamente grandes y tiempos de resistencia largos. El requerimiento de crecimiento de un microorganismo y la exclusión de los demás impone limitaciones especiales de diseño.

Etapas que controlan la velocidad en un sistema heterogéneo.

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Características reológicas de los fluidos

Cambio de escala 

El diseño de un reactor químico a escala comercial no puede ser realizado únicamente mediante un cálculo teórico

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS  

 

 

Es necesario disponer de datos experimentales de las reacciones implicadas obtenidas a escala de laboratorio y/o piloto. El cambio de escala es un problema por muchas razones;  Las ecuaciones representativas del proceso no se pueden resolver.  Los factores físicos y químicos están interconectados.  Las soluciones válidas para una planta piloto o de laboratorio no lo son para una comercial.  Se desconoce cuál será el funcionamiento del equipo a mayor escala. La complejidad y el conocimiento imperfecto que se tiene del proceso es lo que determina la velocidad del cambio de escala recomendable. La finalidad del cambio de escala es la selección de las condiciones de diseño y operación que hagan el efecto delas variables sea el mismo en unidades de diferente tamaño. Se trata de obtener rendimientos comparables con la misma distribución de productos. Cuando el conocimiento del sistema es imperfecto o cuando se necesitan cantidades relativamente importantes del producto para la evaluación del mercado, denominadas unidades de demostración.

Cambio de escala 2    

 

La velocidad de una reacción química o bioquímica es independiente del tamaño y dela estructura geométrica del reactor. Sin embargo, si depende de los procesos de transporte (materia, energía y cantidad de movimiento) que están controlados por el tamaño y estructura del biorreactor. Una planta de dimensiones reducidas puede ser usada para ensayar cambios en la forma o condiciones de operación. La descripción cuantitativa de los procesos biológicos tropieza con la dificultad de que el conjunto de ecuaciones matemáticas que lo describen es frecuentemente imposible de evaluar, especialmente para procesos de gran escala. Se puede obtener un cierto grado de conocimiento, así como proceder a su diseño y cambio de escala mediante el análisis dimensional. La aplicación de consideraciones puramente dimensionales a un problema no proporciona una descripción matemática completa, sin embargo, se obtienen relacione fundamentales entre las variables dependientes e independientes, a completar y comprobar mediante medidas experimentales.

Cambio de escala 3 Estas relaciones resultan frecuentemente de gran utilidad en la deducción de los criterios de cambio de escala.

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS El número de parámetros adimensionales que rigen un proceso es siempre menor que el número de parámetros dimensionales, con lo que se puede reducir el número de experimentos necesarios para definir el comportamiento del sistema. El principio de semejanza puede expresarse por la relación entre las dos medidas de una magnitud cualquiera, siendo k una constante de proporcionalidad

Según se cumpla con todas las variables en juego o solo con parte de ellas, la semejanza entre los dos sistemas será total o parcial, pudiendo hablar de:  Semejanza geométrica  Semejanza dinámica  Semejanza térmica  Semejanza de concentraciones  Semejanza química Si dos sistemas viene descritos por la misma ecuación diferencial sometida a las mismas condiciones de contorno, el comportamiento de los sistemas será el mismo. Cambio de escala 4 No es posible aplicar la teoría de la semejanza de modo total al proceso de cambio de escala en los procesos biológicos. Los métodos de salto de escala han sido propuestos más frecuentemente están basados en:  El aporte fijo de energía  El tiempo fijo de mezclado  El coeficiente fijo de transferencia de oxigeno  Las condiciones ambientales fijas  La velocidad fija en la punta del impulsor Cambio de escala a KL a fijo

Donde Pg: potencia que entra en sistemas gaseados V: volumen contenido en el reactor Va: velocidad superficial del gas

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Además KLa no tiene por qué ser constante. Cambio de escala 5 -

Cambio de escala basado en el flujo Aporte de energía constante

N: velocidad del agitador V: volumen del contenido del reactor D: diámetro del impulsor -

El método se basa en la correlación entre el aporte de energía en sistemas no gasificados, y la exigencia de similaridad geométrica también limita su aplicación.

Esquemas de biorreactores

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Esquemas de biorreactores 2

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NIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO SCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS Esquemas de biorreactores 3

Esquemas de biorreactores 4

Esquemas de biorreactores 5

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Control de un biorreactor de operación -

-

Los procesos biotecnológicos presentan gran cantidad de dificultades adicionales desde el punto de vista del control. El primer problema deriva de la dificultad de conseguir los datos necesarios para caracterizar el estado del proceso. Hay que proceder al control del medio, líquido o gas, y al control de la biomasa. Para proceder al control automático de un proceso biotecnológico específico es necesario aplicar los valores evaluados y estimar el estado del proceso de acuerdo con el modelo matemático previamente establecido. Es posible establecer sistemas simples de control o sistemas de control en cascada.

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http://www.rmiq.org/new%20page/Pdfs/Vol%206%20No%201/RMIQVol6No1_5.pdf DISEÑO DE BIORREACTORES PARA FERMENTACIÓN EN MEDIO SÓLIDO BIO-REACTORS DESING FOR SOLID STATE FERMENTATION H. A. Ruíz-Leza, R. M. Rodríguez-Jasso, R. Rodríguez-Herrera, J. C. Contreras-Esquivel y C. N. Aguilar* Departamento de Investigación en Alimentos, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Coahuila, Unidad Saltillo, Blvd. V. Carranza e Ing. José Cárdenas Valdés, Saltillo, Coahuila C.P. 25001, México. Recibido 10 de Octubre 2005; Aceptado 15 de Marzo 2007

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