UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA MAESTRIA EN BIOTECNOLOGIA “DISEÑO DE UN REACTOR HOMOGENO POSTPRODUCCIÓN EN LA INDUSTRIA CERVECERA” (Bioreactor catalítico de una sola fase-acuosa) Curso: diseño de ingeniería en biotecnología Responsable del curso: Dr. Alberto Quezada Álvarez Alumno: Ing. Quim. Elí Martínez Venegas Introducción a los reactores homogéneos o de fase única Los reactores se fabrican de todos los colores, formas y tamaños y se usan para todo tipo de reacciones. Como una breve muestra se citaran los “gigantescos” reactores de craqueo catalítico de la industria del refino de petróleo, los “monstruosos” hornos altos para la fabricación de hierro, los “habilidosos” estanques de lodos activados para el tratamiento de agua de alcantarilla, los “asombrosos” tanques de polimerización para plásticos, pinturas y fibras, las tan “importantes” tinajas farmacéuticas para aspirinas, penicilina y drogas para el control de la natalidad, las “despreocupadas” jarras de fermentación para la obtención ilegal de whisky, y por supuesto esa abominación , el despreciable cigarrillo. (Octave Levenspiel- el Omnilibro de los Reactores Químicos). También debo agregar a los reactores air lift y de columna agitado por burbujas muy usados en la industria de levadura de panificación y sobre todo en cultivos (microorganismos) sensibles a los vórtices (Eddys) generados en los bioreactores agitados. Los reactores se clasifican en heterogéneos, y homogéneos, esto es según las fases involucradas en la reacción dentro de ellos, los bioreactores se encuentran dentro de estos dos tipos de clasificación. Los bioreactores son todos aquellos equipos o dispositivos y/o sistemas que tienen todas las características y condiciones apropiadas (ambientales) para que se realice u suceda un proceso fermentativo (fermentación) empleando microorganismo o parte de ellos (enzimas), cabe en esto aclarar y definir que es una fermentación: Las industrias de procesos bioquímicos están relacionadas con la “fermentación”. Desde el punto de vista bioquímico “fermentación” es el nombre dado usualmente a la clase general de cambios químicos producidos en compuestos orgánicos (substratos) por la actividad de los microorganismos vivientes. El rango de procesos cubiertos por el termino “fermentación” se ha ampliado considerablemente desde el siglo XIX. De acuerdo con su etimología el término significa simplemente una acción burbujeante o de ebullición, y fue usado por primera vez en un momento en que la única reacción industrial conocida de este tipo tenía lugar en la producción de vino. Con el incremento de conocimientos tras los trabajos de Pasteur sobre el mecanismo de la producción de alcohol, el termino se llego a asociar con los microorganismos y aun mas tarde con las enzimas. De este modo, como las enzimas son los catalizadores biológicos universales, la fermentación en el mas amplio sentido puede ser definida como un proceso en el que los cambios químicos son llevados a cabo en un substrato orgánico por la acción de enzimas, se encuentren estas enzimas dentro de la célula (in vivo) o sean libres de células (in vitro). (B. ATKINSON – Reactores Bioquímicos). 2 Reactores heterogéneos con los cuales interactué, en su funcionamiento, como en su diseño (coparticipe) Biorreactor de tanque agitado- laboratorio de microbiología ambiental biotecnología- Facultad de Ciencias Biológicas UNMSM. Ciudad universitaria 3 Equipo de colaboradores de la planta Cervecera Pasqueña-delante de los tanques de fermentación cilindro cónicos (Unitanque) Sala de Cocimiento de mosto Cervecero Biorreactores enzimáticos de la planta Cervecera Pasqueña 4 Biorreactor homogéneo de postproducción de la industria cervecera Pasqueña 5 ANTECEDENTES La industria cervecera esta caracterizada por tres procesos enzimáticos, muy importantes y cada uno es la consecuencia del otro. Desde que el grano de cebada con 14% de humedad y en estado de dormancia ingresa de los silos a la planta de malteo de la cual sale modificada y transformada en malta la cual se caracteriza por ser un paquete con un alto contenido de enzimas, carbohidratos y compuestos nitrogenados, es aquí donde ocurre el primer proceso enzimático, desde la dosificación de la cebada al tanque de remojo la cebada es humectada y se activa mediante una fitohormona (giberelinas) la cual da inicio a todos los procesos metabólicos que tienen relación con la germinación (el inicio de una nueva planta) , como en el lecho de germinación ( fermentación en estado solido), para continuar con el secado y tostado de malta (horno de secado), en todos estos equipo ocurren procesos enzimáticos como proteolíticos, amilolíticos, etc. los cuales son controlados y inducidos por el malteador. (Lo que ocurren en la sala de malteo son biotransformaciones). El segundo proceso enzimático y que es la consecuencia del primero ocurre en la planta cervecera específicamente en la sala de cocimiento de mosto, en esta área el maestro cervecero según la hoja de análisis de malta diseña el proceso a aplicar ala malta con el fin que las enzimas contenidas en ella y por efecto de la temperatura, pH, y tiempos de reposo, obtenga el medio apropiado (mosto) para que pueda florecer (trabajar y propagarse) la levadura , los procesos enzimáticos de la malta, hidrólisis enzimática (origen vegetal), son realizados en la cuba de maceración de malta (bioreactor enzimático ), así como la hidrólisis enzimática de origen bacteriano en la cuba de cereales (adjuntos, estos se caracterizan por ser nulos en enzimas)(bioreactor enzimático ), ambos bioreactores no son homogéneos. Luego que es obtenido el mosto y llevado a ebullición, con el objetivo de concentrarlo, lupulizarlo (isomerización de lúpulo), esterilizarlo y por ultimo inactivado todas las enzimas, si no se inactivan pueden afectar a la levadura y alterar el curso de la fermentación etc. El mosto es enfriado ala temperatura de inoculación si es LAGER (10˚C) si es ALE (20˚C), se procede a airear (estéril y microburbujas) y trasegado o enviado alos tanques de fermentación a su encuentro con la levadura, la inoculación de levadura es toda una técnica. Hasta aquí se ha completado el segundo proceso enzimático y el más importante pues de la forma como se diseño el cocimiento y los cuidados que se tuvo se verán reflejados en la futura cerveza (segunda biotransformacion). 6 el tercer y ultimo proceso enzimático ocurre en la sala o área de tanques de fermentación es aquí donde nuestra levadura realiza el trabajo fundamental y que a disfrutado la humanidad desde los albores y hizo posible muchos descubrimientos e incentivo nuevos avances en la tecnología como la refrigeración, los principios y cuidados que hay que tener para evitar contaminación y son reflejados y aplicados en otros campos y actividades de la humanidad, pues aquí se hizo descubrimientos y avances en microbiología, (Pasteur investigaba la cerveza y su contaminación , con la consecuente implementación de la pasteurización). Luego que nuestra levadura(microorganismo facultativo) hizo su trabajo, aquí la levadura hace el proceso aeróbico(metabolismo oxidativo), consumo de oxigeno para generar biomasa, procesó anaeróbico el aceptor de electrones es otro gas diferente al oxigeno, y por ultimo el proceso fermentativo aquí el acetaldehído es reducido a etanol , durante todo este tiempo se sigue la fermentación con un densímetro(sacarómetro ˚P “grados plato”) hasta llegar al punto donde se detiene la fermentación, en forma progresiva se procede a enfriar el tanque y cosechar la levadura, hasta que se llega ala temperatura de maduración y finalmente ala temperatura de reposo , estas dos ultimas etapas son importantes por que es eliminada gran parte del diacetilo y precursores, proceso realizado por la levadura así como por efecto de las burbujas de dióxido de carbono (superficie) que en su ascenso limpian de impurezas ala cerveza(flotación), estos tanques de fermentación son cilindros cónicos (unitank) (bioreactores heterogéneos – enzimáticos in vivo).(tercera biotransformacion). La cerveza terminada de reposar se acondiciona 48 horas antes para filtrar, con la adición de adsorbentes con la finalidad de clarificarla y obtener una cerveza brillante en filtración (bioseparacion de levaduras remanentes y proteínas). Por ultimo la filtración en este proceso, no ocurre un proceso enzimático propiamente dicho, si no que a la cerveza se le da ciertas características físicas como brillo, estabilidad coloidal y carbonatación, pues es obligada a atravesar un lecho de filtración ( tierras diatomeas) dosificándole una proteasa, con la finalidad de controlar la formación de turbidez coloidal proteínas-taninos. Esta proteasa es la papaína la que se va encargar de cortar las cadenas largas que forman las proteínas (polipepetidos) con los polifenoles (taninos), y son los que forman una niebla y alteran el aspecto físico de la cerveza, esta proteasa actúa en la botella, la pasteurización no la inactiva, y continua actuando en la botella hasta que llega al consumidor. Toda esta reacción enzimática sucede en la botella que contiene la cerveza, por consiguiente la botella reúne todas las características de un bioreactor enzimático homogéneo. 7 Principios teóricos Formación de turbidez. Puesto que la cerveza es rica en polifenoles y polipeptidos, no resulta para nada sorprendente que tenga la tendencia formar partículas en el tiempo, esta turbidez, es generalmente inaceptable para el consumidor, y una preocupación en la industria cervecera. Turbidez coloidal proteína – tanino. El termino tanino es bastante general y frecuentemente se usan los términos mas específicos polifenol y antocianogeno para referirse a esta parte del complejo proteína-tanino. Estos sistemas coloidales son una parte intrínseca de la cerveza y pueden dividirse en dos partes: turbidez en tibio (permanente), que puede estar presente en la cerveza tibia y turbidez en frio (reversible), que desaparece cundo se calienta; ambos pueden eventualmente convertirse en un sedimento. El velo por encima de 250 FTU (Unidad de Turbidez de Formazin de la ASBC) es visible para el consumidor se convierte así en un defecto. Casi todas las materias primas y paso del proceso en la elaboración de la cerveza pueden influir en estos coloides y en su compleja estabilidad. En cualquier caso, se coagulan con el tiempo para formar masas más grandes y mayores que aparecen como turbidez y eventualmente como un precipitado y finalmente como un sedimento. La turbidez en frio plantea la preocupación más inmediata en la industria cervecera, ya que aparece más rápidamente que la turbidez en tibio. No obstante, a medida que envejecen las cervezas, la turbidez en frio pasa a ser turbidez tibia, siendo el velo final de origen oxidativo. Generación del turbio Tibio (permanente) (Mecanismo) 8 Estructura de una proantocianina o antocionogeno con probables consecuencias en la producción de turbidez en la cerveza. Se trata de un dímero de un polifenol. Mecanismo molecular de los enlaces cruzados para las interacciones polifenolproteína en la cerveza. 9 Estabilización y degradación de las proteínas Por acción de la papaína (mecanismo) 10 LA PAPAÍNA La papaína consiste en una cisteína-proteinasa de naturaleza ácida, obtenida de la papaya o Carica papaya (L.). Esta fracción enzimática ácida consiste, químicamente, en una glucoproteína, la papaína es una enzima clasificada como una Hidrolasa que hidroliza proteínas como la caseína, la hemoglobina y la gelatina. Verifican reacciones de hidrólisis de proteínas con la consiguiente obtención de oligopeptidos y monómeros a partir de polímeros de aminoácidos. Suele ser de tipo digestivo, por lo que normalmente actúan en primer lugar. Las condiciones óptimas para la actividad enzimática son de 40 °C pH 6+/- 0.1 por un tiempo de 60 minutos. Sitios de acción de la enzima papaína Diseño de una botella para cerveza Durante el envasado deben conservarse todos los parámetros de calidad y se debe evitar cualquier ingreso de aire ala cerveza. Características y criterios que se deben tener para la construcción de una botella para cerveza. El vidrio es en muchos aspectos un material ideal de embalaje para bebidas. Es neutral en sabor Impermeable al gas Resistente al calor Indeformable 11 El color debe ser ámbar oscuro (marrón), con la finalidad de proteger ala cerveza de la luz, pues esta deteriora la cerveza, disocia una cadena lateral del iso-α-acido del lúpulo. Forma fusiforme punta hacia arriba, con la finalidad que la superficie de contacto de la cerveza con los gases en la parte superior del cuello de esta sea mínimo, con la finalidad reducir la transferencia de oxigeno. La superficie interna y externa de la botella debe ser lisa sin porosidad ni grietas con la finalidad de evitar contaminaciones. El labio de la botella debe ser formado y sin deformaciones, con la finalidad que tenga un cierre hermético (coronación) evitando la entrada y fuga de gases durante la pasteurización, transporte etc. La distancia desde labio superior ala superficie de la cerveza en la botella debe ser entre 3 y 5 cm sobre el volumen de trabajo (llenado), en este volumen sobre la superficie de la cerveza se encuentra una mezcla de gases( dióxido de carbono en mayor porcentaje y otros. EL fondo interno de la botella no debe presentar rugosidad, debido a que estas dan inicio u originan las burbujas durante el destapado y la cerveza es proyectada fuera de la botella descontroladamente (derrame) aquí fallan bastante durante la construcción de las botellas. La presión de soporte debe ser de 2bar por seguridad, aunque su presión de trabajo es de 1bar. Deben ser inertes ala acción del pH de la cerveza la cual se encuentra entre 4 - 4,3. 12 Soportar las acciones de lavado con soda y a una temperatura de cincuenta grados centígrados. Tapón corona. Debe estar compuesto de una chapa fina barnizada de 0, 235 +/- 0, 020 mm, debe llevar un inserto sellador. Diámetro interno (d1) de 26 ,756mm y 21 dientes Diámetro exterior (d2) de 32,1mm+/- 0,2 mm Altura de (h) 6,00 mm +/- 0, 15mm. Debe estar estañada electrolíticamente. Debe ser barnizado por dentro y afuera. 13 Bibliografía - Information and discussion how to improve the colloidal stability of beer. - J. Schneider- E. Hoffmann. - El Cervecero en la Práctica, “Un Manual para la Industria Cervecera” segunda Edición, Editado en el 1977, Asociación de Maestros Cerveceros de las Américas. Madison, Wisconsin 53705. Traducción al español impresa en Venezuela, con la autorización de la Máster Brewers Association of the Américas, por la Asociación Latinoamericana de Fabricante de Cerveza (ALAFACE). LIMA-PERU. - Tecnología para Cerveceros y Malteros, Primera Edición en Español, 2006, Autor: WOLFGANG KUNZE, Publicado por VLB – BERLIN. Versuchs-und lehranstalt fûr Brauerei in Berlín. - BBIE (página electrónica), PROBLEMAS Y SOLUCIONES. - PARTE 1: Enzimas para la Industria Cervecera. - PARTE 2: El Uso de Enzimas en la Fermentación o en la Bodega. - Biotecnología de la Cerveza y de la Malta, J.S. HOUGH, Editorial ACRIBIA, S.A. ZARAGOZA (España). - ELABORACION DE CERVEZA “Microbiología, Bioquímica y Tecnología, Autor: IAN S. HORSENEY, Editorial ACRIBIA, S.A. ZARAGOZA (España). 14
