Practica N° 7 Cinetica de la fermentacion alcoholica en Exel PDF

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El objetivo de la siguiente practica es realizar cálculos para evaluar la cinética de
fermentación alcohólica utilizando dos herramientas, la primera una simulación del experimento virtual de la página rpaulsingh, donde los cálculos se realizaron a tres temperaturas 27 °C, 31 °C y 35 °C obteni...

Description

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA

PRACTICA N°7: CINÉTICA DE FERMENTACIÓN ALCOHOLICA

FACULTAD INGENIERIA DE PROCESOS ESCUELA DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

Presentado por:

Castro Alaya Nayeli Huanca Cardenas Marycruz Panca Gomez Antonella Rodríguez Núñez Ana Yauri Salas Yendy Arequipa- 2020

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PRACTICA N°7 CINETICA DE FERMENTACION ALCOHOLICA Castro NayeliB, Huanca MarycruzA Panca AntonellaC, Rodríguez AnaD y Yauri YendyF

RESUMEN El objetivo de la siguiente practica es realizar cálculos para evaluar la cinética de fermentación alcohólica utilizando dos herramientas, la primera una simulación del experimento virtual de la página rpaulsingh, donde los cálculos se realizaron a tres temperaturas 27 °C, 31 °C y 35 °C obteniendo resultados pudiéndolos comparar con los datos experimentales, determinando también la tangente en el punto de inflexión y el tiempo de retraso. La finalidad fue encontrar los parámetros de la ecuación utilizando la ecuación de Gompertz modificada. La segunda fue analizar datos ya propuestos en el paper titulado Fermentation Kinetics of Different Sugars by Apple Wine Yeast Saccharomyces cerevisia. Aquí se utilizó modelos para predecir la utilización del azúcar en varias concentraciones para la fermentación de levadura de vino de manzana. Con los parámetros cinéticos encontrados, se comparo la utilización de diferentes azucares por la levadura.

INTRODUCCION El vino de manzana es una bebida fermentada elaborada con o jugo de manzana concentrado. Ha tenido una larga tradición en Europa y ha ocupado un lugar importante en la fruta mundial industria del vino 11. Se ha convertido en el segundo vino de frutas más grande industria con una demanda creciente en China. Hoy el uso de cultivos puros seleccionados de levadura para la fermentación de vino de manzana como entrantes, y los avances tecnológicos en Otras partes de la industria de bebidas fermentadas han influido en el proceso de elaboración del vino de manzana, sin embargo, la información disponible aún no es suficiente para permitir una comprensión y un control completos del proceso. El jugo de manzana contiene muchos azúcares, incluida la fructosa, glucosa, sacarosa y otros carbohidratos, en concentraciones variables. A diferencia del

puré, el azúcar en la parte más alta cantidad en el jugo de manzana es fructosa, más glucosa y sacarosa. Como la levadura de vino, la función principal de la manzana la levadura de vino (Saccharomyces cerevisiae) es la principal cepa industrial) es catalizar la rápida, eficiente y completa conversión de azúcares en alcohol sin el desarrollo de sabores desagradables de la fermentación. Sin embargo, las fermentaciones alcohólicas lentas e incompletas del jugo (es decir, lentas o fermentaciones estancadas) son un problema crónico para la fruta industria del vino. Esto puede llevar a una pérdida no programada del tanque capacidad debido a los tiempos de procesamiento prolongados y el potencial de inestabilidad microbiana y mal sabor del producto final debido a los azúcares residuales. En estos casos, la fructosa es la factor principal, causando una alta

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concentración de azúcar residual. A pesar de la importancia de la fermentación de fructosa para producción de vino de manzana, pocos estudios han abordado este tema. Además, otros azúcares fermentables de caña, El jarabe de remolacha o maíz hidrolizado se usan comúnmente como coadyuvantes en la producción de vino de manzana. Los cambios en el azúcar El contenido afectará el proceso de fermentación. Por lo tanto, la necesidad de una investigación práctica sobre el mecanismo de absorción y utilización de azúcar y el comportamiento cinético de La fermentación por levadura utilizada en este proceso es significativa. Se ha publicado la absorción y utilización de azúcar por la levadura1. Se afirma que la tasa de producción de alcohol por la levadura está limitada principalmente por la tasa de absorción de azúcar, especialmente la absorción de fructosa. En general, aunque la glucosa y la fructosa se utilizan simultáneamente, la glucosa se utiliza más rápido que la fructosa por la levadura. S. cerevisiae parece ser glucófila, aunque algunas cepas tienen una clara preferencia por la fructosa18. Un apropiado evaluación de la discrepancia entre la cantidad de glucosa y fructosa consumida por las cepas de levadura enológica durante. La fermentación puede ser útil para resolver, al menos parcialmente, los problemas causados por la fermentación más lenta de la fructosa. Sin embargo, pocos análisis sistemáticos o cuantificaciones de la preferencia por glucosa o fructosa de levadura. Se han realizado cepas para vino de manzana. Se requiere más información para seleccionar y evaluar levaduras para mejorar el rendimiento de la fermentación.

Como herramienta útil, el objetivo principal de una cinética modelo desarrollado para la fermentación del vino es la predicción del comportamiento cinético del rendimiento de la fermentación de la levadura basado en las características iniciales del jugo. El desarrollo de los correspondientes modelos matemáticos de la cinética de fermentación también es importante en la investigación de comportamiento de la levadura y regulación metabólica 19. Un apropiado modelo de fermentación, con la técnica, económica y las implicaciones fisiológicas serían un poderoso instrumento para predecir y controlar fermentaciones problemáticas, y ser útil para comprender el proceso de fermentación. MATERIALES -

Computadora o laptop Software Excel Servicio de Internet Sitio web Explore Food Engineering Sitio web: http://rpaulsingh.com/default.html Paper Fermentation Kinetics of Different Sugars by Apple Wine Yeast Saccharomyces cerevisiae Figura: Sitio web Explore Food Engineering

Fuente: Elaboración propia, 2020

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PROCEDIMIENTO: Esta práctica se ha dividido en dos partes análisis de la simulación virtual y análisis del artículo. Cinética de fermentación de diferentes azúcares por levadura de vino de manzana Saccharomyces cerevisiaem (D. Wang, Y. Xu, J. Hu 1 y G. Zhao)

Figura 3. Traductor de idioma

Simulación virtual Existen plataformas que nos puedan hacer la simulación de microorganismos como el programa Combase, pero en esta ocasión para el desarrollo de esta práctica se realizara con el simulador de Paul Singh (Singh, 2013).

Fuente: Elaboración propia, 2020 4°. Explorar por las opciones que nos brinda la plataforma Figura 4. Panel de opciones

1°. Ingresar al siguiente link http://www.rpaulsingh.com/learning.html Figura 1. Portal de Explore food engineering

Fuente: Elaboración propia, 2020

Fuente: Elaboración propia, 2020 2°. Ir a la sección de virtual experiment Figura 2. Sección de predictive microbiology

Fuente: Elaboración propia, 2020 3°. Para mejor entendimiento se cambiaría la configuración de idioma a la lengua materna.

5°. Las temperaturas utilizadas fueron (27, 31 y 35°C). Las muestras iniciales de las suspensiones celulares en el caldo nutritivo para el recuento se tomarán inmediatamente después del tiempo de aparición (t = 0), y el recuento se llevará a cabo en diferentes pasos de tiempo. La concentración celular inicial es 10 -4 cfu / ml, donde cfu son unidades formadoras de colonias. Se utilizan modelos matemáticos para describir el comportamiento de los microorganismos en diferentes condiciones (por ejemplo, T, pH, a w). Seleccionar con el cursor la temperatura con la que se va hacer la simulación, hacer clic en iniciar experimento y podemos observar que se empieza a formar la gráfica, posteriormente

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para hacer un análisis a los cálculos se exporta datos en Excel. Figura 5. Simulación de experimento

de etanol aumentó proporcionalmente al aumento de biomasa durante el proceso de fermentación. µ m and Xm el etanol se ajustó la producción, dos parámetros en esta ecuación, el coeficiente de rendimiento Yp/x y ∆t, fueron estimados por la siguiente ecuación. 𝑃 = 𝑌𝑝/𝑥 [

Fuente: Elaboración propia, 2020

𝑋0 𝑋𝑚 𝑒 𝜇𝑚(𝑡−∆𝑡) 𝑋𝑚 − 𝑋0 +𝑋0 𝑒𝜇𝑚(𝑡−∆𝑡) 𝑋0 𝑋𝑚 𝑒 −𝜇𝑚∆𝑡 − ] 𝑋𝑚 − 𝑋0 +𝑋0 𝑒 −𝜇𝑚∆𝑡

6°. Exportar datos

RESULTADOS

Figura 6. Analizando excel

Resultado Glucosa Tabla 1: Parámetros Glucosa

Fuente: Elaboración propia, 2020 Análisis del paper En este artículo, desarrollamos una ecuación basada en el modelo logístico con producción de etanol asociada al crecimiento. µ es la máxima tasa de crecimiento específico con respecto a las condiciones de fermentación, ya que la forma de la Relación Monod. Con las siguientes condiciones de contorno: La tasa de producción de biomasa produce la siguiente ecuación (la ecuación logística) 𝑋=

𝑋0 𝑋𝑚 𝑒 𝜇𝑚

𝑡

𝑋𝑚 − 𝑋0 + 𝑋0 𝑒𝜇𝑚𝑡

Esta ecuación muestra la relación de la biomasa y el tiempo de fermentación, que se utiliza para ajustar los datos experimentales de concentración de biomasa. la concentración

Parámetros 𝜇𝑚 (ℎ−1 ) 𝑋𝑚 (𝑔/𝐿) 𝑌𝑝/𝑥 (𝑔/𝑔) ∆𝑡(ℎ) 𝑌𝑥/𝑥 (𝑔/𝑔) 𝑚(ℎ −1 )

Glucosa 0.0945 8.0366 5.5709 15.30 0.2200 0.1144

Fuente: (Wang, Xu, Hu, & Zhao, 2004) Desarrollo de las formulas con los datos experimentales Tabla 2: Datos experimentales del modelo cinético de biomasa, utilizando glucosa t(horas) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

biomasa g/l 0.5 0.546186733 0.59630233 0.650616891 0.709407021 0.772953521 0.841538553 0.915442236 0.994938649 1.08029122 1.171747496 1.269533331 1.37384654

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS PROGRAMA DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS ENOLOGÍA - 2020 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

1.484850121 1.60266516 1.727363609 1.85896114 1.997410335 2.142594511 2.294322472 2.452324532 2.616250109 2.785667183 2.960063845 3.13885209 3.321373926 3.506909731 3.694688717 3.883901182 4.073712194 4.263276199 4.45175203 4.638317758 4.822184815 5.002610899 5.178911223 5.350467775 5.516736378 5.677251441 5.831628434 5.979564189 6.120835238 6.255294451 6.382866284 6.503540945 6.617367813 6.7244484 6.824929132 6.918994175 7.006858511 7.088761395 7.164960314 7.235725509 7.301335106 7.362070863 7.418214525 7.470044752 7.517834601 7.561849495 7.602345639 7.639568835 7.673753638 7.705122804 7.733886991 7.760244667 7.784382186 7.806473996 7.826682961 7.845160757 7.862048333 7.877476408

71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128

7.891565999 7.90442896 7.916168524 7.926879842 7.936650511 7.945561087 7.953685577 7.961091912 7.967842395 7.973994125 7.979599398 7.984706083 7.989357968 7.993595093 7.997454054 8.000968283 8.004168309 8.007082007 8.009734814 8.012149938 8.014348551 8.016349959 8.018171764 8.019830012 8.021339329 8.02271304 8.02396329 8.02510114 8.026136668 8.027079053 8.027936653 8.02871708 8.029427267 8.030073523 8.030661595 8.031196715 8.031683643 8.032126715 8.032529877 8.03289672 8.033230513 8.033534232 8.033810583 8.034062032 8.03429082 8.03449899 8.034688398 8.034860734 8.035017537 8.035160205 8.035290014 8.035408121 8.035515581 8.035613353 8.035702311 8.03578325 8.035856891 8.035923893

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS PROGRAMA DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS ENOLOGÍA - 2020 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150

8.035984855 8.03604032 8.036090784 8.036136699 8.036178474 8.036216482 8.036251063 8.036282526 8.036311152 8.036337198 8.036360894 8.036382455 8.036402071 8.036419918 8.036436156 8.03645093 8.036464372 8.036476601 8.036487728 8.036497852 8.036507063 8.036515443

Fuente: Elaboración Propia ,2020 Grafico 1: Modelo cinético de biomasa utilizando glucosa

Fuente: Elaboración Propia ,2020 En el grafico 1 podemos observar tres claras etapas del crecimiento microbiano debido al incremento de biomasa, en esas etapas encontramos la etapa lag o de acondicionamiento, luego la etapa exponencial según Pedrique (2008) es el período de la curva de crecimiento en el cual el microorganismo crece exponencialmente, es decir que cada vez que pasa un tiempo de generación la población se duplica. Bajo condiciones apropiadas la velocidad de crecimiento es máxima. y por ultimo una fase

estacionaria. Las limitaciones del crecimiento ocurren por agotamiento de algún nutriente esencial, porque se alcanza un número de células elevado para el espacio disponible. Tabla 3: Datos experimentales del modelo cinético para la producción de etanol, utilizando glucosa t( horas) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

Etanol g/l 0 0.0671199 0.14065661 0.22119855 0.30938302 0.40589922 0.51149126 0.62696104 0.75317095 0.89104641 1.04157791 1.20582266 1.38490557 1.58001942 1.79242404 2.02344426 2.27446642 2.54693316 2.84233617 3.16220675 3.50810373 3.88159856 4.28425737 4.71761965 5.18317365 5.68232821 6.21638138 6.78648591 7.39361211 8.03850881 8.72166317 9.44326067 10.2031464 11.0007894 11.8352518 12.7051641 13.6087095 14.5436168 15.5071661 16.4962059 17.5071833 18.5361867 19.5790009 20.6311724 21.6880838 22.7450335 23.7973194 24.8403219 25.8695843

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS PROGRAMA DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS ENOLOGÍA - 2020 26.880887 27.870313 28.8343032 29.7696992 30.6737739 31.5442489 32.3792999 33.1775503 33.9380553 34.6602776 35.3440565 35.9895721 36.5973072 37.1680065 37.7026372 38.2023492 38.6684385 39.1023125 39.5054584 39.879415 40.2257482 40.5460294 40.841818 41.1146456 41.3660048 41.597339 41.8100356 42.0054204 42.1847542 42.3492311 42.4999769 42.6380501 42.7644421 42.8800795 42.9858256 43.0824832 43.1707975 43.2514585 43.3251043 43.3923241 43.4536612 43.5096158 43.5606483 43.6071815 43.6496039 43.6882716 43.7235112 43.7556218 43.7848773 43.8115282 43.8358037 43.8579133 43.8780483 43.8963835 43.9130785 43.9282789 43.9421177 43.954716 43.9661845 43.976624 43.9861264 43.9947755 44.0026475

112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150

44.0098121 44.0163327 44.0222669 44.0276674 44.0325821 44.0370545 44.0411245 44.044828 44.0481982 44.0512649 44.0540554 44.0565946 44.0589051 44.0610075 44.0629204 44.064661 44.0662448 44.0676858 44.068997 44.07019 44.0712755 44.0722632 44.0731618 44.0739795 44.0747234 44.0754003 44.0760162 44.0765765 44.0770863 44.0775502 44.0779722 44.0783562 44.0787056 44.0790235 44.0793127 44.0795758 44.0798152 44.0800331 44.0802312

Fuente: Elaboración Propia ,2020

Gráfico 2: Modelo cinético de la producción de etanol en glucosa 50 ETANOL (G/L)

49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111

40 30 20 10 0 0

50

100

150

200

TIEMPO (HR)

Fuente: Elaboración Propia ,2020

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Como se observa en la gráfica 2 para un tiempo cero la producción de etanol es cero lo cual indica que recién está empezando la fermentación del azúcar en etanol. El pico de producción máximo de etanol en glucosa es de 45 (g/l) se consigue entre las 80 a 100 horas a partir de ese tiempo la producción de etanol será lenta. Las limitaciones del aumento del etanol ocurren ya sea por agotamiento de algún nutriente esencial, en este caso el azúcar contenido en la fruta cual se realizó la fermentación. Grafico 3: Comparación de biomasa y etanol en glucosa Comparacion de biomasa y etanol en glucosa

Tabla 5: Datos experimentales del modelo cinético de biomasa, utilizando fructosa t(tiempo horas) 0 1

biomasa g/l 0.5 0.546186733

2

0.59630233

3

0.650616891

4

0.709407021

5

0.772953521

6

0.841538553

7

0.915442236

8

0.994938649

9

1.08029122

10

1.171747496

11

1.269533331

12

1.37384654

13

1.484850121

14

1.60266516

15

1.727363609

60

16

1.85896114

40

17

1.997410335

18

2.142594511

19

2.294322472

20

2.452324532

21

2.616250109

22

2.785667183

23

2.960063845

24

3.13885209

25

3.321373926

26

3.506909731

27

3.694688717

28

3.883901182

29

4.073712194

30

4.263276199

31

4.45175203

32

4.638317758

33

4.822184815

34

5.002610899

35

5.178911223

36

5.350467775

37

5.516736378

38

5.677251441

39

5.831628434

40

5.979564189

41

6.120835238

20 0 0

50

100

biomasa g/l

150

200

etanol g/l

Fuente: Elaboración Propia ,2020 En la gráfica 3 se puede observar que hay mayor producción de etanol que biomasa con la glucosa Resultado Fructosa Tabla 4: Parámetros fructosa Parámetros 𝜇𝑚 (ℎ−1 ) 𝑋𝑚 (𝑔/𝐿) 𝑌𝑝/𝑥 (𝑔/𝑔) ∆𝑡(ℎ) 𝑌𝑥/𝑥 (𝑔/𝑔) 𝑚(ℎ −1 )

Fructosa 0.0800 (0.0019) 7.2270 (0.1101) 5.7878 (0.1082) 14.59 (1.23) 0.1922 (0.0089) 0.0715 (0.0038)

Fuente: (Wang, Xu, Hu, & Zhao, 2004)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS PROGRAMA DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS ENOLOGÍA - 2020 42

6.255294451

89

8.009734814

43

6.382866284

90

8.012149938

44

6.503540945

91

8.014348551

45

6.617367813

92

8.016349959

46

6.7244484

93

8.018171764

47

6.824929132

94

8.019830012

48

6.918994175

95

8.021339329

49

7.006858511

96

8.02271304

50

7.088761395

97