Proyecto Ingeniería de Biorreactores, producción de vino PDF

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Proyecto de ingeniería de biorreactores primer parcial, basado en la producción de vino utilizando biorreactores de fermentación, ciclo escolar 2020-2021, Unidad Profesional Interdisciplinaria...

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Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología Ingeniería de Biorreactores Proyecto: Producción de vino a partir de la fermentación de Saccharomyces cerevisiae. Docente: José León Rangel Ramirez Equipo 7 Integrantes: ● ● ● ● ● ● ●

Corona Miguel Melba Paola Lobato Sánchez Diego Andrés Medina Mendoza Natalia Mejía Blanquel Francisco Armando Montalvo Marroquín Reyna del Carmen Montiel Munguía Karla Sánchez Luján Tania Lisbeth

Grupo: 4FV2

Fecha: 28 de marzo del 2021

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ÍNDICE 1. Selección del producto a producir. …………………………………………………..4 2. Selección del microorganismo para la producción. ………………………………..5 3. Cantidad de producto a producir anualmente. ……………………………………..6 4. Antecedentes del bioproceso. ………………………………………………………..7 5. Parámetros cinéticos microbianos. ………………………………………………….8 6. Medio de Cultivo. ……………………………………………………………………...9 7. Productividad del sistema biológico. ………………………………………………..11 8. Volumen de operación del biorreactor. ……………………………………………..12 9. Discusión de resultados. ……………………………………………………………..13

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Composición general de la Uva. ………………………………………… 7

Tabla 2. Comparación de los parámetros cinéticos del crecimiento de S. cerevisiae y la utilización del sustrato con tres modelos cinéticos diferentes. ……………… 9

Tabla 3. Especificaciones para el biorreactor. …………………………….. 13

ÍNDICE DE FIGURA Figura 1. Estados productores de vino en México. …………………………….... 5

Figura 2. La gráfica lineal para ajustar los datos experimentales sobre la utilización del sustrato y el crecimiento celular frente al modelo cinético de Verhulst. …... 8 Figura 3. Vistas del biorreactor (frontal y lateral). ……………………………….. 13

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1. Selección del producto a utilizar.

El mercado del vino en México se caracteriza por ser dinámico, con unas ventas que han crecido a una media anual del 8% en los últimos cinco años disponibles, hasta situarse en los 122 millones de litros en 2018. México, con una tasa de cobertura del 2,2%, es importador neto de vino. Las importaciones aumentan en 2019 en un 3,7% hasta alcanzar los 82 millones de litros, la cifra más alta registrada. Mientras que su valor disminuye ligeramente hasta situarse en 271,5 millones de dólares. El 97% de estas proceden de seis países: España, Francia, Chile, Italia, Argentina y Estados Unidos. La industria vitivinícola en México genera una facturación de alrededor de 550 millones de dólares anuales por medio de dos canales principales de distribución, la venta en la misma bodega, que con frecuencia se acompaña de recorridos por sus instalaciones, y el denominado canal HORECA:hoteles, restaurantes y cafés. En la República Mexicana se cuentan con importantes zonas vinícolas, cada una de ellas se identifica especialmente por el tipo de uva que cultiva y los tipos de vino que produce. En el estado de Querétaro se localizan los valles más sureños de viñas del país que contribuyen al crecimiento de la producción del vino nacional y el desarrollo de la calidad y de las ventas. En el Estado de Baja California, se genera más de 90% de la producción de vinos de mesa del país. Tener un producto final permite a las plantas vinícolas incidir en el mercado, a través de diversas estrategias: promoción de productos, diseño de marcas, nuevos productos, integración hacia adelante, entre otras. Así, las empresas vinícolas colocan cada vez más producto en el mercado nacional e internacional. En Aguascalientes cuenta con tres regiones principales de viticultura: Calvillo, Paredón y Los Romo. Durango cosecha uva para la producción de destilados en un 74.85% y la uva de mesa junto con la uva para hacer vinos en un 25.15% aproximadamente. La viticultura en Zacatecas se inició desde la década de los 70 y fue el primer productor de Bodegas del Altiplano. también se encuentra la zona vinícola de Coahuila y Sonora.

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Figura 1. Estados productores de vino en México.

Además de los beneficios en la economía del país; los descubrimientos médicos han establecido que el vino provee beneficios para la salud, entre los cuales están: combatir enfermedades cardiovasculares o de prevención contra el cáncer han despertado el interés de muchos nuevos consumidores.

2. Selección del microorganismo para la producción. Desde la antigüedad diferentes culturas y civilizaciones han usado sin saberlo levaduras. Lo hicieron fermentando de forma natural sus panes y bebidas alcohólicas, por lo que se pensaba que era algo misterioso y mágico. Esta idea comenzó a cambiar gracias a la ciencia con la intervención de Louis Pasteur, quien a mediados del siglo XIX probó que la fermentación alcohólica era hecha por levaduras y no por un catalizador químico que era lo que se había pensado hasta entonces. El trabajo de la levadura en este proceso es consumir azúcares para producir dos productos importantes: CO2, que es dióxido de carbono, y etanol. Además de esto, produce otros productos químicos en pequeñas cantidades, que es lo que le da a las diferentes bebidas sus diferentes sabores tan peculiares dependiendo de la levadura usada. La actividad metabólica de los diferentes géneros y especies de levaduras presentes en la superficie de las uvas en el viñedo, y capaces de resistir las condiciones de vinificación, influencian la calidad sensorial del vino obtenido. Siendo estas las especies Hanseniaspora uvarum (y su forma anamorfa Kloeckera apiculata) de 50-75% de la población total de levaduras aisladas, y en menor población se han encontrado presentes los géneros Candida, Cryptococcus, Hansenula, Kluyveromyces, Metschnikowia, Pichia y Rhodotorula. Estudios en los que se han investigado cultivos iniciadores y levaduras nativas han demostrado que existen diferencias significativas en la composición química de los vinos resultantes, (Vilanova y Masneuf- Pomarède 2005) Las levaduras del mosto de uva en el inicio de la fermentación del vino se pueden dividir a grandes rasgos en dos grupos, es decir, las levaduras Saccharomyces cerevisiae y las levaduras no-Saccharomyces. Las levaduras de Saccharomyces se derivan principalmente de

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los equipos de bodega y en muy bajo número en la uva. Las levaduras no-Saccharomyces, se encuentra predominantemente en las uvas, pero también en menor número en el equipo de bodega. La levadura Saccharomyces cerevisiae es un hongo ascomiceto que ha sido ampliamente estudiado dada su importancia en la industria panadera y vitivinícola, así como por su capacidad de producir etanol. Algunas características de esta levadura que forman parte de su adaptación son el hecho de que pueda metabolizar la glucosa y la fructosa tanto por vía respiratoria como por vía fermentativa, y de crecer en condiciones aerobias o anaerobias. Saccharomyces cerevisiae es la especie de levadura más importante en microbiología del vino y por lo que fue el microorganismo que utilizaremos.

3. Cantidad de producto a producir anualmente. Existe una clara oportunidad para México, ya que es uno de los pocos países en el mundo cuyo consumo per cápita se encuentra en crecimiento: hemos pasado de consumir 450 ml anuales de vino en el año 2013 a 900 ml en el presente, es decir, el doble en apenas 7 años. Aunque estamos muy lejos de los más de 50 litros anuales de Francia o Portugal, esto ejemplifica el potencial de negocios que existe en el sector, dado que los vinos mexicanos solamente suplen el 30% de la demanda existente en nuestro país. Por ello tomando en cuenta la cantidad que se consume actualmente en México y el crecimiento que está teniendo este mismo consumo se decidió utilizar 40,000 kg de uva al día, La relación litros de vino/kilos de uva se estima en 76%, o sea que por cada kilo de uva recibida se elaboran 0,76 litros de vino; Entonces en total se producirían 30,400L de vino por día que en total nos darían aproximadamente 11,096,000L de vino anuales.

4. Antecedentes del bioproceso. La uva o grano de uva es el nombre que recibe el fruto que crece formando racimos de la vid común o vid europea, pertenece al género Vitis de la familia de las Vitaceae, es uno de los frutos más antiguos de los que el hombre ha tenido conocimiento. Desde los orígenes de la historia del vino, en las antiguas culturas de Egipto, Cartago, Grecia y Roma la forma tradicional de hacer el vino era con "pisada de uva con pies de hombre", fue el método más utilizado en vitivinicultura, desde la antigua cultura egipcia hasta finales del siglo XIX. La técnica de los romanos consistía en pisar uvas en lagares de piedra en donde después dejaban fermentar el monto de manera natural.

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El langar es el recipiente en el cual se coloca la uva después de la vendimia para pisarla y producir el jugo de uva o mosto. En la antigüedad no se lograba identificar del todo qué factor generaba la fermentación en las uvas, fue hasta que el científico Louis Pasteur, quien a mediados del siglo XIX probó que la fermentación alcohólica era hecha por levaduras y no por un catalizador químico que era lo que se había pensado hasta entonces. El trabajo de la levadura en este proceso es consumir azúcares para producir dos productos importantes: CO2, que es dióxido de carbono, y etanol. La uva es la materia prima del vino, todos sus componentes pasan de algún modo a formar parte de él, La piel aporta tanino, color, aroma, ácidos, sales, entre otros; incluso las levaduras que provocan la fermentación alcohólica se hallan adheridas a ella por medio de una sustancia llamada pruina que cubre toda la superficie de la uva y las semillas contribuyen con alto porcentaje de tanino (ASERCA, 2002). Tabla 1. Composición general de la Uva.

5. Parámetros cinéticos microbianos. La fermentación de la uva la llevan a cabo las levaduras, siendo las principales variedades Saccharomyces cerevisiae y Saccharomyces bayanus. El término fermentación alcohólica se refiere a la transformación bioquímica de la glucosa y la fructosa a etanol y dióxido de carbono. C6H12O6 ------> 2 CH3-CH2OH + 2 CO2 La levadura Saccharomyces sp. ha sido seleccionada por su habilidad de fermentar rápida y eficientemente los mostos de uva los cuales contienen altas concentraciones de azúcar, por su resistencia a alta concentraciones de etanol y al dióxido de sulfuro y la capacidad de supervivencia a elevadas temperaturas durante

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las fermentaciones produciendo así fermentaciones controladas mejorando la calidad y composición química del vino. Los parámetros cinéticos de la fermentación alcohólica de Saccharomyces cerevisiae se obtuvieron del artículo “Non-Structured Kinetic Model for the Cell Growth of Saccharomyces cerevisiae in a Batch Culture”. Se usaron tres métodos para la determinación de los parámetros sin embargo se determinó que el mejor fue el modelo de Verhulst. Las constantes cinéticas y los parámetros (X, Ks, µmax) se determinaron con base en el método de ajuste de curvas. Se calcularon los valores de la tasa de crecimiento específico (µ) según el peso seco de la célula como concentración de biomasa (X) y la concentración de glucosa como concentración de sustrato limitante (S) durante la fase de crecimiento exponencial.

Figura 2. La gráfica lineal para ajustar los datos experimentales sobre la utilización del sustrato y el crecimiento celular frente al modelo cinético de Verhulst.

Tabla 2. Comparación de los parámetros cinéticos del crecimiento de S. cerevisiae y la utilización del sustrato con tres modelos cinéticos diferentes.

Se obtuvieron los siguientes datos del artículo “Obtención de parámetros cinéticos para el crecimiento del microorganismo Saccharomyces cerevisiae en reactor CSTR.” La levadura S. cerevisae sigue el modelo cinético exponencial ln(𝑥) = 𝜇 ∗ 𝑡 + ln(𝑥0). −1

Se calculó su tasa de crecimiento µ𝑚𝑎𝑥 = 0. 036ℎ . Al operar en CSTR, la tasa de dilución permite calcular el consumo de sustrato en el estado de equilibrio y conjuntamente con los rendimientos observados

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𝑌

𝑥/𝑠

= 0. 6451,

calcular 𝑘

𝑑

los

𝑌

𝑝/𝑠

= 0. 4854,

rendimientos

= 0. 0354ℎ

reales

𝑌

𝑝/𝑥

= 0. 7485, 𝑞

para

obtener

𝑝

= 0. 027ℎ 𝑚

𝑠

−1

se

puede

= 0. 055𝑔𝑆/𝑔𝑋 * ℎ

y

−1

.

6. Medio de Cultivo. Las levaduras son los microorganismos que más pronto conoció el hombre, y pese a una experiencia de milenios todavía seguimos añadiendo innovaciones en el vino al procesar la uva. El vino es el producto de la fermentación del género Vitis vinífera. El mosto es un buen medio de cultivo para las levaduras productoras del vino, debido a la alta concentración de nutrientes, su natural acidez, que inhibe el crecimiento de microorganismos indeseables, su elevado contenido de azúcar y sus agradables aromas y sabores. Composición mosto: Azúcares La uva contiene de un 15 a un 25% de azúcares, sobre todo glucosa y fructosa. La glucosa y la fructosa se encuentran en proporciones casi iguales en los mostos de uvas maduras, ya que la relación glucosa/fructosa es aproximadamente 0,95. La glucosa y la fructosa son fácilmente fermentadas por la levadura, aunque casi todas ellas fermentan más deprisa la glucosa. Ácidos y compuestos de carácter ácido En los mostos existen varios ácidos orgánicos libres y combinados en forma de sales, algunas de ellas ácidas. También existen ácidos minerales y las sales ácidas de algunos de ellos. Finalmente, existen otras sustancias de carácter ácido. El conjunto de estas sustancias forma la acidez de los mostos, siendo las principales: -

-

-

Ácido málico (COOH-CHOH-CH2-COOH) y sus sales ácidas (malatos). Las uvas poco maduras contienen una cantidad elevada de ácido málico, que va disminuyendo a medida que las uvas van madurando. Ácido cítrico. Es poco abundante en la uva, suele encontrarse entre 150 a 300 mg Ácido tartárico (COOH-CHOH-CHOH-COOH). Es el más abundante en los mostos de uva. Su contenido total no se modifica prácticamente durante la maduración, pero su concentración va disminuyendo por engrasamiento del grano. Sales ácidas del ácido tartárico (bitartratos). La más abundante en los mostos es el bitartrato potásico (COOH-CHOH-CHOH-COOK) Sales minerales de carácter ácido. Las más abundantes en los mostos y vinos son los fosfatos, que en los mostos se encuentran parcialmente neutralizados por el potasio, calcio, etc. 9

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Sustancias de carácter ácido. La más importante es el anhídrido sulfuroso (S02). Los flavonoides Los antocianos o antocianinas son los pigmentos rojos de los hollejos de las uvas tintas, estando ausentes en las uvas blancas. La acumulación en los hollejos de los antocianos se desarrolla paralelamente a la de los azúcares. Sustancias nitrogenadas Los mostos contienen sustancias nitrogenadas en proporción muy variable (de 0,1 a 1,5 g de N2/L). Su concentración en la uva depende de los factores de cultivo de la vid. El contenido en nitrógeno total del mosto es la suma del aportado por las sales amoniacales, los aminoácidos, las proteínas y los péptidos. Es necesario para la alimentación de las levaduras, ya que el nitrógeno es el elemento plástico de su protoplasma celular, convirtiéndose en el elemento regulador de la fermentación. - El nitrógeno amoniacal representa el 3-10% del total del mosto. Es la forma más fácilmente asimilable para las levaduras. - Los aminoácidos representan el 20-30% del nitrógeno total. Los más abundantes son la prolina, la arginina, el ácido glutámico, la treonina, la serina, la lisina y la valina. - Los péptidos son agrupamientos de aminoácidos más o menos condensados, en el mosto representan una fracción pequeña, pero aumenta durante la fermentación. - Las proteínas de la uva se incrementan con la maduración, al igual que el azúcar y el pH. Su concentración en el mosto es muy variada, aproximadamente entre 1 y 100 mg/L Materias pécticas Son sustancias polisacáridas que en los mostos están en estado coloidal. Tienen un efecto gelificante y por ello retrasan la decantación de los turbios, colmatan los filtros y dificultan la extracción de aromas y materia colorante, que quedan aprisionados en el interior de las células. Sales minerales En los mostos existen siempre pequeñas cantidades de sulfatos, fosfatos y cloruros de potasio, calcio, magnesio y sodio. También existen algunos miligramos de hierro por litro y aun cantidades más pequeñas de otros metales como cobre, procedente de restos del sulfato de cobre utilizado para tratar el mildiu de la vid, de tuberías y grifos de bronce, etc. Gases disueltos El mosto al ser manipulado en contacto con el aire disuelve sus gases, oxigeno y nitrogeno. El oxígeno disuelto desaparece muy rápido ya que se combina, oxidando los taninos, materiales colorantes, etc. Por el contrario el nitrógeno permanece inactivo, disuelto, hasta que es eliminado por el carbónico producido durante la fermentación. 10

7. Productividad del sistema biológico. La levadura Saccharomyces sp. ha sido seleccionada por su habilidad de fermentar rápida y eficientemente los mostos de uva los cuales contienen altas concentraciones de azúcar, por su resistencia a alta concentraciones de etanol y al dióxido de sulfuro y la capacidad de supervivencia a elevadas temperaturas durante las fermentaciones produciendo así fermentaciones controladas mejorando la calidad y composición química del vino. A continuación se presentan algunos factores fisicoquímicos que condicionan el crecimiento de las levaduras Saccharomyces cerevisiae para una fermentación óptima Temperatura La temperatura es el factor físico más importante, desde el punto de vista del crecimiento de las levaduras como del avance de la fermentación. Saccharomyces cerevisiae presenta una temperatura óptima de crecimiento alrededor de los 30 C°, aunque puede adaptarse a un amplio rango de temperaturas, con un máximo de 40 C° temperatura a la cual se observa una disminución de la viabilidad. Generalmente la fermentación de los vinos blancos se realiza entre los 10 y los 15 C°, mientras que la temperatura de elaboración de los vinos tintos se sitúa en valores más elevados, entre los 20 y los 30 C°, debido a una mayor temperatura en los tintos favorece la extracción de las sustancias fenólicas de los mismos. Aireación Saccharomyces cerevisiae es un fermentador facultativo, capaz de consumir azúcar en ausencia de oxígeno mejor que las levaduras no-Saccharomyces. Un exceso en la concentración de oxígeno puede inhibir la fermentación (efecto Pasteur) pH El pH normal del mosto de uva ronda entre 2.75 y 4.2. Los valores inferiores pueden suponer dificultades para el crecimiento de Saccharomyces cerevisiae presentando efectos como el incremento tóxico de etanol y del sulfito. La tolerancia a pH ácido es dependiente de la abundancia de iones de potasio en el mosto. Clarificación Consiste en la eliminación de partículas sólidas del mosto. La eliminación de los nutrientes, sobre todo de los nitrogenados, que van asociados a esas partículas puede dificultar el crecimiento de las levaduras. Por otro lado, las partículas sólidas actúan como núcleos de formación de burbujas de dióxido de carbono, favoreciendo la disipación de este gas, por lo que en niveles excesivos puede inhibir el crecimiento de Saccharomyce. Los mostos muy clarificados dan mejores resultados finales desde el punto de vista organoléptico. Dióxido de carbono

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Uno de los productos de la fermentación alcohólica es el dióxido de carbono. Durante la fermentación se produce un volumen de dióxido de carbono equivalente a 56 veces el volumen del mosto fermentado. La liberación de este gas tiene dos fines, uno disipar parte del calor producido al ser una reacción exotérmica, y dos, para producir corrientes de convección dentro del mosto que permite la difusión de nutrientes. Si se produce en exceso, afecta a la viabilidad de Saccharomyces c...