El Balance de Materia en las Fermentaciones: Fundamentos y Aplicaciones

La fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleta, que no requiere oxígeno (condiciones anaerobias), en el que el aceptor final de electrones es un compuesto orgánico. En la fermentación se produce la oxidación incompleta de los compuestos orgánicos, por lo que no se libera toda la energía contenida. La fermentación de los glúcidos tiene una primera etapa común con la respiración, la glucólisis, y después, del ácido pirúvico obtenido, se obtienen distintos productos finales.

La primera etapa de la glucólisis implica la oxidación de la glucosa a ácido pirúvico. Posteriormente, se produce la reducción del ácido pirúvico para obtener los productos finales, proceso en el que se obtiene NAD+, que volverá a ser utilizado en la glucólisis.

Tipos de Fermentación y Microorganismos Involucrados

En las células de un mismo organismo pueden producirse tanto respiración celular como fermentación, según las condiciones ambientales de las células. Por ejemplo, algunas células vegetales, que cuando tienen poco oxígeno oxidan el NADH obtenido en la glucólisis produciendo alcohol etílico. Otro ejemplo, es el de las agujetas, que aunque son producidas por microrroturas de fibras musculares, algunos autores opinan que son producidas por la cristalización de ácido láctico.

Existen hongos útiles para el ser humano y otros perjudiciales. Por ejemplo, Aspergillus oryzae (koji) se utiliza para la elaboración de la salsa de soja (shoyu), que es como el “kétchup” de la cocina japonesa, añadiendo el hongo a una mezcla de granos de soja, trigo, agua y sal. La fermentación de esta mezcla produce la famosa salsa.

La fermentación alcohólica (denominada también como fermentación del etanol o incluso fermentación etílica) es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya fórmula química es: CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico.

Las levaduras y bacterias causantes de este fenómeno son microorganismos muy habituales en las frutas y cereales y contribuyen en gran medida al sabor de los productos fermentados. Se puede decir que el 96% de la producción de etanol la llevan a cabo hongos microscópicos, diferentes especies de levaduras, entre las que se encuentran principalmente: Saccharomyces cerevisiae, Khuyveromyces fragilis, Torulospora y la Zymomonas mobilis. Los microorganismos responsables de la fermentación son de tres tipos: bacterias, mohos y levaduras.

Para elaborar las aceitunas de mesa, éstas han de ser sometidas a un proceso de fermentación en el que participan bacterias del género Lactobacillus y levaduras de la especie Saccharomyces cerevisiae. El resultado de la fermentación por Lactobacillus provoca una disminución del pH que estabiliza el producto final, mientras que la fermentación por S. cerevisiae da lugar a la aparición de un gas que produce ablandamiento de las aceitunas.

Condiciones y Productos de la Fermentación

Una de las principales características de estos microorganismos es que viven en ambientes completamente carentes de oxígeno (O2), máxime durante la reacción química, por esta razón se dice que la fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico. La glucólisis es la primera etapa de la fermentación, lo mismo que en la respiración celular, y al igual que ésta necesita de enzimas para su completo funcionamiento.

La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico exotérmico (libera energía) y genera moléculas de ATP necesarias para el funcionamiento metabólico de las levaduras (seres unicelulares). El balance a nivel molecular del proceso se puede decir que genera 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. A pesar de ello, parece ser suficiente energía para los organismos anaeróbicos.

Tabla: Rendimiento Energético de Glucosa por Proceso

La determinación de los factores que limitan la glucólisis fermentativa del etanol son complejos debido a la interrelación existente y a la naturaleza de los parámetros intervinientes durante el proceso de fermentación. Algunos de ellos se deben tener en cuenta en la fermentación alcohólica industrial:

• Acidez del substrato (pH): El pH es un factor limitante en el proceso de la fermentación ya que las levaduras se encuentran afectadas claramente por el ambiente, bien sea alcalino o ácido. Por regla general el funcionamiento de las levaduras está en un rango que va aproximadamente desde 3.5 a 5.5 pH.
• Concentración de azúcares: La concentración excesiva de hidratos de carbono en forma de monosacáridos y disacáridos puede frenar la actividad bacteriana. De la misma forma la baja concentración puede frenar el proceso.
• Contacto con el aire: Una intervención de oxígeno (por mínima que sea) en el proceso lo detiene por completo (es el denominado Efecto Pasteur). Esta es la razón por la que los recipientes fermentadores se cierran herméticamente.
• Temperatura: El proceso de fermentación es exotérmico, y las levaduras tienen un régimen de funcionamiento en unos rangos de temperatura óptimos, se debe entender además que las levaduras son seres mesófilos. Si se expone cualquier levadura a una temperatura cercana o superior a 55 ºC por un tiempo de 5 minutos se produce su muerte.

La fermentación alcohólica produce gran cantidad de CO2, que es la que provoca que el cava (al igual que el Champagne y algunos vinos) tengan burbujas. Este CO2 (denominado en la edad media como gas vinorum) pesa más que el aire, y puede llegar a crear bolsas que desplazan el oxígeno de los recipientes donde se produce la fermentación. Por ello es necesario ventilar bien los espacios dedicados a tal fin. La liberación del dióxido de carbono es a veces "tumultuosa" y da la sensación de hervir, de ahí proviene el nombre de fermentación, palabra que en castellano tiene por etimología del latín fervere.

Definición y Componentes del Balance de Materia

El balance de materia es un concepto fundamental en ingeniería química y procesos industriales. Este principio se basa en la ley de conservación de la masa, indicando que la masa no se crea ni se destruye en un sistema cerrado, simplemente se transforma. En un entorno industrial, esta premisa se usa para analizar procesos mediante el uso de ecuaciones matemáticas para determinar las entradas y salidas de masa en un sistema o proceso. Un balance de materia se refiere al cálculo y análisis de las cantidades de masa que entran, salen, y se acumulan dentro de un sistema.

La ecuación esencial para el balance de materia es:

\[\text{Masa de entrada} - \text{Masa de salida} + \text{Generación} - \text{Consumo} = \text{Acumulación} \]

Para realizar un balance de materia, debes identificar y considerar varios elementos importantes que componen el sistema:

• Flujos de entrada: Estos son los materiales que ingresan al sistema.
• Flujos de salida: Los materiales que se retiran del sistema.
• Generación: Cantidad de masa producida dentro del sistema, por ejemplo, en reacciones químicas.
• Consumo: Masa que se utiliza durante el proceso.
• Acumulación: Cambio total de masa dentro del sistema, podría ser positivo si se acumula masa o negativo si se reduce.

El balance de materia es aplicable a diversas situaciones, desde el análisis de contaminantes en el aire hasta la producción de biocombustibles. En cada aplicación, se adaptan las ecuaciones básicas para llevar un registro de cómo se distribuyen la masa y los componentes a través de un proceso. Esta habilidad no solo mejora la eficiencia operativa, sino que también juega un papel crucial en la sostenibilidad ambiental, al minimizar los desechos y optimizar el uso de recursos.

Balance de Materia con Reacciones Químicas

El balance de materia en reacciones químicas es una herramienta esencial en ingeniería química, asegurando que los procesos se lleven a cabo de manera eficiente y económica. Utiliza el principio de conservación de la masa para calcular las cantidades necesarias de reactivos y productos en una reacción. Este proceso es vital para el diseño de reactores químicos y la optimización de procesos industriales.

En las reacciones químicas, el balance de materia se centra tanto en la entrada como en la salida de cada componente involucrado en la reacción. La ecuación de balance general para una reacción química es:

\[\text{Masa de reactivos} - \text{Masa de productos} + \text{Generación} - \text{Consumo} = \text{Acumulación} \]

Un balance de materia con reacción química implica calcular las masas que entran, transforman y salen de un sistema, manteniendo la conservación de masa. La ecuación se adapta según:

\[\sum_{in} n_iM_i - \sum_{out} n_fM_f + \text{Generación} - \text{Consumo} = \text{Acumulación} \], donde \(n\) es el número de moles y \(M\) la masa molar.

Los balances de materia en reacciones químicas pueden volverse bastante complejos cuando se incluyen reacciones en serie, paralelo, o reversible. Para cada escenario, se deben establecer ecuaciones adicionales para describir adecuadamente cada reacción en el sistema. El conocimiento de la estequiometría, las concentraciones iniciales y las constantes de reacción es esencial para desarrollar un modelo preciso del proceso.

Balance de Materia con Recirculación

El balance de materia con recirculación es una técnica avanzada utilizada para mejorar la eficiencia en procesos industriales. Este método no solo considera las entradas y salidas de un sistema, sino también el reciclaje interno de materiales. Al implementar recirculación en un sistema, se reducen desperdicios y se optimizan los recursos disponibles. La recirculación es común en procesos químicos donde los reactivos no convertidos se reintegran en el proceso para una segunda oportunidad de reacción. Esto es crucial en procesos industriales para aumentar la eficiencia y disminuir costos.

Para realizar un balance de materia efectivo con recirculación, puedes aplicar distintas técnicas que te ayuden a mapear flujos y reacciones correctamente dentro de un sistema:

• Diagrama de flujo: Ayuda a visualizar y organizar las corrientes de entrada, salida y recirculación.
• Uso de ecuaciones diferenciales: Utiliza ecuaciones matemáticas para modelar el balance de masa a lo largo del tiempo.
• Estequiometría detallada: Es esencial entender las proporciones químicas para manejar recirculaciones con precisión.

Integrar la recirculación en un balance de materia puede ser un desafío, especialmente en sistemas que manejan múltiples reacciones o fases. Por ejemplo, en procesos de refino de petróleo, los hidrocarburos ligeros se reciclan para maximizar la producción de productos valiosos como la gasolina. Este tipo de configuraciones son además muy valiosas desde el punto de vista ambiental, dado que permiten reducir los desechos y minimizar el impacto negativo de los procesos industriales.

Modelado de Fermentaciones: Balances de Materia Avanzados

El uso intensivo de modelos en la ingeniería moderna es más que evidente. Los avances en la capacidad de computación han catapultado el desarrollo de modelos de proceso cada vez más detallados y precisos, que luego se utilizan en diseño, optimización, control y diagnóstico de fallas, entre otras tareas. Los Modelos Semifísicos de Base Fenomenológica (MSBF) combinan elementos de modelos fenomenológicos y empíricos, y su construcción resulta la mayoría de las veces una tarea laboriosa, por lo que un método para su construcción, permite al investigador abordar su problema de una forma más organizada.

Un MSBF es una estructura matemática que se obtiene con base en la fenomenología subyacente al proceso que se estudia. La fenomenología se basa en los fenómenos de transporte, tránsito, transmisión o transferencia, y en el principio de conservación de cualquier propiedad balanceable.

La forma genérica de dicho principio es: Con Pr la propiedad balanceable de interés, Fioj flujo de entrada o salida, πioj proporción en la que la propiedad está en el flujo, Φk velocidad de aparición de Pr en la k-ésima fuente y Ψl la velocidad de consumo de Pr en el l-ésimo sumidero. Por lo general en procesos químicos y biotecnológicos, las propiedades balanceables son la materia y la energía, involucradas en el proceso. Mediante balances de materia, energía (térmica) y cantidad de movimiento, se pueden obtener y relacionar las variables más significativas del proceso.

El método propuesto para la construcción de un MSBF incluye los siguientes pasos:

1. Elaborar una Descripción Verbal y un Diagrama de Flujo de Proceso que se complementen.
2. Fijar un Nivel de Detalle para el Modelo, de acuerdo con su utilización.
3. Definir tantos Sistemas de Proceso sobre el Proceso que se modelará como los exija el Nivel de Detalle.
4. Aplicar el Principio de Conservación sobre cada uno de los Sistemas de Proceso.
5. Definir los parámetros, las variables y las constantes conocidas en cada Sistema de Proceso.
6. Hallar ecuaciones constitutivas que permitan calcular el mayor número de parámetros en cada Sistema de Proceso.
7. Verificar los Grados de Libertad del modelo (GL= # Ecuaciones - # Incógnitas).

Como ejemplo, el método propuesto se utiliza para obtener un modelo del proceso de fermentación de glucosa en continuo, para la producción de alcohol etílico. Un jarabe glucosado de banano proveniente de un tratamiento de hidrólisis, es procesado para obtener etanol por medio de una fermentación con la levadura Saccharomyces cerevisiae. El fin del modelo obtenido, es la optimización de la operación y el control del proceso.

Consideraciones en Fermentación en Medio Sólido (FMS)

Las características térmicas (baja conductividad, densidad de empaque) del material orgánico y el bajo contenido de humedad en la fermentación en medio sólido (FMS) crean condiciones especialmente difíciles para la transferencia de calor. En la FMS estática, esta pobre transferencia de calor conduce a un gran incremento en la temperatura del sustrato que tiene un impacto negativo en el crecimiento de los microorganismos, así como en la producción de enzimas.

Lo anterior hace necesario el desarrollo de estrategias que permitan el control tanto de la temperatura como de la humedad; principalmente cuando se pretende el escalamiento de procesos de FMS desde nivel laboratorio al industrial. La evaluación de las estrategias que se propongan requiere el desarrollo de balances de materia (agua) y energía (calor) que permitan conocer la contribución de cada uno de los mecanismos de transferencia de calor y masa. Estos balances permitirán elegir las estrategias de remoción de calor más efectivas y que tengan el menor efecto negativo en el lecho de fermentación (secado).

Por otro lado, uno de los principales retos en FMS continúa siendo la estimación de los coeficientes de transferencia de calor y masa desde el lecho de fermentación hacia el aire en el “headspace” del biorreactor de charolas para FMS. Estos coeficientes de transferencia son necesarios en los modelos matemáticos.

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