fermentación de etanol

La fermentación etanólica , también llamada fermentación alcohólica , es un proceso biológico que convierte azúcares como la glucosa , la fructosa y la sacarosa en energía celular , produciendo etanol y dióxido de carbono como subproductos. Debido a que las levaduras realizan esta conversión en ausencia de oxígeno , la fermentación alcohólica se considera un proceso anaeróbico . También tiene lugar en algunas especies de peces (incluidos el pez dorado y la carpa ) donde (junto con la fermentación láctica) proporciona energía cuando el oxígeno es escaso. ^{[ 1 ]}

La fermentación del etanol es la base de las bebidas alcohólicas , el combustible de etanol y el levado de la masa de pan .

Las ecuaciones químicas que _se muestran a continuación resumen la fermentación de la sacarosa ( C₁₂H₂₂O₁₁ ₎ en etanol ( _{C₂H₅OH )} . La fermentación alcohólica convierte un mol de glucosa en dos moles de etanol y dos moles de dióxido de carbono, produciendo dos moles de _ATP en el proceso.

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 2 ADP + 2 Pi _→ 2 C ₂ H ₅ OH + 2 CO ₂ + 2 ATP

La sacarosa es un azúcar compuesto por glucosa unida a fructosa. En la primera etapa de la fermentación alcohólica, la enzima invertasa rompe el enlace glucosídico entre las moléculas de glucosa y fructosa.

${\displaystyle {\ce {C12H22O11{}+H2O->[{\text{Invertasa}}]2C6H12O6}}}$

A continuación, cada molécula de glucosa se descompone en dos moléculas de piruvato en un proceso conocido como glucólisis . ^{[ 2 ]} La glucólisis se resume en la siguiente ecuación:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 2 ADP + 2 Pi ₊ 2 NAD ⁺ → 2 CH ₃ COCOO ⁻ + 2 ATP + 2 NADH + 2 H ₂ O + 2 H ⁺

CH ₃ COCOO ⁻ es piruvato, y P _i es fosfato inorgánico . Finalmente, el piruvato se convierte en etanol y CO ₂ en dos pasos, regenerando el NAD+ oxidado necesario para la glucólisis:

1. CH ₃ CACOO ⁻ + H ⁺ → CH ₃ CHO + CO ₂

catalizada por la piruvato descarboxilasa

2. CH ₃ CHO + NADH + H ⁺ → C ₂ H ₅ OH + NAD ⁺

Esta reacción es catalizada por la alcohol deshidrogenasa (ADH1 en la levadura de panadería). ^{[ 3 ]}

Como muestra la ecuación de reacción, la glucólisis provoca la reducción de dos moléculas de NAD ⁺ a NADH . Dos moléculas de ADP también se convierten en dos moléculas de ATP y dos moléculas de agua mediante fosforilación a nivel de sustrato .

• 
  Uvas en fermentación durante la producción de vino.

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  Glucosa representada en proyección de Haworth
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  Piruvato
• 
  Acetaldehído
• 
  Etanol

La fermentación no requiere oxígeno. Si hay oxígeno presente, algunas especies de levadura (por ejemplo, Kluyveromyces lactis o Kluyveromyces lipolytica ) oxidan completamente el piruvato a dióxido de carbono y agua en un proceso llamado respiración celular ; por lo tanto, estas especies de levadura solo producen etanol en un ambiente anaeróbico (no mediante respiración celular). Este fenómeno se conoce como el efecto Pasteur .

Sin embargo, muchas levaduras, como la levadura de panadería Saccharomyces cerevisiae, de uso común , o la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe , fermentan en lugar de respirar, incluso en presencia de oxígeno, bajo ciertas condiciones. En la elaboración del vino, esto se conoce como el efecto contra-Pasteur. Estas levaduras producen etanol incluso en condiciones aeróbicas , si se les proporciona la nutrición adecuada. Durante la fermentación por lotes, la tasa de producción de etanol por miligramo de proteína celular alcanza su máximo durante un breve período al inicio del proceso y disminuye progresivamente a medida que el etanol se acumula en el caldo circundante. Los estudios demuestran que la eliminación de este etanol acumulado no restablece inmediatamente la actividad fermentativa y proporcionan evidencia de que la disminución en la tasa metabólica se debe a cambios fisiológicos (incluido el posible daño causado por el etanol) más que a la presencia de etanol. Se han investigado varias causas potenciales para la disminución de la actividad fermentativa. La viabilidad se mantuvo en o por encima del 90%, el pH interno se mantuvo cerca de la neutralidad y las actividades específicas de las enzimas glucolíticas y alcohologénicas (medidas in vitro) se mantuvieron elevadas durante toda la fermentación por lotes. Ninguno de estos factores parece estar causalmente relacionado con la disminución de la actividad fermentativa durante la fermentación por lotes.

La fermentación del etanol hace que la masa del pan suba. Los organismos de levadura consumen los azúcares de la masa y producen etanol y dióxido de carbono como productos de desecho. El dióxido de carbono forma burbujas en la masa, expandiéndola hasta formar una espuma. Después del horneado, queda menos del 2 % de etanol. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

En un avance contemporáneo, un grupo en Alemania ha estado haciendo lo contrario y convirtiendo pan duro en etanol. ^{[ 7 ]}

El etanol presente en las bebidas alcohólicas se produce mediante fermentación inducida por levaduras. Los licores se destilan a partir de granos , frutas , verduras o azúcar que ya han pasado por fermentación alcohólica.

Productos alcohólicos:

• Azúcares naturales presentes en las uvas;
  • Fermentados: El vino , la sidra y la perada se producen mediante una fermentación similar del azúcar natural de las manzanas y las peras , respectivamente; y otros vinos de frutas se producen a partir de la fermentación de los azúcares de cualquier otro tipo de fruta.
  • Licores: El brandy y los aguardientes (por ejemplo, el slivovitz ) se producen mediante la destilación de estas bebidas fermentadas a base de frutas .
• El hidromiel se produce mediante la fermentación de los azúcares naturales presentes en la miel .
• Almidones de grano convertidos en azúcar por la enzima amilasa , presente en los granos malteados ( germinados ) . Se pueden añadir otras fuentes de almidón (por ejemplo, patatas y grano sin maltear) a la mezcla, ya que la amilasa también actúa sobre estos almidones. En algunos países, también se puede fermentar con saliva mediante un proceso inducido por amilasa .
  • Fermentado: Cerveza
  • Licores: Whisky y, a veces, vodka . La ginebra y bebidas similares se producen mediante la adición de agentes aromatizantes a una materia prima similar al vodka durante la destilación.
• Almidones de grano de arroz convertidos en azúcar por el moho Aspergillus oryzae .
  • Fermentados: Vinos de arroz (incluido el sake )
  • Licores: Baijiu , soju y shōchū
• Melaza, producto de la caña de azúcar .
  • Licores: Ron

En todos los casos, la fermentación debe realizarse en un recipiente (por ejemplo, una esclusa de fermentación ) que permita la salida del dióxido de carbono e impida la entrada de aire exterior. Esto se debe a que la entrada de aire exterior podría contaminar la bebida por el riesgo de bacterias u hongos , y la acumulación de dióxido de carbono podría provocar la rotura del recipiente.

La fermentación con levadura de diversos productos de carbohidratos también se utiliza para producir el etanol que se añade a la gasolina .

La principal materia prima para la producción de etanol en las regiones más cálidas es la caña de azúcar . ^{[ 8 ]} En las regiones templadas, se utilizan maíz o remolacha azucarera . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

En Estados Unidos, la principal materia prima para la producción de etanol es actualmente el maíz. ^{[ 8 ]} Aproximadamente 2,8 galones de etanol se producen a partir de un bushel de maíz (0,42 litros por kilogramo). Si bien gran parte del maíz se convierte en etanol, también produce subproductos como DDGS (granos secos de destilería con solubles) que pueden utilizarse como alimento para el ganado. Un bushel de maíz produce alrededor de 18  libras de DDGS (320 kilogramos de DDGS por tonelada métrica de maíz). ^{[ 10 ]} Aunque la mayoría de las plantas de fermentación se han construido en regiones productoras de maíz, el sorgo también es una materia prima importante para la producción de etanol en los estados de las Grandes Llanuras. El mijo perla se muestra prometedor como materia prima para la producción de etanol en el sureste de Estados Unidos y se está estudiando el potencial de la lenteja de agua . ^{[ 11 ]}

En algunas partes de Europa, particularmente en Francia e Italia, las uvas se han convertido de facto en materia prima para la producción de etanol combustible mediante la destilación del vino sobrante . ^{[ 12 ]} También se pueden utilizar bebidas azucaradas sobrantes. ^{[ 13 ]} En Japón, se ha propuesto utilizar el arroz que normalmente se utiliza para elaborar sake como fuente de etanol. ^{[ 14 ]}

La fermentación del etanol produce subproductos no aprovechados como calor, dióxido de carbono, alimento para el ganado, agua, metanol, combustibles, fertilizantes y alcoholes. ^{[ 17 ]} Los residuos sólidos no fermentados de cereales del proceso de fermentación, que pueden utilizarse como alimento para el ganado o en la producción de biogás , se denominan granos de destilería y se venden como WDG ( granos de destilería húmedos ) y DDGS ( granos de destilería secos con solubles) , respectivamente.

• Levadura
  • Saccharomyces cerevisiae
  • Schizosaccharomyces
• Zymomonas mobilis (una bacteria)