La fermentación del etanol , 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 los peces de colores y las carpas ) donde (junto con la fermentación del ácido láctico) proporciona energía cuando el oxígeno escasea. [1]
La fermentación del etanol es la base para la fermentación de bebidas alcohólicas , combustible de etanol y masa de pan .
Las ecuaciones químicas siguientes resumen la fermentación de sacarosa (C 12 H 22 O 11 ) en etanol (C 2 H 5 OH). 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.
La sacarosa es un azúcar compuesto por una glucosa unida a una fructosa. En el primer paso de la fermentación alcohólica, la enzima invertasa escinde el enlace glicosídico entre las moléculas de glucosa y fructosa.
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 ecuación:
CH 3 COCOO − es piruvato y Pi es fosfato inorgánico . Finalmente, el piruvato se convierte en etanol y CO 2 en tres pasos, regenerando el NAD+ oxidado necesario para la glucólisis:
catalizado por piruvato descarboxilasa
catalizado por la aldehído deshidrogenasa
Esta reacción está catalizada por la alcohol deshidrogenasa (ADH1 en la levadura de panadería). [3]
Como lo 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 de agua mediante fosforilación a nivel de sustrato .
Zymomonas mobilis también puede realizar la fermentación de azúcar a etanol y CO 2 , sin embargo, el camino es ligeramente diferente ya que la formación de piruvato no ocurre por glucólisis sino por la vía de Entner-Doudoroff . Otros microorganismos pueden producir etanol a partir de azúcares mediante fermentación, pero a menudo sólo como producto secundario. Algunos ejemplos son [4]
La fermentación no requiere oxígeno. Si hay oxígeno presente, algunas especies de levadura (p. ej., Kluyveromyces lactis o Kluyveromyces lipolytica ) oxidarán completamente el piruvato a dióxido de carbono y agua en un proceso llamado respiración celular , por lo que estas especies de levadura producirán etanol sólo en un ambiente anaeróbico (no celular). respiración). Este fenómeno se conoce como efecto Pasteur .
Sin embargo, muchas levaduras, como la levadura de panadería Saccharomyces cerevisiae de uso común o la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe , bajo ciertas condiciones, fermentan en lugar de respirar incluso en presencia de oxígeno. En la elaboración del vino, esto se conoce como efecto contra Pasteur. Estas levaduras producirán etanol incluso en condiciones aeróbicas , si se les proporciona el tipo de nutrición adecuado. Durante la fermentación discontinua, la tasa de producción de etanol por miligramo de proteína celular es máxima durante un breve período al principio de este 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 de la tasa metabólica se debe a cambios fisiológicos (incluido el posible daño del etanol) más que a la presencia de etanol. Se han investigado varias causas potenciales de la disminución de la actividad fermentativa. La viabilidad se mantuvo en o por encima del 90%, el pH interno permaneció cerca de la neutralidad y las actividades específicas de las enzimas glicolíticas y alcohológenas (medidas in vitro) se mantuvieron altas durante toda la fermentación discontinua. Ninguno de estos factores parece estar causalmente relacionado con la caída de la actividad fermentativa durante la fermentación discontinua.
La fermentación del etanol hace que la masa del pan suba. Los organismos de levadura consumen 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]
El etanol contenido en las bebidas alcohólicas se produce mediante fermentación inducida por levaduras.
En todos los casos, la fermentación debe tener lugar en un recipiente que permita que el dióxido de carbono escape pero evite que entre aire exterior. Esto es para reducir el riesgo de contaminación de la cerveza por bacterias o moho no deseados y porque la acumulación de dióxido de carbono crea un riesgo. el recipiente se romperá o fallará, posiblemente causando lesiones o daños a la propiedad. [ cita necesaria ]
La fermentación por levadura de diversos productos de carbohidratos también se utiliza para producir el etanol que se agrega a la gasolina .
La materia prima de etanol dominante en las regiones más cálidas es la caña de azúcar . [7] En las regiones templadas se utiliza maíz o remolacha azucarera . [7] [8]
En Estados Unidos, la principal materia prima para la producción de etanol es actualmente el maíz. [7] Se producen aproximadamente 2,8 galones de etanol a partir de un bushel de maíz (0,42 litros por kilogramo). Si bien gran parte del maíz se convierte en etanol, parte del maíz también produce subproductos como DDGS (granos secos de destilería con solubles) que pueden usarse 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). [9] 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 Llanuras. El mijo perla se muestra prometedor como materia prima de etanol para el sureste de Estados Unidos y se está estudiando el potencial de la lenteja de agua . [10]
En algunas partes de Europa, particularmente en Francia e Italia, las uvas se han convertido de facto en una materia prima para el etanol combustible mediante la destilación del excedente de vino . [11] También se pueden utilizar excedentes de bebidas azucaradas. [12] En Japón, se ha propuesto utilizar arroz normalmente convertido en sake como fuente de etanol. [13]
El etanol se puede producir a partir de aceite mineral o de azúcares o almidones. Los almidones son los más baratos. El cultivo amiláceo con mayor contenido energético por acre es la yuca , que crece en los países tropicales.
Tailandia ya tenía una gran industria de la yuca en la década de 1990, para su uso como alimento para el ganado y como mezcla barata para la harina de trigo. Nigeria y Ghana ya están estableciendo plantas de conversión de yuca en etanol. La producción de etanol a partir de yuca es actualmente económicamente viable cuando los precios del petróleo crudo superan los 120 dólares EE.UU. por barril.
Se están desarrollando nuevas variedades de yuca, por lo que la situación futura sigue siendo incierta. Actualmente, la yuca puede producir entre 25 y 40 toneladas por hectárea (con riego y fertilizante) [14] y a partir de una tonelada de raíces de yuca se pueden producir alrededor de 200 litros de etanol (suponiendo que la yuca tenga un contenido de almidón del 22%). Un litro de etanol contiene alrededor de 21,46 [15] MJ de energía. La eficiencia energética general de la conversión de raíz de yuca en etanol es de alrededor del 32%.
La levadura utilizada para procesar la yuca es Endomycopsis fibuligera , a veces utilizada junto con la bacteria Zymomonas mobilis .
La fermentación del etanol produce subproductos no cosechados como calor, dióxido de carbono, alimento para el ganado, agua, metanol, combustibles, fertilizantes y alcoholes. [16] Los residuos sólidos no fermentados del proceso de fermentación de cereales, que pueden usarse 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.
![{\displaystyle {\ce {C12H22O11{}+H2O->[{\text{Invertasa}}]2C6H12O6}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d5b821ec8da4bd9dd7f6dec5ee66a5d04390a13c)