La fermentación alcohólica , también llamada fermentación del etanol , 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 es escaso. [1]
La fermentación del etanol es la base de las bebidas alcohólicas , el combustible de etanol y la fermentación de la masa del pan .
Las ecuaciones químicas que se muestran a continuación resumen la fermentación de la 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, lo que produce 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 rompe el enlace glucosídico 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 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:
catalizada por la piruvato descarboxilasa
Esta reacción es 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 moléculas de agua mediante fosforilación a nivel de sustrato .
La fermentación del azúcar a etanol y CO2 también puede ser realizada por Zymomonas mobilis , sin embargo, la vía 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 por fermentación, pero a menudo solo como un producto secundario. Algunos ejemplos son [4]
La fermentación no requiere oxígeno. Si hay oxígeno presente, algunas especies de levadura (por ejemplo, Kluyveromyces lactis o Kluyveromyces lipolytica ) oxidarán el piruvato por completo a dióxido de carbono y agua en un proceso llamado respiración celular , por lo que estas especies de levadura producirán etanol solo en un entorno anaeróbico (no respiración celular). 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 , en determinadas condiciones fermentan en lugar de respirar, incluso en presencia de oxígeno. En la elaboración del vino, esto se conoce como el 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 restaura inmediatamente la actividad fermentativa, y proporcionan evidencia de que la disminución de la tasa metabólica se debe a cambios fisiológicos (incluido el posible daño al etanol) en lugar de a la presencia de etanol. Se han investigado varias causas potenciales para la disminución de la actividad fermentativa. La viabilidad se mantuvo en un 90% o más, el pH interno se mantuvo cerca de la neutralidad y las actividades específicas de las enzimas glucolíticas y alcohologénicas (medidas in vitro) se mantuvieron altas durante toda la fermentación discontinua. Ninguno de estos factores parece estar relacionado causalmente 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 los azúcares de la masa y producen etanol y dióxido de carbono como desechos. 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 opuesto y convirtiendo el pan duro en etanol. [7]
El etanol contenido en las bebidas alcohólicas se produce mediante fermentación inducida por levaduras. Los licores se destilan a partir de cereales , frutas , verduras o azúcar que ya han pasado por la fermentación alcohólica.
Productos alcohólicos:
En todos los casos, la fermentación debe realizarse en un recipiente (por ejemplo, una esclusa de fermentación ) que permita que escape el dióxido de carbono y evite que entre aire exterior. Esto se debe a que dejar entrar aire exterior podría contaminar la infusión debido al riesgo de bacterias o moho , y una acumulación de dióxido de carbono podría provocar la ruptura del recipiente. [ cita requerida ]
La fermentación de levadura de diversos productos de carbohidratos también se utiliza para producir el etanol que se agrega a la gasolina .
La materia prima dominante para el 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 los Estados Unidos, la principal materia prima para la producción de etanol es actualmente el maíz. [8] 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 se pueden utilizar 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 llanuras. El mijo perlado se muestra prometedor como materia prima de etanol para el sureste de los EE. UU. 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 en una materia prima de facto para la producción de etanol combustible mediante la destilación del excedente de vino . [12] También se pueden utilizar los excedentes de bebidas azucaradas. [13] En Japón, se ha propuesto utilizar el arroz que normalmente se utiliza para hacer sake como fuente de etanol. [14]
El etanol se puede fabricar a partir de aceite mineral o de azúcares o almidones. Los almidones son los más baratos. El cultivo almidonado con mayor contenido energético por acre es la mandioca , que crece en los países tropicales.
En el decenio de 1990, Tailandia ya contaba con una importante industria de la mandioca, que se utilizaba como forraje para el ganado y como aditivo barato para la harina de trigo. Nigeria y Ghana ya están creando plantas de transformación de mandioca en etanol. La producción de etanol a partir de mandioca es actualmente económicamente viable cuando los precios del petróleo crudo superan los 120 dólares por barril.
Se están desarrollando nuevas variedades de yuca, por lo que la situación futura sigue siendo incierta. Actualmente, la yuca puede rendir entre 25 y 40 toneladas por hectárea (con riego y fertilizantes), [15] 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 [16] MJ de energía. La eficiencia energética general de la conversión de raíces de yuca a 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. [17] Los residuos sólidos de cereales no fermentados del proceso de fermentación, que se pueden utilizar 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)