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El etanol y la química de la fermentación

Los procesos de fermentación relacionados con la producción de pan, vino y bebidas alcohólicas están entre las técnicas químicas mas antiguas. Aunque estas técnicas fueron conocidas por siglos, no es hasta el siglo XIX en el que fueron interpretadas por los químicos como una ciencia. Para 1810 Gay-Lussac descubre la ecuación general de la ruptura del azúcar en etanol y dióxido de carbono. Se hicieron muchas conjeturas, hasta que a mediados de siglo Pasteur estudiara mas a fondo los procesos y publicara sus resultados en 1857 y 1866. Él demostró que en estos procesos hacía falta una levadura.


Por muchos años los científicos creyeron que había una inseparable relación entre la ruptura del azúcar en alcohol y dióxido de carbono y la actividad de las células de organismos vivos. Para 1897 Bücher demuestra que un extracto de la levadura llevaba a cabo el proceso sin la presencia de organismos vivos y la idea fue abandonada. La actividad fermentativa de la levadura estaba dada por la notable actividad catalítica de origen bioquímico de la enzima Zimasa.

Hoy en día se sabe que la mayoría de los procesos transformativos que se desarrollan en las células vivas se deben a enzimas.

Las enzimas son compuestos orgánicos, generalmente proteínas, que en el presente son objeto de muchas investigaciones para conocer sus estructuras y los mecanismos de acción en los procesos activos en los que están envueltas. Ahora se conoce que la zimasa en un conjunto de por lo menos 22 enzimas separadas, cada una de las cuales cataliza una etapa en particular del desarrollo del proceso general de fermentación.

Las enzimas tienen una extraordinaria especificidad, cada una actúa sobre un compuesto específico, o al grupo de sustancias relacionadas cercanamente en el grupo de compuestos. Así por ejemplo, la zimasa actúa solo sobre un grupo selecto de azúcares y no sobre todos los carbohidratos.

Fuentes de azúcares para el etanol

Las fuentes principales para la producción de etanol son varios almidones y las melazas residuales de la producción de azúcar de caña.

Producción a partir de almidón

El maíz es la principal fuente de almidón en los Estados Unidos y el alcohol etílico hecho de maíz se conoce comúnmente como grain alcohol.

Para la fabricación de alcohol desde el maíz, los granos se muelen y cuecen para formar la masa (mash). A la masa se le agrega la enzima diastasa en forma de malta. La malta no es mas que cebada germinada que se ha secado al aire a 40°C y reducida a polvo. En otros casos se usa la adición de ciertos mohos, como el Aspergillus oryzae.

La mezcla se mantiene tibia a 40°C hasta que todo el almidón se ha convertido en el azúcar maltosa, momento en el cual la solución se conoce como wort.


El wort se enfría a 20°C, se diluye con agua hasta un 10% de maltosa y se le agrega la levadura madre. La levadura madre es generalmente una cepa de Saccharomyces cervisiae. La levadura segrega dos sistemas de enzimas: la maltasa que convierte la maltosa en glucosa, y la zimasa que es la encargada de convertir la glucosa en dióxido de carbono y alcohol. Durante el proceso se genera calor por lo que hay que mantenerlo refrigerado a menos de 35°C para evitar la destrucción de las enzimas. Inicialmente se requiere abundante oxígeno para la reproducción óptima de las células de la levadura, mas sin embargo, el proceso se hace anaeróbico (sin aire) ya que la producción de CO2 pronto establece condiciones anaeróbicas al proceso de fermentación. Si este se deja con acceso libre a oxígeno solo se producirá dióxido de carbono y agua.

Después de 40 a 60 horas la fermentación se completa y el producto se destila para separar el alcohol de la materia sólida. La destilación se realiza en una torre de destilación fraccionada. Primeramente se obtiene una pequeña cantidad de acetaldehído que tiene un punto de ebullición de 21°C y luego la fracción con 95% de alcohol. Las fracciones menos volátiles conocida como fusel oil son mezclas complejas de alcoholes superiores y varía considerablemente de acuerdo a la materia prima utilizada. Estos alcoholes superiores no son producto de la fermentación de la glucosa, ellos se obtienen de la degradación de los aminoácidos de las proteínas presentes en el material original y de la propia levadura. El fusel oil es el responsable de los dolores de cabeza asociados con la ingestión de bebidas alcohólicas. No es posible producir soluciones de alcohol en agua a concertaciones mayores del 95% por destilación ya que estos componentes forman una mezcla azeotrópica con esa concentración.

Producción a partir de melazas

El proceso para la producción de alcohol desde las melazas de la caña de azúcar es en esencia el mismo que partiendo desde el almidón. La diferencia principal es que el azúcar contenido en las melazas es la sacarosa. La sacarosa es un disacárido constituido por una molécula de glucosa y una de fructuosa mientras que la maltosa (producida desde el almidón) está formada por dos moléculas de glucosa.

La enzima invertasa es la que se usa para desdoblar la molécula de sacarosa y la zimasa para convertir los azúcares simples obtenidos, en dióxido de carbono y  etanol.

La fermentación se inhibe por su producto final, el etanol, por lo que no es posible obtener por este método rendimientos mayores de 10 a 15% de alcohol. Para lograr concentraciones mayores la mezcla final debe ser sometida a la destilación fraccionada al igual que en el proceso de producción a partir de almidones.

Para la fermentación se diluye la melaza en agua hasta una concentración de un 11-12% de sacarosa, se agrega la levadura y la solución se abandona a la fermentación a temperatura entre 30 y 35°C. El proceso debe realizarse de forma anaeróbica, si hay oxígeno presente el etanol continua su transformación y se oxida a ácido acético y en todo caso, al final, a dióxido de carbono y agua. Usualmente la fermentación termina entre 7 y 10 días.

Etanol producido en casa

Si quiere usted producir su propio etanol para hacer licores saborizados u otras bebidas alcohólicas, puede partir de las materias primas descritas arriba, pero también puede hacerlo partiendo de azúcar de mesa (sacarosa), esta fuente brindará un alcohol mas "limpio" ya que no debe haber proteínas presentes y por tanto la producción de los indeseables alcoholes superiores será mucho menor.

Un proceso que puede seguirse es el siguiente:
  1. Disuelva la sacarosa en agua hasta una concentración del 12% de azúcar (114 g por cada litro de agua). Coloque la mezcla en un recipiente de boca estrecha preferiblemente de vidrio o acero inoxidable (figura 1).
  2. Disuelva en un poco de agua tibia 12 g de levadura de pan seca y agréguela al recipiente con el azúcar disuelta. Remueva bien la mezcla.
  3. Cierre el recipiente con un tapón de goma con un agujero en el centro. Pase un tubo apretado por el agujero del tapón de forma que el extremo quede por encima del líquido. Meta el otro extremo en un recipiente con agua a fin de hacer una "trampa" que permita la salida del dióxido de carbono pero no deje entrar el aire. (figura 2).
  4. Abandone el sistema a fermentar en un lugar tibio por una semana o más. La fermentación habrá terminado cuando no haya burbujeo apreciable de gases en la trampa.
  5. Decante el líquido resultante a otro recipiente con cuidado para no perturbar el sedimento formado.
  6. Ponga el líquido resultante a destilar muy lentamente. Si se produce ebullición intensa en el líquido, el resultado será el arrastre de partículas del material original sin destilar, lo que puede dar un mal sabor al alcohol, además de arrastrar sustancias que pueden ser nocivas. Para la destilación puede montar un sistema como el que se muestra esquemáticamente en la figura 3 adaptado a sus posibilidades.
  7. Cuando la destilación comience el termómetro debe marcar alrededor de 78°C (mezcla con sobre el 90% de etanol), la temperatura irá luego incrementando a medida que el alcohol destila y al mismo tiempo las siguientes fracciones tendrán mas agua y menos alcohol. Si quiere una mezcla con alrededor de 88-89 % de etanol, destile hasta que la temperatura llegue a 88°C y descarte el resto del líquido. Obtendrá aproximadamente un 3 % de fracción destilada en relación al líquido original.  La destilación se puede continuar durante mas tiempo para extraer mas destilado con menor proporción de alcohol.
El destilado obtenido hasta 88°C puede tener muy pequeñas cantidades de otras sustancias como el acetaldehído (aprox 0.06%), alcoholes superiores (aprox 0.24%), metanol (aprox 0.04%). Las cantidades de alcoholes superiores se incrementan a medida que se extiende la destilación. Si se desecha la primera parte del destilado, las proporciones de acetaldehído y metanol se reducen considerablemente. Como material inerte para la columna de fraccionamiento puede utilizar estopa de acero inoxidable, trocitos de vidrio etc.

Alambique de laboratorio

Figura 3. Esquema de la destilación

figura 1
Figura 1.
Recipiente de vidrio de 20 litros

figura 2

Figura 2.
Esquema de como evitar la entrada de aire


Temas relacionados:
El ron.
Licores saborizados.
Destilación fraccionada.

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