CAPÍTULO 1

Instituto Tecnológico de Veracruz

1. Marco teórico.

1.1. Ácido acético y Vinagre: Generalidades y Obtención

El ácido acético de fórmula CH3-COOH también llamado ácido etanoico, es un

ácido orgánico y uno de los más importantes de su clase. Ácido débil con una pKa

de 4.76 y peso atómico de 60.5g/mol (Perry, 2002). La tabla 1.1 muestra las

propiedades fisicoquímicas del ácido acético.

Tabla 1.1 – Propiedades fisicoquímicas del ácido acético

Propiedad ValorMasa molar (ggmol-1) 60.05Densidad (gcm-3) 1.049Solubilidad en agua (%) 100Temperatura de ebullición (ºC)

118.05

Temperatura de fusión (ºC)

16.85

Pka 4.76Solubilidad en agua MiscibleAcidéz (pKa) 4.76 a 25Viscosidad (cpp) 1.22

Fuente: Perry, 2002

Es utilizado como precursor de una gran variedad de productos en la industria

química, como en la fabricación de plásticos como PET, Polímero de alcohol vinil

etileno, Solventes, tintas, y otros intermediarios para la industria farmacéutica y

petroquímica . La Tabla 1.2 muestra los usos del ácido acético.

1


Tabla 1.2- Usos del ácido acético sintético.

Intermediario Usos% mundial de ácido acético

utilizado.

Monómero de Acetato de Vinilo(VAM)

Polímero de alcohol vinil etileno (EVOH), utilizado en la fabricación de botellas de plástico, películas

envolventes.Cerca del 40 %

Ácido tereftálico(PTA)

Tereftalato de polietileno (PET), utilizado en resinas y fibras de

poliéster.Más del 17%

Ésteres de acetatoSolventes, tintas, recubrimientos y

gran variedad de procesos químicos.

17%

Anhídrido acético

Acetato de celulosa y otros textiles, ácido acetil salicílico (aspirina) y acetomminofén

(paracetalmol)

17%

Fuente: Chemical Information Service (ICIS), 2010 (página electrónica).

La tabla 1.3 muestra las vías químicas para la obtención de ácido acético (Plotkin

y Song, 2003).

Tabla 1.3- Diversos método en la síntesis química del ácido acético (P=

presión; T= temperatura; Cat.=Catalizador)

Proceso Reacción Condiciones

Monsanto

CH3OH + CO----> CH3-COOH

P== 34 atmT= 180ºC

Cat.= Yoduro de Rodio

Proceso Celanase

P= 20 a 60 atmT= 150 a 200ºC

Cat.= Yoduro de Rodio

Showa Denko

CH2 = CH2 + O2 ----> CH3-COOHP= 40atm

T= 160-210Cat.= Paladio

2


Continuación tabla 1.2.

Proceso Cativa

CH3OH + CO----> CH3-COOHP = 21 atmT = 190ºCCat.= Iridio

Oxidación de

acetaldehído

CH3-CHO + 0.5O2 ----> CH3-COOH

P=50 atmT=150

Cat.= de Co, Mn o Cr

Fuente: Propia, a partir de Plotkin y Song, 2003; Jones, 2000; Chauvel y Lefebvre

1989.

En la industria alimenticia se encuentra contenido en el vinagre, que es usado

como condimento o como medio conservador.En éste el contenido de ácido

acético depende de varios factores; tipo de elaboración (artesanal, industrial), el

método de cultivo (continuo, semicontinuo, lote, entre otros.), el microorganismo

empleado, y la materia prima utilizada. Por ejemplo, los vinagres de malta tienen

un porcentaje de acidez ( p/v) de 4.3 a 5.9, mientras que los de sidra y vino de 3.9

a 9 y 4.4 a 7.4 respectivamente. El porcentaje mínimo de ácido acético contenido

en el vinagre, depende de las normas establecidas de cada país. Por ejemplo en

Estados Unidos de América, la FDA (Food and Drug Administration;

Administración de Drogas y Alimentos) establece un contenido mínimo de 4% p/v

(Solari, 2009). En México la norma mexicana, NMX-F- 122- 1968 define

estrictamente al vinagre como “el producto obtenido de la fermentación acética de

3


líquidos, a determinada concentración, provenientes de jugos de frutas sanas y

maduras, cereales, vinos o alcohol potable”, estableciendo un porcentaje mínimo

de acidez de 4 %v/v. Dependiendo de la zona geográfica, los vinagres se

elaboran de una variedad de productos agrícolas como manzanas, uvas, peras,

piñas, algunas hortalizas e inclusive de origen animal, la tabla 1.4 muestra algunas

variedades de vinagre y su procedencia.

Tabla 1.4 - Diferentes tipos de vinagres y su procedencia

Categoria Materia prima

Producto de la primera

fermentación

Vinagre Procedencia

Vegetales

Arroz Moromi Komesu Japón

Malta Cerveza Vinagre de

malta

Europa, EUA.

Cebada Cerveza Vinagre de

cerveza

Alemania, Australia y Holanda

Frutas CañaAlcohol de

caña, etanol.

Vinagre de

caña.

Américas, Japón,

Francia, Filipinas

Fuente: Modificado de Solari, 2008

Obtención de ácido acético por vía fermentativa (vinagre).

Como se mencionó, el ácido acético es el principal componente del vinagre,

teniendo una concentración mínima de 4 % (v/v) de acidez. A grandes rasgos, se

4


obtiene a partir de una fermentación aeróbica utilizando una bacteria del género

Acetobacter, la cual emplea como fuente principal de carbono al etanol

proveniente de una fermentación alcohólica anterior.

El proceso se centra en dos etapas fundamentales:

1.-La fermentación de los carbohidratos contenidos en la materia prima para

producir etanol empleando a la levadura Saccharomyces cerevisiae.

2.- La oxidación del etanol obtenido, utilizando una bacteria del género

Acetobacter (No todos los vinagres son producidos por Acetobacter, existen

géneros como Gluconobacter y otros que son específicas para algún determinado

vinagre)

El vinagre ha sido producido desde épocas antiguas, sin embargo los avances

científicos durante el renacimiento y la revolución industrial mejoraron los procesos

de producción y se llegó a comprender el origen biológico del mismo en el siglo

XIX (Mazza y Murooka, 2009). Los métodos anteriores al cultivo sumergido se

clasifican como métodos superficiales, ya que las bacterias y el aire, no están en

contacto íntimo dentro del caldo de fermentación, sino que se encuentran

suspendidas en la interfase líquida/gas. Los avances de la Ingeniería Bioquímica

después de la Segunda Guerra Mundial condujeron a la construcción de

biorreactores, (llamados “Acetators”), para la producción del vinagre por método

sumergido (Conner y Allgeier 1976, citado por Laguno, 1991.).

La fermentación aeróbica (oxidación) se completa mediante dos reacciones; en la

primera se produce acetaldehído a partir de etanol, catalizada por la enzima

alcohol deshidrogenasa y la segunda es la conversión del acetaldehído para

5


formar ácido acético, esta última reacción catalizada por la aldehído

deshidrogenasa.

La figura 1.1 muestra las reacciones necesarias para la formación de ácido acético

en bacterias Acetobacter.

Alcohol deshidrogenasa Aldehído deshidrogenasa

CH3CH2OH CH3CHO CH3COOH + H2O

NAD+ NADH + H+ NAD+ NADH + H+

Figura 1.1 – Reacciones enzimáticas involucradas en la formación de ácido

acético a partir de etanol (tomado de Parés y Juárez, 2002).

El proceso requiere de la oxidación del etanol por una bacteria Gram negativa del

género Acetobacter. Dicha oxidación se lleva a cabo en presencia de grandes

cantidades de oxígeno y a pH muy bajo. Como se observa en la figura 1.1, las dos

reacciones forman 2H+, y duna moléculas de H2O. (Parés y Juárez, 2002).

La producción de vinagre puede variar dependiendo de la materia prima o el tipo

de vinagre que se pretende obtener, sin embargo dicho proceso es esencialmente

el mismo: preparar un sustrato alcohólico que luego es oxidado, separado y

acondicionado para obtener un producto final (García et al., 2009). La figura 1.2

muestra a grandes rasgos las operaciones que se requieren para producir vinagre.

Las etapas posfermentativas o de purificación incluyen: clarificación,

envejecimiento, estabilización y envasado. La etapa de purificación relevante es la

6


clarificación, debido a que implica separar del medio de cultivo la biomas y los

sólidos suspendidos propios de la materia prima.

Figura 1.2 – Esquema general en la producción de vinagre. (Adaptación de

García, et al. 2009).

Entre los diferentes métodos de clarificación, se encuentran la adición de

clarificantes químicos, la floculación, la centrifugación y la ultrafiltración. Algunos

de estos métodos pueden ser complementarios o excluyentes entre sí,

dependiendo de las características del vinagre (Ormachea, 1991).

1.2. Etanol: Generalidades y Obtención

El etanol, o alcohol etílico es un líquido, claro, sin color, inflamable, olor etéreo y

miscible en agua y en diferentes líquidos orgánicos, (Perry, 2002). Es un alcohol

de cadena lineal, y su fórmula química condensada es C2H5OH. Los alcoholes se

caracterizan porque tienen un grupo hidroxilo (-OH) unido a un carbono. La tabla

1.5 resume las propiedades fisicoquímicas del etanol. Es en el siglo X, cuando

alquimistas árabes describen la destilación del alcohol en condiciones

equivalentes a las que usaban para producir perfumes y cosméticos por

destilación de flores. Es así que, la palabra alcohol deriva del árabe al-kuhul, que

7

Preparación de la materia

prima

Fermentación alcohólica

Fermentación aerobia

Tratamientos

Posfermen-

tativos.


significa maquillaje para ojos. El etanol es producido por la fermentación de

azúcares, y por síntesis química proveniente de derivados del petróleo. El uso de

este compuesto, se destina a tres industrias: energéticos (como carburante),

bebidas embriagantes, en la química como disolvente y como antiséptico en el

área de salud.

En la industria de bebidas embriagantes, se obtiene como el producto de una

fermentación de azúcares provenientes de alguna materia prima, empleando una

levadura del género Saccharomyces. La elaboración de estas bebidas data desde

hace milenios, en el Oeste de Irán, se han encontrado indicios de alcohol de

malta en recipientes de barro, que datan desde el año 3500 antes de Cristo

(Hutkins, 2006).

Tabla 1.5- Propiedades fisicoquímicas del etanol

Propiedad ValorMasa molar (ggmol-1) 46.07Temperatura de ebullición(ºC)

78

Temperatura de fusión (ºC) -114Densidad (gcm-3) 0.785Solubilidad en agua MiscibleAcidez (pKa) 15.9Viscosidad (cc) 1.07

Fuente: Propia, a partir de Perry, 2002

En la industria energética es empleado como carburante, y es obtenido (al igual

que en la industria de bebidas) por vía fermentativa. En esta industria se emplean

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tres tipos de materia prima; caña de azúcar (jugos o melazas), productos

amiláceos (maíz, papa, yuca), o lignocelulósicos (bagazo). El uso del etanol como

combustible inició en los años 70 durante la crisis energética, ya que la oferta

disminuyó y los precios de las gasolinas aumentaron casi al 100%. Desde esa

época su uso como carburante se ha incrementado en gran medida sobre todo en

países como Estados Unidos y Brasil. El etanol se utiliza para aumentar el

octanaje de la gasolina y mejorar la calidad de sus emisiones, como mezcla E10

(10% etanol, y el resto gasolina), pero puede usarse a concentraciones mayores

(Mezclas E20, E85 y E95), o directamente en su forma anhidra (Salinas y Gasca,

2010).

En industria química, se emplea para producir diversos compuestos de cadena

lineal; de manera global, se pueden clasificar estos compuestos como derivados

de etileno, derivados de acetaldehído, y otros productos químicos derivados

directos del etanol. A partir de estos compuestos se pueden utilizar en la

fabricación de diferentes productos: fibras sintéticas, tenso activos, pinturas,

barnices, conductos, tuberías, plásticos, solventes, filtros de cigarros, aislantes

eléctricos, absorbentes de gases entre otros.

Obtención de Etanol.

Como ya se mencionó existen dos formas de producción de etanol a nivel

industrial: síntesis química y por vía químico-biológica (fermentativa).

Síntesis química.

9


La síntesis química de etanol se realiza a partir de etileno, se realiza de dos

maneras, la primera implica la adición de ácido sulfúrico seguida por la hidrólisis

de los esteres que se forman, y la segunda es la hidratación directa. La tabla 1.6

muestra los dos métodos en la hidratación del etileno para formar etanol.

Tabla 1.6 – Procesos de obtención de etanol a partir de síntesis química

Proceso Reacción Condiciones

Hidrataciónindirecta

del etileno.

a) CH2= CH2 + H2SO4---->C2H5O + SO3H

b) C2H4O -SO3 H+ H2O---->C2H5OH+ H2SO4

P=12 a 14atmT= 80ºC

Hidratación directa del

EtilenoCH2= CH2 + H20 ----> CH3-CH2OH

P=7 atmT=300°C

El catalizador empleado es ácido fosfórico

Fuente: Propia, a partir de Chauvel y Lefebvre 1986.

Vía fermentativa.

La vía fermentativa es la más empleada en el mundo, el 95% es producido por

este método (Myers, 2007). En dicho método se emplea el azúcar de la materia

prima la cual es convertida a etanol por la levadura Saccharomyces cerevisiae.

10


Las materias prima para la producción de etanol pueden ser de diferentes tipos

como ya se mencionó; directamente fermentables (sacarosa, glucosa, fructosa),

amiláceos (almidón), o lignocelulósicos (bagazo de caña, agave, entre otros).

El proceso de la producción de etanol varía según la materia prima utilizada, ya

que la disponibilidad de azúcares no es la misma, por ejemplo, para obtener

glucosa a partir del almidón del maíz, se requiere de un pretratamiento de

hidrólisis. La figura 1.3 y 1.4 muestran los procesos para la producción de etanol a

partir de de caña de azúcar y de maíz respectivamente.

El proceso a partir de caña de azúcar se inicia con el lavado de ésta empleando

agua a una temperatura de 40ºC, después es sometido a una molienda donde se

extrae el jugo azucarado, obteniéndose bagazo como residuo. El jugo se somete a

un clarificado en el que se agregan óxido de calcio y ácido sulfúrico, y después es

enviado a la fermentación. Se somete a la fermentación con Saccharomyces

cerevisiae (los gases formados durante la fermentación son retirados a una torre

de adsorción en dónde se recupera el 98% de etanol arrastrado), que es

continuamente recirculada desde una centrífuga ubicada aguas abajo del

fermentador.

Para concentrar el etanol se usa dos destilaciones, la primera remueve el CO2

disuelto y la mayoría de agua, obteniéndose un destilado con un 50% en peso de

etanol. La segunda columna concentra el etanol hasta un 95% en peso, para

después ser removido por adsorción en fase vapor por dos lechos de tamices

moleculares. El producto de la regeneración de los tamices es recirculado a la

segunda columna de destilación moleculares (Montoya, et al. 2004)

11


Figura 1.3 - Diagrama del proceso de obtención de etanol anhidro a partir de caña de azúcar (Montoya, et al. 2004)

12

CañaLavado Molienda Clarificación Fermentación

Absorció

Centrífuga

Tren de Evaporación

Filtro rotatorio

Agua

Bagazo

Cachaza

Condensados Vinazas concentradas

Agua

Agua

Agua

Columna Desti-

lación 1

Columna Desti-

lación 2

Adsorción

Etanol anhidro

.


Figura 1.4 - Diagrama del proceso de obtención de etanol anhidro a partir de maíz

(Montoya, et al. 2004).

*DDGS = traducido del inglés, Dried Distillers Grains with Solubles, como Granos Secos de Destileria con Solubles.

13

SecadoDDGS*

Agua

Agua

Impurezas

Agua

Maíz

Lavado Molienda LicuefacciónSacarifi-cación y fermen-tación

1° efecto de evaporación

Levadura y enzima

Centrífuga2° Efecto de evaporación

Absorción

Columna 1

Columna 2

Adsorción

Etanol anhidro.

Condensados


En la figura 1.4 se muestra el proceso para la producción de etanol a partir de

maíz. El grano es molido hasta un tamaño de 3 a 5mm, posteriormente se retiran

impurezas. Al grano molido se le debe agregar agua caliente con el fin de obtener

una mezcla con no más de 40% en sólidos, apta para licuefacción. Se somete a

una licuefacción en donde se emplean α – amilasas para convertir las cadenas

de amilosa y amilopectinas en dextrinas. Posteriormente se pasa la mezcla a un

equipo de cocción en el que se logra solubilizar el almidón a 110°C.

La masa obtenida es enviada a la segunda etapa de licuefacción en la que se

convierte por completo el almidón a dextrinas. La licuefacción se realiza a 88°C.

La masa licuada es mezclada con una porción de vinazas ligeras provenientes del

área de tratamiento de efluentes con el fin de controlar el pH entre 4 y 5. La masa

es también mezclada con agua proveniente de la sección de destilación, para

disminuir el porcentaje de sólidos que entran a fermentación.

La sacarificación y la fermentación se llevan a cabo en la misma unidad: La

sacarificación es gracias a la acción de la enzima glucoamilasa que es alimentada

de manera continua al reactor, mientras que le fermentación se lleva a cabo

mediante Saccharomyces cerevisiae, que es alimentada junto a una fuente de

nitrógeno. La separación y la deshidratación en este proceso se realizan

semejantes a la empleada con caña de azúcar. Los gases son tratados en una

torre para recuperar el etanol arrastrado, y el etanol es concentrado en dos

columnas de destilación y luego es concentrado en tamices El producto de los

fondos de la primera columna es parcialmente evaporado en el pirmer tren de

evaporación que consta de dos efectos. Este efluente es enviado a una centrífuga

14


en la cual se obtienen granos húmedos con 35% en peso de sólidos totales. Una

porción del efluente lìquido de la centrìfuga (vinazas ligeras) es recirculada al área

de acondicionamiento, la parte restante se lleva al segundo tren de evaporaciòn

en el cual se obtiene un jarabe con un contenido de sólidos totales de 55% en

peso. El jarabe y los granos húmedos son mezclados y enviados a un secador

rotatorio obteniéndose un subproducto con alto contenido proteíco conocido como

granos secos de destilaciòn solubles (DDGS, por sus siglas en inglés) el cual es

utilizado como alimento para animal.

1.3. Cebolla, Allium cepa L.

1.3.1. Biología: taxonomía, descripción, variedades y hábitat.

La cebolla es una hortaliza en forma de bulbo que se cultiva en todo el mundo.

Pertenece a la familia Alliaceae, del género Allium, y su nombre científico es

Allium cepa L. (Brewester, 2001). En la tabla 1.7 se muestra la taxonomía,

descripción, hábitat y algunas variedades.

El bulbo tiene una forma globosa y está constituido por capas gruesas y carnosas

que contienen los nutrientes necesarios para su crecimiento. Está envuelto en una

capa delgada y seca. El tallo que sale del bulbo es hueco y mide entre 80 y 150

cm.

15


Tabla 1.7 - Taxonomía, variedades, descripción y hábitat

TaxonomíaVariedades e híbridos (H)

Color de bulbo

Hábitat

Reino: PlantaeSubreino: TracheobiontaDivisión: MagnoliophytaClase: MonocotiledoneaSuperorden: LilifloraeFamilia:AlliaceaeGénero: AlliumEspecie: cepa

Linda VistaMercedes (H)Carta blancaCirrusKristal (H)StratusMata HariRed Granex (H)

AmarilloAmarilloAmarilloBlancoBlancoBlancoBlancoMorado

Prácticamente la cebolla se cultiva tanto en climas fríos como en tropicales.

Fuente: Propia, a partir de datos tomados de Brewester, 2001; INIFAP, 2004;

USDA, 2011.

La figura 1.5 se muestra la imagen del bulbo de cebolla. Sus hojas son cilíndricas

y huecas y están formadas por vainas que se anteponen unas con otras. El bulbo

se desarrolla a medida que las vainas se van engrosando, abriendo espacio hacia

arriba permitiendo el nacimiento de nuevas hojas. A medida que avanza el

desarrollo del bulbo, las capas exteriores se secan y sirven de protección

(Brewester, 2001).

16


Figura 1.5 - Bulbo de cebolla (Maceda y González, s.f.)

En México el cultivo de cebolla se da en varios estados, concentrándose más del

60% de la producción total en Chihuahua, Tamaulipas, Michoacan, Baja California,

Guanajuato y Zacatecas (SIACON 2009).

1.3.2. Agronomía.

El cultivo de cebolla no requiere de condiciones ambientales muy exigentes, la

temperatura puede variar entre 13 y 24ºC, con humedades de 40%. Por lo general

estas condiciones se encuentran en altitudes entre los 1000 a 1500m sobre el

nivel del mar. El ciclo vegetativo es de 140 a 150 días en todas las variedades. Se

utilizan sistemas de riego por aspersión o por precipitación, la fertilización se

puede llevar a cabo directamente o por medio de fertirrigación (agregar el

fertilizante junto con agua de riego). Los métodos de cultivo de cebolla en los

diferentes estados de México son básicamente los mismos (INIFAP, 2004).

17


Con respecto a la fertilización del suelo las cantidades de que se suelen adicionar

de N y P, son 60kg/Ha y 24kg/Ha respectivamente, lo cual se logra agregando 293

kg/Ha de sulfato de amonio más 12.5 kg/Ha de MAP (fosfato monoamónico).

El cultivo de cebolla no está exento de plagas y enfermedades, las tablas 1.8 y 1.9

muestran las principales plagas y enfermedades que atacan al cultivo. Cabe

resaltar que la Red de Agricultura Sustentable (Sustainable Agriculture Network =

SAN), publicó un listado de pesticidas prohibidos que incluía al Malathion (SAN,

2009).

Tabla 1.8 - Plagas en el cultivo de cebolla

PlagasIngrediente activo en

plaguicidasNombre químico

Dosis (gramo de

Ingrediente Activo por hectárea

Tripos:Frankliniella

sp.

Malatión S-1.2-bis ( etoxicarbonil) etil0.0-dimetil fosforoditioato.

750-1000

DiazinónO,O-Dietil-O-(2-isopropil-6-metil-

pirimidin-4-il)fosforotioato230-345

Gusano soldado:

Spodoptera exigua

MetomiloS-metil-N-

(metilcarbamoiloxi)tioacetimidatoMetilcarbamato de metiltio-1-

etilidenamino

300

Bacillus thuringiensis

16-32

Fuente: Propia, a partir de datos obtenidos del INIFAP, 2004.

18


Tabla 1.9 - Enfermedades en el cultivo de cebolla

EnfermedadIngrediente activo en

PlaguicidosNombre químico

Dosis (gramo de Ingrediente Activo

por hectárea

Mancha púrpura:

Alternaria porriMildiú:

PeronosporaDestructorPudrición blanda del

bulbo:Erwinia sp

MancozebEtilenebisditiocarbamato de

manganesocomplejo con sal de zinc

1600-2400

Maneb[[1,2etanoldiibis]

( carbamoditoato)] de manganeso

1600-2400

Fuente: Propia, a partir de datos obtenidos del INIFAP, 2004.

1.3.3 Composición química

La cebolla presenta una composición con alto contenido de aminoácidos y

minerales. El contenido de azúcares fermentables es más alto que el de otras

hortalizas y el rango varía dependiendo de la temporada y del cultivo. En la tabla

1.10 se muestra la composición química de la cebolla blanca.

19


Tabla 1.10 Composición química de la cebolla Allium cepa L.

Nutrient

e

g/

100gVitaminas

mg/

100g

Aminoácid

o

g/

100gAmino

g/

100g

Agua 89.1Vitamina

C7.4 Triptofano

0.014

0

Ácido

glutámic

o

0.258

Proteína

s1,1

Riboflavin

a0.0270 Treonina

0.021

0Glicina

0.025

0

Lípidos 0.1 Niacina 0.116 Isoleucina0.014

0Prolina

0.012

0

Azucare

s totales4.25

Ácido

pantoténic

o

1.23Leucina

0.025

0Serina

0.021

0

Sacaros

a1

Vitamina

B-60.12 Lisina

0.039

0

Metionin

a

0.004

0

Glucosa 2.0 Folato 0.190 Arginina 0.104 Tirosina0.014

0

Fructosa 1.3 Colina 6.1Ácido

aspártico

0.094

0Valina

0.021

0

Fuente: Propia, a partir de datos tomados de USDA (United State Deparment of

Agriculture) National Nutrient Database

20


1.3.4 Situación Actual de la cebolla.

Mundial.

La producción de cebolla se ha incrementado en los últimos años, siendo China el

principal productor desde hace varios; tan sólo en 1989, se producían alrededor

de 4 millones de toneladas, cifra que aumentó hasta los 21 millones en el 2009, es

decir más de cinco veces su producción en diez años. México por su parte, pasó

de 681 mil toneladas en 1989, a 1.2 millones de toneladas en 2009, el doble en

este mismo lapso de tiempo. La tabla 1.11 muestra los principales productores en

el 2009.

Tabla 1.11.- Principales productores de cebolla en el mundo.

Posición

PaísProducción

(T)1 China 21,000,9642 India 13,900,000

3Estados Unidos

3,400,560

13 México 1,195,820

Fuente: Propia, a partir de la base de datos de la FAO (Food and Agriculture

Organization), 2013

En Europa y Asia existe un crecimiento en el desperdicio de cebolla; tan sólo en

Japón, en el distrito de Hokkaido cerca 130,000 toneladas anuales son

desechadas como desperdicio agroindustrial o malbaratadas en los mercados

21


locales. En Europa, en el territorio del Reino Unido, y en los países de Italia,

Holanda y España, la cifra es de más de 450,000 toneladas, donde la mayoría es

quemada o depositada en basureros (Horiuch, et al. 1999, 2000, 2001,2004;

González J., et al. 2007, 2008).

Nacional.

La producción de cebolla en el año 2013, ocupó el vigésimo lugar en ingresos de

productos agrícolas y ganaderos. La tabla 1.12 muestra los principales productos

agrícolas y ganaderos en México.

Tabla 1.12- Principales productos agrícolas y ganaderos de México según

ingresos.

Posició

nProductos

Valor en

dólares

Producción

(T)

1Carne vacuna

indígena4,966,183,000 1838390

2Carne de

pollo indígena3,734,895,000 2,622,070

3 Leche entera

de vaca

3,291,931,000 10,549,000

22


(fresca)

1.12 (Continuación)

Posición Productos Valor en

dólares

Producción

(T)

4 Huevo de

gallina

1,957,607,000 2,360,300

5 Carne de

cerdo

indígena

1,778,219,000 1,156,760

6 Caña de

azúcar

1,625,192,000 49,492,700

7 Maíz 986,228,000 20,142,800

20 Cebolla 251,161,000 1,195,820

Fuente: Propia, a partir de la base de datos de la FAO (Food and Agriculture

Organization), 2011.

Se puede apreciar un ingreso neto de 251,161,000 Dólares y una producción de

1,195,820 Toneladas de cebolla anuales.

23


En el año 2010, la producción nacional alcanzó las 1, 266,164 Toneladas, 1% más

que el 2009. La tabla 1.13 muestra diferentes aspectos de cultivo y producción de

cebolla en los últimos años.

Tabla 1.13.- Producción de cebolla a nivel nacional.

Año

Superficie

Sembrada

(Ha)

Superficie

cosechada

(Ha)

Producción

(Ton)

Cantidad

perdida

(Ton)

2005 46,952 46,446 1,308,872 39,266

2006 46,846 45,672 1,288,236 38,647

2007 48,703 48,137 1,387,188 41,525

2008 42,614 42,725 1,246,200 27,386

2009 42,736 41,725 1,195,818 35,874

2010 45,126 44,235 1,266,164 37,984

Fuente: Propia, a partir de la base de datos SIACON (Sistema de Información

Agroalimentaria de Consulta).

24


Como se puede observar la cantidad de superficie cosechada no varió

significativamente con la superficie sembrada, y el promedio de producción

durante los últimos años ha sido alrededor de 1,288,000 Toneladas.

El desperdicio de cebolla no sólo es una situación que afecta a otros países, la

columna final de la tabla 1.14 presenta las cantidades perdidas. Por lo general,

toda esta cebolla es quemada o se utilizada como composta o alimento de

ganado. Estas cantidades representan alrededor del 3 al 5% del total de cebolla

producida en el país, lo que resulta en una pérdida económica para los

productores (INIFAP, 2010).

En este proyecto se consideró esta cebolla como materia prima para el etanol y

vinagre. La tabla 1.16 muestra los principales Estados productores.

Tabla 1.14- Principales estados productores de cebolla en el 2010.

EstadoSuperficie

cosechada

Producción

(Ton)

% respecto al

nacional.

Chihuahua 5,361 205,415 16

Baja California 6,978 195,702 15

Tamaulipas 4,698 141,970 11

Michoacán 3,766 135,530 10

Zacatecas 4,110 135,239 10

Morelos 2,722 81,468 6

25


Puebla 3,365 56,005 4

Fuente: Propia, a partir de la base de datos SIACON (Sistema de Información

Agroalimentaria de Consulta).

1.3.5. Usos de la cebolla

Es consumida como hortaliza fresca (sin procesar) y en diversos productos

procesados en México y el resto del mundo. A nivel nacional el 70% de la cebolla

producida se consume dentro del país, la cual incluye en su mayoría cebolla

blanca. El otro 25 % se destina a la exportación, principalmente cebolla morada,

amarilla y una pequeña cantidad de blanca. El 79% del consumo nacional se

destina al consumo fresco, es decir a consumidores particulares, amas de casa,

restaurantes, puestos de comida, etc. Un 9% a bodegas mayoristas y centrales de

abasto y el 12 % restante a las industrias privadas; sazonadoras, aderezos, polvo,

picada, rebanada, hojuela y aceite (Hernández, et al. s.f.).

1.4 Trabajos realizados en la producción de etanol y vinagre a partir de

cebolla.

26


A continuación se presentan en las tablas 1.15 y 1.16 los resultados de los

trabajos realizados sobre la producción de etanol y vinagre utilizando jugo de

cebolla

Tabla 1.15 - Trabajos realizados sobre la producción de 2tanol a partir de cebolla

(P=productividad; YP/S= rendimiento producto/sustrato; Yx/s = rendimiento biomasa /

sustrato; D= tasa de dilución)

Autor, año y nombre del artículo.

Tipo de operación Resultados.

Horiuchi, et al. (1999) Fermentación: nivel matraz.[EtOH]= 27.1gL-

P= 0.67gL-1h-1

YP/S= 0.34 gg-1

Horiuchi, et al. (2000)

Fermentación: tipo lote alimentado repetido (6 lotes) en biorreactores de 2 Litros.

[EtOH]= 31gL1,[Biomasa]= 23.2 gL-

1

P= 2.7, 4.3,5.3,5.16.3 y 6.6

gL-1h-1

YP/S= 0.46 gg-1

Yx/s= 0.32 gg-1

González, et al. (2007)Fermentación: Lote

alimentado en biorreactor de 20 Litros

[EtOH]= 24.52 gL-1

[Biomasa]= 4.16 gL-

1

P= 0.61 gl-1h-1

Yp/s= 0.40gg-1

Yx/s= 0.07 gg-1

27


González, et al. (2008)

Fermentación: Lote

alimentado en biorreactor de

20 Litros

[EtOH]= 20 gL-1

[Biomasa]= 3.8 gL-1

P=0.34gl-1h-1

Yp/s= 0.30gg-1

Yx/s= 0.058 gg-1

Tabla 1.16 - Trabajos realizados en la producción de vinagre a partir de cebolla.

(P=productividad; YP/S= rendimiento producto/sustrato; Yx/s = rendimiento biomasa /

sustrato; D= tasa de dilución)

Autor Tipo de operación Resultados.

Horiuchi, et al. (1999) Lote a nivel matraz.[Ác. Acético]= 29.4gL-1

P= 0.14gL-1h-1

YP/S= 0.34 gg-1

Horiuchi, et al.

(2000,2004)

Continua en biorreactor

de lecho empacado de

carbón activado.

[Ác.Acético]=37.9gL-

D=0.058

vvm=1.1

González, et al. (2008)

Lote en biorreactor de 20

Litros.

[Ác. acético]= 24 gL-1

[Biomasa]= 0.12 gL-1

P= 0.26 gl-1h-

Yx/s= 0.008 gg-1

28


29


Las mejores condiciones encontradas en los trabajos anteriores se muestran en la

tabla 1.17 y 1.18.

Tabla 1.17 - Mejores condiciones para producir etanol de cebolla

Autor[Azucares]

(gL-1)[EtOH](gL-1)

P(gL-1h-1)

YP/S

(gg-1)T

(°C)

Horiuchi, et al. (2000)

67 31 6.6 0.46 30

Tabla 1.18 - Mejores condiciones para producir ácido acético de cebolla (cultivo

continuo).

Autor [Azucares](gL-1)

[Ac. acético](gL-1)

D(h-1)

vvm YP/S

(gg-1)T

(°C)

Horiuchi, et al.

(2000; 2004)

67 37.90.058

1.1 0.46 30

La fermentación realizada para la obtención de etanol fue en lote alimentado, el

resultado mostrado en dicha tabla fue obtenido en el quinto lote repetido con un

tiempo de fermentación de 3.5 horas. El sustrato del vinagre fue el etanol obtenido

por este método, en un biorreactor de lecho empacado alimentado continuamente.

1.5. Generalidades sobre levaduras

Definición

Antes de presentar la morfología y metabolismo de las levaduras, es necesario

definirlas, Boekhout y Kurtzman citado en Walker (1998), proponen la siguiente:

30


“Las levaduras son ascomicetos o basidiomicetos, que se reproducen

vegetativamente por unión o fisión y que forman fases sexuales las cuales no

forman cuerpos fructíferos”.

Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae es un hongo ascomiceto unicelular, la figura 1.6

muestra una micrografía de esta levadura. El nombre de Saccharomyces deriva

del griego saccharo y myces que significan azúcar y hongo respectivamente.

cerevisiae proviene del latín que significa “de cerveza”. Presenta forma oval y en

ocasiones elipsoidal, con tamaños de 3 -8 por 5-10 µm. Esta levadura puede ser

haploide o diploide. Ambas formas celulares se reproducen por mitosis, sin

embargo las haploide se clasifican en células “a” y “α”, las cuales presentan

diferenciación sexual; fusionándose forman células diploide.

Figura 1.6 - Micrografía de Saccharomyces cereivisae (N.d, s.f.).

31


Metabolismo

Saccharomyces cerevisiae es la levadura comercial más importante en el mundo,

ya que de su metabolismo fermentativo se obtienen etanol y CO2 a partir de

azúcares; fructosa y glucosa principalmente, aunque también puede metabolizar

galactosa, maltosa, y sacarosa. Bioquímicamente una fermentación es la

generación de energía a partir de la oxidación de alguna molécula orgánica en

condiciones anaerobias. La diferencia entre respiración y fermentación, es que la

primera utiliza el oxígeno como aceptor final de electrones mediante la cadena de

transporte electrónica, y la segunda utiliza una molécula orgánica como aceptor

(Mathews, et al. 2002).

La siguiente reacción muestra la estequiometria de la fermentación alcohólica.

Fermentación

C6H1206 + 2ADP +2Pi 2CH3-CH2-OH +2CO2 +2ATP +56kcal.

Figura 1.7 – Reacción globar de la fermentaicón alcohólica (Mathes, et al. 2002)

La glucosa es metabolizada mediante la ruta llamada glucólisis, en la cual es

oxidada para formar dos moléculas de piruvato y dos moléculas de ATP

(Mathews, et al. 2002).

32


La figura 1.8 muestra la glucólisis y los destinos del piruvato. La fermentación

alcohólica comienza con la descarboxilación no oxidativa del piruvato a

acetaldehído catalizada por la piruvato deshidrogenasa. Esta reacción es seguida

por la reducción del acetaldehído a etanol cuya reacción es dependiente de

NADH, catalizada por la alcohol deshidrogenasa, (Mathews, et al. 2002).

33ATP

ATP

Glucosa

Fase de inversión de energía

Glucólisis


Figura 1.8- Glicólisis y destino del piruvato; oxidación y reducción (fermentación)

(Adaptación de Mathews, et al. 2002 y Walker, 1998).

Brettanomyces bruxellensis.

34

2ATPRuta oxidativa

Piruvato

2NADH

TCA

Lactato

NAD+

NADH(H+)

CO2

NAD+

NADH(H+)Acetaldehído

H+

Dihidroxicetona fosfato

Fructosa-1,6-bisfosfato

Gliceraldehído 3-fosfato

1,3-Bisfosfoglicerato

3-Fosfoglicerato

Fosfoenol piruvato

2ATP

H20

Etanol

Acetil-CoA

Fase de generación de energía

Ruta fermentativa

ATP

NADH

Piruvato

CO2

Acetaldehído

Glicólisis

AcetoinaNADH

NAD+


Brettanomyces bruxellensis tiene la capacidad de fermentar diversas fuentes de

carbono como glucosa, sacarosa, maltosa, y ocasionalmente trealosa, -metil-D-

glucosa, etanol y ácido láctico entre otras (Van der Valt, 1970; Aguilar, 1998;

mencionados en Ortiz, 2005).

Presentan diversas morfologías tales como: ovaladas, alargadas (2.0-4.5; 2.0-7.0)

x (3.5-18.0; 4.0-22.0)m, ojival, cilíndrica, elipsoidal, esferoidal. Dicha morfología

varía dependiendo de las condiciones de cultivo En la figura 1.9 se muestra el

mecanismo propuesto, por Castro (2002) para esta levadura.

35


La figura 1.9 - Mecanismo propuesto por Castro (2002) de Brettanomyce spp.

para la síntesis de ácido acético.

36


Su crecimiento es lento y producen ácido acético a partir de glucosa y el

metabolismo es a la vez, fermentativo y oxidativo (Aguilar, 1998, citado en Ortíz,

2005). La tabla 1.19 se muestran los trabajos realizados con Brettanomyces

bruxellensis IHEM-6037.

Tabla 1.19 Trabajos realizados sobre Brettanomyces bruxellensis.

Autor y Año

Condiciones y tipo de fermentación.

Resultados.

Aguilar (1999)

Fermentación por Lote.

La producción de ácido acético inhibe el crecimiento y la actividad

fermentativa cuando la concentración excede de 4gL-1 y

6gL-1 en aerobiosis y anaerobiosis respectivamente.

Aguilar, et al. (2000)

Cultivo por Lote y en un Quimioestato..

La producción de biomasa y etanol son inhibidas en ausencia

de sulfato.[Biomasa]max= 6.8gL-1

[EtOH]max= 25gL-1

[Ác. acético]max=7.4gL-1

Castro(2002)

rpm = 250T= 30ºcpH= 4.0

Aireación = 0.2 vvmTamaño de inoculo = 3x106

células viables

Se eligió a B. Bruxellensis de entre otras tres especies del

mismo género.Yp/s=0.14gg-1

P=0.065gh-1

Vp=0.433gg-1h-1

[Ác. acético]= 7gL-1

Aguilar, et al. (2003)

Fermentación por Lote. Se realizaron fermentaciones

con diferentes flujos de aire.T=30ºC

rpm= 250t= 120 h.

Tamaño de inoculo = 3x106

células viables

[Biomasa]max = 8.5gL-1con un flujo de 0.1 vmm

[EtOH]max=24 gL-1, en condiciones de anaerobiosis.

[Ác. acético]max=10gL-1 con un flujo de 0.5vvm.

37


Ortiz(2005)

Fermentación a nivel matraz.T=30ºC

rpm= 250t= 120 h.

Tamaño de inoculo = 3x106

células viables

La mejor concentración para la producción de ácido acético es de

100gl-1, obteniendo 15.4gL-1

Aguilar, et al. (2006).

Fermentación por Lote. Se realizaron fermentaciones en diferentes tipos de sustratos.

T=31ºCrpm=250

Aireación=0.6vvmTamaño de inoculo = 3x106

células viablesT=100h

[Biomasa]max=11gL-1, en jugo de piña y de azúcar refinada.

[EtOH]max= 14.5gL-1 en melazas de caña

El mejor medio para la producción de ácido acético fue con melazas

de caña de azúcar:[Ác. acético]max= 13.4gL-1

Yp/s=0.24gg-1

P=0.14gL-1h-1

Brandam, et al.

(2007).

Fermentación tipo Lote. Se evaluaron 6 diferentes

temperaturas.rpm=250

[Glucosa]=50gL-1

Aireación=0.6vvmTamaño de inoculo = 3x106

células viablest=300h

Se encontró que de 15 a 32° C, la producción de biomasa, de etanol

y acético era[Biomasa]op= de 5.6 a 6gL-1,

[EtOH]= de 16 a 18gL-1,[Ác. acético]= 3.4gL-1 a 4gL-1.

Se obtuvieron una Ea=16.61kcal/mol y una Q10 =3.76

dentro este mismo rango.

Corro (2010).

Fermentación en cultivo por lote a 50 y 100gL- de glucosa empleando diferentes flujos de aire y en cultivo continuo a 50 y 100gL-1 de glucosa a diferentes tasas de dilución

Se obtuvo un rendimiento de 0.154 gg-1 de ácido acético

empleando medio sintético de 100gL-1 de glucosa

Fuente: propia

38

CAPÍTULO 1

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