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lunes, 7 de noviembre de 2016

Producción de etanol

Materias primas

Se puede producir alcohol etílico por fermentación de tres tipos distintos de materiales orgánicos:

  • Sacarosos (con azúcar). Contienen glúcidos simples (las substancias que se convierten en alcohol), con entre seis y doce átomos de carbono (glucosa, fructosa, maltosa), que se pueden fermentar directamente. A este grupo pertenecen la caña de azúcar, la remolacha azucarera, la fruta (fresca o seca), la pulpa de los cítricos, el sorgo dulce, el suero de leche y la leche desnatada. 
  • Amiláceos. Contienen glúcidos complejos como almidón e inulina que se pueden descomponer en glúcidos simples por hidrólisis ácida, o por acción enzimática en un proceso llamado malteado. Entre ellos están el maiz, el sorgo granífero, la cebada, el trigo, la patata, el boniato, la pataca, el cactus, la yuca, y la maranta. 
  • Celulósicos. Como la madera, los residuos de madera, el papel, la paja, los tallos de maiz, las mazorcas de maiz, el algodón, etc, que se pueden descomponer con hidrólisis ácida o con enzimas para conseguir glucosa. 
Pasos del proceso

Algunas materias primas hay que procesarlas más que otras. En general la producción a pequeña escala es más fácil (y más económica en mano de obra y consumo energético) para las materias primas sacarosas. Sin embargo las materias primas amiláceas producen más alcohol en relación a su peso, y las celulósicas son las más baratas.

Producir alcohol a partir de materias primas sacarosas consiste en:

  1. Exprimir o triturar para liberar el azúcar; 
  2. Diluir con agua, aunque no siempre es necesario; 
  3. Fermentar; 
  4. Destilar. Los pasos para las materias primas amiláceas son: 
  1. Moler para liberar el almidón;
  2. Diluir con agua; 
  3. Cocer para disolver el almidón; 
  4. Descomponer el almidón en glúcidos simples por malteado, acción enzimática o hidrólisis ácida; 
  5. Fermentar; 
  6. Destilar. En las materias primas celulósicas hay que descomponer la celulosa antes de fermentar.

Diseño del proceso

En la producción de etanol hay muchas variables importantes. Incluso materias pertenecientes a un mismo grupo pueden requerir procesos completamente distintos. Los siguientes capítulos tratan los pasos para procesar cada uno de los tres tipos de materias primas. El capítulo diez tiene «recetas» y pasos específicos para algunas materias de cada grupo.

Dilución

Diluir es simplemente mezclar con agua para ajustar la concentración de azúcar en la mezcla, o la cantidad de alcohol resultante. Es importante porque la levadura muere durante la fermentación si aumenta mucho la concentración de alcohol. Durante el procesado del almidón la dilución facilita la agitación. El objetivo de la dilución es conseguir una concentración de alcohol al final del proceso próxima al 10%, pero no más. La dilución óptima es un compromiso entre la mayor concentración de alcohol y la concentración que mata a la levadura.

En el capítulo diez se indica la dilución óptima para cada material. Se puede calcular a ojo para un material desconocido pensando que la concentración de alcohol al final de la fermentación debe ser aproximadamente la mitad de la cantidad inicial de azúcar. Para averigurar la cantidad de azúcar fermentable de una materia prima lo mejor es hacer una prueba de laboratorio. Si no es posible, el contenido de azúcar se puede estimar con un densímetro. El uso de densímetros y tablas para averigurar la concentración de azúcar a partir de medidas de densidad se trata más adelante en este mismo capítulo. Antes de medir la densidad de una disolución con un densímetro hay que filtrarla para separar los sólidos no disueltos. Si no se hace la lectura será inexacta. También se puede usar un instrumento óptico llamado refractómetro. Estos artilugios, sin embargo, cuestan cientos de dólares.

La medida de la concentración de azúcar con densímetro es, como mucho, una aproximación. La dilución se puede ajustar midiendo la concentración final de alcohol tras la fermentación. Aunque también se mida con el densímetro la medida es mucho más precisa. Naturalmente, si la concentración de alcohol es menor que la concentración que tolera la levadura, la mezcla está demasiado diluida.

Control de la acidez

El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una disolución acuosa expresada en una escala de uno a catorce. El valor neutro es siete, entre uno y siete es ácido y entre siete y catorce es alcalino. La manera más práctica de medir el pH es con tiras de prueba que cambian de color dependiendo del pH de la disolución. Estas tiras se pueden comprar a establecimientos de suministros para piscinas, de jardinería, o de material de laboratorio.

El control del pH durante la cocción y la fermentación es importante por dos motivos: el crecimiento de bacterias perjudiciales es más lento en entornos ácidos, y la levadura sólo crece en entornos ligeramente ácidos.

La mayoría de las veces la pasta de fermentación de cereales tiene un pH de entre 5,4 y 5,6 después del malteado. Otros materiales, especialmente los sacarosos, como las melazas y pulpa de fruta, tienen un pH alcalino que hay que acidificar antes de la fermentación.

Las bacterias perjudiciales más comunes son las que producen ácido láctico. Aunque el sabor no importa en la producción de alcohol como combustible, cualquier cantidad de ácido láctico que se forme se resta de la cantidad de alcohol. Se debe evitar tanto como sea posible la formación de ácido láctico y otros contaminantes. El desarrollo de esos microorganismos es muy difícil con un pH menor de cinco. Con un pH mayor crecen rápidamente. El pH óptimo es de entre 4,8 y 5,0. Si está entre 4,1 y 4,4 perjudica a otros procesos beneficiosos. Por consiguiente hay que vigilar el pH durante la cocción. Si es mucho mayor de 5,0 hay que reducirlo añadiendo ácido.

Normalmente se emplea ácido sulfúrico, aunque sirve cualquier ácido inorgánico. El ácido clorhídrico, por ejemplo, se puede comprar en tiendas de suministros para piscinas. Hay que tener cuidado al añadir el ácido, agitando la mezcla y comprobando el pH para no echar demasiado. Si se echa un poco de más se puede corregir el error son sosa caústica (hidróxido de sodio) o con cal. Pero a partir de cierta cantidad es inútil intentar arreglarlo y la mezcla queda inservible.

Ajustar el pH durante la cocción es recomendable, mantener el valor correcto durante la fermentación es indispensable. En cuanto el pH llega a ser menor de 4,11 la fermentación se detiene. Si ocurre esto antes de completar la transformación del azúcar en alcohol, el rendimiento será pobre. Por otra parte la levadura necesita para crecer un pH ligeramente ácido. Por ello el pH debe estar entre 4,8 y 5,0 para conseguir un resultado óptimo.

Hay dos maneras de ajustar el pH. La primera es añadir ácido. La segunda, probablemente mejor, es añadir los residuo ácido de una destilación anterior.

Hay que comprobar el pH periódicamente durante la fermentación y antes de empezarla. A veces se producen durante la fermentación substancias que alteran el pH. Cuando ha salido del rango óptimo añadir ácido o sosa empeora el problema. Preste atención y ajústelo antes de que se salga del rango.

Ajuste del pH con el residuo de destilación

Añadir el residuo de destilación del lote anterior es una práctica muy beneficiosa. Primero, por el control del pH para dificultar el crecimiento de bacterias. Segundo, se añaden nutrientes que facilitan el rápido crecimiento de la levadura. Tercero, se produce un efecto tampón.

La pasta de fermentación de cereales y materiales amiláceos contiene suficientes nutrientes para el crecimiento de la levadura. Otras materias primas no, especialmente las sacarosas. El residuo de destilación aportar estos nutrientes cuando sean necesarios.

El efecto tampón es importante. Cuando se mezclan un ácido y una base reaccionan violentamente para producir una sal. El agente tampón, o amortiguador, se puede ver como una barrera entre el ácido y la base que permite un contacto limitado y regula la reacción. Reutilizar el residuo de destilación ayuda a mantener el pH entre 4,0 y 5,0. Con esto se consigue estabilidad y mejor rendimiento.

Los distintos materiales toleran distinta cantidad de residuo de destilación. Es posible tener demasiada cantidad de algo bueno, y demasiada cantidad de residuo de destilación puede ser perjudicial. En el capítulo diez se indican los límites para varios materiales.

Limpieza

La limpieza de las cubas de fermentación, la tuberías, y el resto del equipo es importantísima. Si se acumulan pasta de fermentación y residuos crecerán bacterias que reducirán mucho la cantidad de alcohol producida.

En la producción comercial la limpieza de los instrumentos se hace normalmente con vapor. Sin embargo en una producción pequeña es suficiente con un buen lavado con desinfectante. Vale cualquier producto desinfectante, pero por economía lo mejor es comprar formaldeído a un distribuidor de productos químicos. Se utiliza diluido en agua en una proporción de 20:1 o más. No olvide que el formaldeído irrita mucho la piel, la nariz y los ojos. Su olor es nauseabundo. No es bueno respirar su vapor. Una alternativa al formaldeído es la disolución de amoniaco, para la que se aplican las mismas precauciones.

Después de desinfectarlo con formaldeído o amoniaco hay que lavar bien el recipiente con agua limpia. Lo mejor es lavar el equipamiento después de cada lote, pero en algunos climas y épocas del año las bacterias crecen lentamente y se puede limpiar cada dos o tres lotes. De todas formas en cuanto surje un problema limpiar es absolutamente necesario.

Densímetros

Como ilustra la figura 5-1, los densímetros son pequeños flotadores con una prolongación calibrada empleados para medir la gravedad específica de un líquido. El ejemplo más familiar es el dispositivo con que se comprueba la carga de una batería o la cantidad de anticongelante.

Figura 5-1: densímetro

Los densímetros están calibrados en distintas escalas, dependiendo de la aplicación. Lo más normal es que estén calibrados para la gravedad específica. La gravedad específica del agua es uno. En los líquidos más ligeros que el agua es menor de uno y en los más pesados es mayor que uno. El densímetro se puede usar para medir aproximadamente la cantidad de sólidos disueltos en la pasta de fermentación y la concentración de alcohol antes o después de destilar. Para medir los sólidos está calibrado en grados “Balling”. Un grado de esa escala es igual a un 1% de sólidos disueltos. Se pueden comprar otros densímetros para medir la concentración o el porcentaje de alcohol. Para conseguir medidas precisas es mejor tener varios densímetros, cada uno con un rango distinto, que tener uno solo con un rango amplio. Los densímetros se pueden comprar a distribuidores de material de laboratorio. No tiene que comprar muchos, las figuras 5-2 y 5-3 son tablas de conversión de concentración de azúcar y alcohol a gravedad específica.

Hay que corregir las mediciones porque la densidad de los líquidos cambia con la temperatura. Normalmente la temperatura del líquido no será para la que está calibrado el densímetro. La figura 5-4 es una tabla corregida para distintas temperaturas. Es muy exacta para determinar la corrección en disoluciones acuosas de etanol y poco exacta para la concentración de azúcar o sólidos disueltos.

Figura 5-2: relación entre la concentración de glucosa y la gravedad específica de glucosa y la gravedad específica

Figura 5-3: relación entre la concentración de etanol y la gravedad específica 

Figura 5-4: tabla de corrección

También se puede determinar el contenido de azúcar con un refractómetro. Se pueden comprar a distribuidores de material de laboratorio, y aunque son caros, miden con mucha precisión.

También se puede averiguar la gravedad específica pesando un litro del líquido a la temperatura apropiada. El peso en gramos dividido entre mil es la gravedad específica. Este método no es tan preciso como el densímetro debido a la dificultad para medir un litro exacto.

Descripción general

De todas las materias primas, las sacarosas son las que requieren menos procesamiento. Lo único que hay que hacer antes de fermentar las melazas y otros jugos azucarados es diluirlos y ajustar el pH. Otros materiales, como las uvas y el resto de las frutas, hay que prensarlos o machacarlos para extraerles el jugo.

Además del prensado también son aplicables el ajuste del pH, la dilución y la limpieza explicados en el capítulo cinco. Los detalles sobre las distintas materias primas sacarosas se explican en el capítulo diez.

Prensado

Muchos materiales sacarosos, como la fruta y la remolacha, tienen que pasar por la prensa antes de fermentarlos. Así el zumo cargado de azúcar se separa del resto. Se hace con una prensa como las que se usan para las uvas y la sidra. En vez de prensar se puede machacar, y filtar los sólidos antes de destilar el líquido, pues la mayor parte del equipamiento de destilación no admite sólidos.

Hay algunos problemas relacionados con el prensado y el machacado. El prensado, en el mejor de los casos, deja atrás una buena cantidad de material fermentable. Normalmente sólo extrae el 75% de los glúcidos de las manzanas y el 80% de los de las uvas. Se puede mejorar mezclando el residuo con un poco de agua para disolver el azúcar y volver a prensarlo. Sin embargo este método diluye más la mezcla y obliga a gastar más energía y tiempo durante la destilación. Si el zumo de fruta contiene, por ejemplo, un 10% de azúcar, la concentración de etanol después de fermentarlo será del 5%. Cualquier cantidad de agua empleada para arrastrar más azúcar del residuo reducirá la concentración final. Cuanto menor sea la concentración de alcohol más agua habrá que separar en la destilación. Sin embargo en muchos casos esto está justificado por la mayor cantidad de alcohol que se consigue.

Machacando el material en vez de prensarlo se puede fermentar toda el azúcar, aunque normalmente hay que exprimirlo antes de destilar. Igual que antes, parte del líquido se quedará en el residuo, y la única solución es mezclarlo con un poco de agua. En un alambique por lotes como el descrito en este libro, no es imprescindible filtar el residuo, porque ese tipo de alambique se lava después de cada uso. En este caso el machacado es mejor que el prensado.

Algunos materiales como los tallos del maiz dulce, la caña de azúcar, y otros parecidos hay que prensarlos con grandes prensas hidraúlicas. La alternativa es triturarlos y calentarlos con tan poca agua como sea posible para disolver el azúcar. Para sacar toda el azúcar hay que repetir este proceso muchas veces. Cuando la dilución ya no queda compensada por la cantidad de azúcar extraída, no vale la pena seguir. Dos extracciones de un galón cada una disuelven más azúcar que una sola extracción de dos galones.

Preparación de las materias primas amiláceas

Hay dos tipos de materiales amiláceos: con el almidón protegido por dentro de un grano, como los cereales; y con el almidón desprotegido, como las patatas. Los del primer grupo hay que molerlos o triturarlos para acceder al almidón, pero con los del segundo grupo no hace falta. Hay que cocer y descomponer el almidón de todos los materiales amiláceos para liberar el azúcar.

Hay dos formas de descomponerlo. La primera es con malta o enzimas, y la segunda con ácido diluido en un proceso llamado hidrólisis ácida.

Molienda

Los cereales y otros materiales similares hay que molerlos para exponer el almidón a los procesos de cocción, descomposición y fermentación. Lo ideal es triturarlo tan fino como sea posible sin llegar a formar harina fina. Es difícil separar las partículas finas de harina si hay que filtrar antes de la destilación. En un alambique por lotes no hace falta filtrar y las partículas finas no dan problemas.

La harina puede volver la masa demasiado viscosa. Sólo es un problema si hay que bombearla de un depósito a otro, si lo haces todo en el mismo recipiente la viscosidad no es tan mala. Si no, como se explica más adelante, evita este problema.

Se puede hacer casi con cualquier tipo de maquinaria para moler. Desafortunadamente no hay un proceso alternativo, si va a emplear cereales como materia prima tendrá que molerlos.

Cocción

La cocción es necesaria para todos los materiales amiláceos. Su función es disolver el almidón, gelatinizarlo.

En la producción comercial la cocción casi siempre se hace con vapor, bajo presión, y es un proceso continuo. El agua hierve a 212º F al nivel del mar y a temperaturas menores a mayor altitud. Bajo presión se consigue mayor temperatura y menor tiempo de cocción. A 150 libras de presión, por ejemplo, el almidón se cuece en seis minutos o menos. El equipamiento de cocción industrial es caro y, en su manual, los tiempos de cocción para los distintos materiales se dan para el proceso «atmosférico», con temperaturas de 208-212º F. En el capítulo diez se listan los tiempos de cocción para distintos materiales.

Lo mejor es cocer con la mínima cantidad de agua porque para calentarla se gasta mucha energía. Después de la cocción se puede diluir la mezcla para conseguir la concentración óptima para la fermentación. Si se añade toda el agua junta en el momento de enfriar la mezcla, después de la cocción y antes de la descomposición, se ahorra el tiempo de enfriado. La mayoría de los cereales se puede cocer con 15-20 galones de agua por bushel. Al cocer con la mínima cantidad de agua hay que controlar mucho la agitación de la mezcla para que no se queme ni se pegue al recipiente.

Se han desarrollado nuevos métodos para ahorrar energía durante la cocción. El más interesante es uno que combina la molienda y la cocción en un solo paso sin agua. Aprovecha el calor de la fricción durante la molienda para cocer el almidón simultaneamente. Se hace en un molino diseñado especialmente para ello.

Descomposición

Es el proceso de descomponer el almidón para liberar la glucosa que lo forma. Se puede hacer con malta, con enzimas, o con hidrólisis ácida.

Malteado

Se puede descomponer el almidón por la acción de las enzimas de la malta. Cuando las semillas de un cereal se humedecen y germinan, se producen en su interior unas enzimas (llamadas amilasas) capaces de descomponer el almidón en un glúcido llamado maltosa. Todos los cereales las producen en mayor o menor cantidad. Sin embargo la cebada es el cereal que más enzimas produce, y normalmente también es el más barato.

Puedes comprar malta seca de cebada o puedes producirla a partir del grano. La malta húmeda o malta «verde», como la que puedes producir tú mismo, no se conserva si no se seca. A pequeña escala es mejor comprar malta comercial.

En la descomposición del almidón las enzimas actúan de dos maneras: por licuefacción y por sacarificación. La intensidad de cada una de ellas depende de la temperatura. La licuefacción alcanza su máximo a 158º F. Empieza a debilitarse a 175º F y para a 200º F. La sacarificación alcanza su máximo entre 120º F y 130º F, y desaparece completamente a 175º F. Las dos son deseables. Por lo tanto hay que llegar a un compromiso. La descomposición suele empezar después de que la mezcla se haya enfriado hasta 150º F. Se mantiene dicha temperatura durante un tiempo, que depende de la materia que se esté procesando, y después se deja enfriar hasta la temperatura óptima para la fermentación.

El método típico de malteado incluye el uso de entre media libra y una libra de malta seca por cada diez libras de grano. Luego se explicarán las recetas en detalle. Normalmente la malta seca está mezclada con agua tibia en una proporción de 2,5 libras por galón para formar una disolución. Esta disolución hay que prepararla una hora antes para añadirla a la mezcla cuando alcance la temperatura apropiada.

Como la malta de cebada es cara, normalmente más cara que el material que se está procesando, es mejor gastar la menos posible. La cantidad mínima se puede determinar después de muchas pruebas. Para determinarla haga un malteado de prueba con las cantidades indicadas en el capítulo diez. Después filtre un poco de la mezcla con una tela o algo parecido. Ponga un poco del líquido filtrado en un plato blanco y añada muchas gotas de una disolución compuesta por cinco gramos de yoduro de potasio y cinco gramos de cristales de iodo en un cuarto de galón de agua destilada. El color azul indica la presencia de almidón sin descomponer. Naturalmente si no aparece el color azul habrá que poner menos malta la siguiente vez.

Premalteado

Durante la cocción el almidón se gelatiniza. Cuando se enfría la mezcla puede volverse demasiado espesa para agitarla durante el malteado. La técnica del premalteado resuelve este problema aprovechando las propiedades de licuefacción de la malta antes de la descomposición. Para premaltear simplemente añada un 10% de la cantidad total de malta antes de cocer. Esto provoca suficiente licuefacción para facilitar los movimientos de la mezcla en las operaciones siguientes. También ayuda a evitar la destrucción de las enzimas de la malta y reduce la formación de subproductos indeseados. Después de la cocción añada el resto de de la malta y empieze la descomposición.

Preparación de la malta

Lo siguiente es el proceso básico de elaboración de la malta, para aquellos que prefieran prepararla personalmente. Se puede hacer con cualquier cereal pero, como se dijo antes, la cebada es el mejor.

Sin embargo si lo hace con maiz, por ejemplo, simplemente puede apartar el 20% del cereal, preparar la malta como se describe más arriba, y utilizarla de la misma manera que la malta de cerveza. Esto es aplicable a otras materias primas.

La malta es simplemente cereal germinado. Las condiciones para que germine son humedad, obscuridad y una temperatura cálida. Los cereales pueden germinar en cualquier recipiente, desde una botella de plástico de cinco galones hasta un bidón de 55 galones. El recipiente debe tener pequeños agujeros en el fondo o, en recipientes grandes, una válvula con filtro para que pueda salir el agua sin perder las semillas.

Empieze empapando el cereal hasta que los granos se puedan romper con los dedos y su interior esté blando. La cebada tarda entre ocho y doce horas, y el maiz mucho más. Después quite el agua y rocíe muchas veces al día con agua tibia. Esto se hace para mantener la humedad sin que esté empapado. Un exceso de agua lo pudrirá. Después de humedecerlo el agua cae hasta el fondo y sale por los agujeros o la válvula. La germinación producirá algo de calor. La temperatura óptima para que germine es de 80º F. Pero parece que la mayor parte de las enzimas se producen a 60º F. Al hacerlo en recipientes grandes tenga cuidado de que no se caliente demasiado. Si ocurre, se puede esparcir sobre un suelo de cemento en un lugar obscuro. En recipientes pequeños no se da este problema.

La germinación tarda cuatro días. La malta está lista cuando los brotes miden media pulgada.

Antes de usarla hay que triturarla. Se puede hacer con un molino o, a pequeña escala, se puede adaptar un triturador de basura potente. También se puede hacer en cualquier recipiente.

La malta sin secar se llama malta verde. Hay que usarla inmediatamente o secarla para que no se pudra. Se puede utilizar de la misma manera que malta seca, y normalmente no es necesario ajustar la cantidad para compensar su contenido de humedad porque la malta verde es un poco más activa.

Descomposición enzimática

Muchas empresas venden las enzimas de la malta. La manera de utilizarlas es muy parecida a la malta, y el resultado suele ser mejor.

Antes que nada, las enzimas son más baratas. Están hechas especialmente para el trabajo manual. El resultado es más predecible y el rendimiento es mejor.

Los tres tipos de enzimas disponibles comercialmente son alfa-, beta- y gluco-amilasas. La alfa-amilasa rompe las moléculas de almidón dando lugar a un glúcido llamado dextrosa. La beta-amilasa hace lo mismo dando lugar a maltosa. Estas dos enzimas juntas pueden descomponer el 85% del almidón. La gluco-amilasa puede descomponer el almidón restante, y la combinación de las tres puede descomponer casi todo el almidón.

Los dos mayores fabricantes de enzimas son Miles Laboratories y Nova Laboratories, como se indica en el apéndice. Las enzimas se usan casi igual que la malta. Sin embargo cada enzima requiere un pH, un tiempo y una temperatura ligeramente distintos, y lo mejor es seguir las recomendaciones del fabricante. En el capítulo diez se explica un procedimiento típico para usar con maiz las enzimas “Taka-Therm” y “Diazyme L-100” de Miles Laboratories.

Hidrólisis ácida

El almidón y la celulosa se pueden descomponer con ácido.

Es un proceso relativamente sencillo, pero hace falta equipamiento resistente al ácido, grandes temperaturas y el empleo de ácido. Por ello no es recomendable para la producción a pequeña escala.

Básicamente, se diluye ácido mineral (normalmente sulfúrico) en la disolución antes de la cocción en una concentración de 1-4% en peso. Después se cuece la mezcla a 350º F.

La cocción y la descomposición del almidón ocurren a la vez. La mezcla se neutraliza inmediatamente después con hidróxido de calcio (cal), o con alguna otra base, y se fermenta como siempre.

La gran temperatura necesaria para este proceso se consigue con presión. La presión de vapor tiene que ser de 150 libras por pulgada cuadrada. Esto, y la necesidad de equipamiento resistente al ácido, hace este proceso inapropiado para los pequeños productores. Sin embargo es un proceso excelente a gran escala porque se tarda poco en cocer y fermentar, y puede hacerse continuamente.

Enfriamiento de la mezcla

El malteado se hace a 145-150º F. Como se explicará después, la fermentación empieza a 70-80º F. Entre estros dos pasos hay que enfriar la mezcla.

Uno de los mayores problemas con la cantidad de alcohol producido es el crecimiento de bacterias en la mezcla antes o durante la fermentación. La principal prortección es la acidez de la mezcla. Sin embargo puede haber contaminación con bacterias aunque se haga un control perfecto del pH. Esto ocurre normalmente durante el enfriamiento entre la cocción y la fermentación.

Cuando se da este problema la única solución (a parte de mejorar de higiene) es acortar el tiempo de enfriamiento tanto como sea posible. Así se limita el crecimiento de las bacterias. Por lo tanto puede que sea necesario poner un serpentín de refrigeración, como se explica en el capítulo trece. El serpentín de refrigeración es la mejor solución a largo plazo, pero si ocurre con poca frecuencia, en verano, puede servir una bolsa de plástico llena de hielo suspendida dentro de la mezcla. Asegurese de que la bolsa no pierda agua, que diluiría la mezcla.

Descomposición de la celulosa

Los materiales celulósicos, como los tallos de maiz, la madera, la paja, el algodón, el papel y algunos residuos, podrían ser buenas materias primas para producir etanol. Aprovechando toda su celulosa, por ejemplo, una tonelada de periódicos viejos proporcionaría hasta setenta galones de alcohol. Los materiales celulósicos son muy baratos, o gratuitos muchas veces.

La celulosa se puede descomponer con enzimas o por hidrólisis ácida. Nova Laboratories produce unas encimas especiales llamadas “Cellulast” y “Cellobiase 250L” para la descomposición de la celulosa. Otros fabricantes ofrecen productos parecidos. La hidrólisis ácida implica el uso de un ácido fuerte y temperaturas relativamente bajas, o un ácido débil y calor intenso. El proceso con ácido fuerte tiene el problema de que destruye la glucosa casi tan rápido como la libera, a no ser que el tiempo de contacto con el ácido sea muy breve. Para el proceso con ácido débil hace falta equipamiento de cocción a presión resistente al ácido. Por razones obvias ninguno de los dos métodos es recomendable a pequeña escala.

La mayor dificultad de usar celulosa para producir etanol es llegar hasta ella. En las plantas la celulosa está encerrada en una substancia llamada lignina de la misma manera que en un edificio las barras de acero están rodeadas de hormigón. La lignina es lo que le da resistencia a la madera, y hay que disolverla para liberar la celulosa. En la industria papelera se emplean para disolver la lignina substancias como el dióxido de azufre, el bisulfito de calcio, el sulfato de sodio, sulfuro de sodio, y el hidróxido de sodio. El ácido concentrado también disuelve la lignina, y la glucosa desafortunadamente.

Se han desarrollado procesos comerciales para producir etanol a partir de celulosa con ácido concentrado, sin destruirla. Sin embargo es complicado, y viable económicamente solo a una escala muy grande.

La única alternativa a la disolución de la lignina es dividir el material en partículas lo más pequeñas posible para acceder por lo menos a una parte de la celulosa. Esto se hace pulverizando o moliendo. La cantidad de celulosa accesible es proporcional al tamaño de las partículas.

Es más fácil procesar otros materiales celulósicos que no tienen mucha lignina. Algunos tipos de papel, como el de periódico, son de celulosa casi pura y se pueden tratar fácilmente con enzimas o con ácido.

Para producir celulosa las plantas primero tienen que producir glucosa, que es el azúcar que nos interesa. Por lo tanto las plantas que se procesan cuando todavía están húmedas y verdes tienen la ventaja de contener glúcidos fermentables. Estos materiales se pueden fermentar sin descomposición de celulosa, como materias primas sacarosas con poca azúcar.

Levadura

La levadura no interviene directamente en la fermentación, sino que segrega enzimas que actúan sobre el azúcar y la convierten en etanol y dióxido de carbono.

La levadura empleada en la fermentación etílica es una cepa especial para soportar cambios de acidez y presencia de alcohol. Antes los productores de cerveza criaban sus propias cepas. La levadura se mantenía viva en cultivos y crecía en lotes para usarla en los fermentadores. Mantener la levadura viva y hacerla crecer en cultivos es difícil porque hay que mantener un control preciso de la temperatura, los nutrientes y otras cosas. Sin embargo luego se describe un método simplificado. Afortunadamente hay disponible levadura seca activa. Para usarla basta con añadir agua tibia para reactivarla y luego añadirla a la mezcla en el fermentador. Dos libras son suficientes para mil galones de mezcla. Hay que reactivar esta levadura quince minutos antes de usarla a una temperatura de 100-105º F, o se puede añadir seca al fermentador antes de llenarlo.

En un apuro es posible utilizar levadura de panadería normal. Sin embargo esta levadura no está preparada para soportar el alcohol, y probablemente no conseguirás el mismo rendimiento que con la levadura de cerveza.

Crecimiento de la levadura

Es posible mantener cultivos de levadura tomando algunas precauciones. Ante todo hay que asegurar la esterilidad. El agua hirviendo no mata todas las bacterias. Hay que usar una olla a presión. Haz una disolución de (proporcionalmente) una medida de azúcar, una medida de harina y dos cuartos de agua. Ponla en una olla a presión y hierve por lo menos durante cuarenta y cinco minutos. Sin habrir la olla, deja que se enfríe hasta la temperatura ambiente. Luego abrela y mete un bloque de levadura de cerveza o de panadería. Cierra la olla y guardala en la nevera. La levadura crecerá lentamente. Procura que el cierre no sea hermético, ya que liberará algo de dióxido de carbono. Si quieres puedes guardar el cultivo en frascos. Esterilizalos y haz un pequeño agujero en cada tapa para dejar salir al dióxido de carbono. Para usar el cultivo de levadura coge dos cucharaditas, ponlas en otro recipiente esterilizado, añade algo de azúcar y calienta hasta la temperatura ambiente. Cuando se active estará lista para echarla al fermentador. Si los cultivos refrigerados se contaminan con bacterias hay que desecharlos y empezar de cero. Los cultivos no se pueden congelar.

Fermentación

Todo lo necesario para comenzar la fermentación es mezclar en el fermentador la levadura activada con la mezcla enfriada y el pH regulado. A parte del control del pH del que ya se habló antes, lo más importante durante la fermentación es el control de la temperatura. Nada más empezar la fermentación empieza a desprender dióxido de carbono. En el momento álgido de la fermentación la superficie del líquido burbujeará. También se genera algo de calor. La temperatura óptima para la fermentación se encuentra entre 70 y 85º F, y es mejor que no supere los 90-95º F. Se puede enfriar con bolsas llenas de hielo o con un serpentín de refrigeración. Otra forma, aunque no es recomendable, es diluir la mezcla.

El tiempo de fermentación depende del material que se esté fermentando, de la temperatura, de la acidez, y de muchos otros factores. Puede tardar entre uno y cuatro días. Sabrás que ha terminado cuando deje de burbujear y la costra que se forma en la superficie se hunda hasta el fondo. En ese momento la mezcla ya está lista para destilarla.

Lo mejor es destilar lo antes posible. A veces, si se deja en reposo se forma vinagre. El vinagre es alcohol que se ha oxidado formando ácido acético. Algunas enzimas presentes después de la fermentación actúan como catalizadores y permiten que el aire presente en la mezcla reaccione con el alcohol. De hecho si quieres producir vinagre lo único que tienes que hacer es airear la mezcla fermentada. Cuando se avinagra queda inservible, no tiene remedio. La única forma de evitarlo es separar el líquido del sedimento y destilarlo lo antes posible.

También es recomendable usar una trampa de aire como se describe en el capítulo trece, para evitar pérdidas de alcohol por evaporación. Si no se hace se puede perder mucho alcohol junto con el CO2. Las trampas de aire de vidrio se pueden comprar a proveedores de equipamiento vinícola, para recipientes de cinco galones. En recipientes mayores hay que poner trampas de aire proporcionalmente más grandes, o formará una presión peligrosa que puede reventar el recipiente.

Es admisible abrir el fermentador para comprobar el progreso de la fermentación y medir el pH si se tiene cuidado de no introducir bacterias.

Subproductos de la fermentación

Los productos pricipales de la fermentación son alcohol etílico, dióxido de carbono y residuos de fermentación. El alcohol se destila para usarlo como combustible. El dióxido de carbono de las destilerías grandes normalmente se comprime para producir hielo seco. Otro uso del CO2 es meterlo en un invernadero. Así las plantas lo absorben y liberan oxígeno. O simplemente se puede liberar en el aire porque no es peligroso para la salud.

Lo que queda es un montón de agua y sólidos. Una parte del agua se puede reciclar en el siguiente lote. Los sólidos contienen proteínas, vitaminas, minerales, grasas y células de levadura. Conservan todo el valor nutritivo de la materia prima, salvo por el almidón o azúcar que se ha convertido en alcohol. Con esta materia se puede alimentar al ganado, o si se procesa adecuadamente sirve para la alimentación humana. Sin embargo con humedad no dura más que entre tres y cinco días. Después se pudre. Por lo tanto para almacenarlo hay que secarlo. Se puede hacer filtrando los sólidos extendiendolos para que se sequen al sol, con secadoras rotatorias, o con algún equipamiento similar.

Advertencia

El alcohol para consumo humano se produce en condiciones especiales y se purifica. El etanol producido como se explica en este libro contiene alcohol de fusel (alcoholes de alto punto de ebullición), aldehídos y cetonas. Ninguna de estas substancias perjudica al combustible, pero si se ingieren pueden causar una intoxicación mortal, o como poco una resaca terrible. Además si el alambique no es de cobre estañado o acero inoxidable, el alcohol puede contener óxidos tóxicos. La soldadura, por ejemplo, contiene plomo y puede reaccionar formando compuestos tóxicos. Además de ser ilegal, beber tu combustible puede ser peligroso.

La siguiente información es orientativa.

Cantidad de etanol en relación a la cantidad de azúcar o almidón

La cantidad de etanol que se puede producir a partir de una materia prima es aproximadamente la mitad (en peso) de la cantidad de azúcar o almidón que contenga. El etanol pesa 6,6 libras por galón. Una tonelada de uvas, por ejemplo, con un 15% de azúcar, puede producir 150 libras (22,7 galones) de etanol. El maíz, con 66% de almidón, puede producir 660 libras (100 galones). Estos datos son aproximados, la cantidad real depende de muchos factores.

Materias primas sacarosas

El proceso para fermentar materias primas sacarosas es relativamente sencillo: 1) prensado o machacado; 2) ajuste del pH con ácido; 3) fermentación. Normalmente no es necesario diluir porque el jugo contiene menos de 20% de material fermentable. La excepción son las melazas, de las que se hablará luego, que no requieren prensado pero sí dilución.

Fruta

Frutas con su contenido de azúcar: uva, 15%; banana, 13,8%; manzana, 12,2%; piña, 11,7%; pera, 10,0%; melocotón, 7,6%; naranja, 5,4%; higo chumbo, 4,2%; sandía, 2,5%; tomate, 2%.

Con una extracción del 75% en las manzanas, por ejemplo, la cantidad total de material fermentable sería del 9% del peso total. Una tonelada de manzanas proporcionaría trece galones de etanol. Suponiendo un 80% de extracción en las uvas, una tonelada proporcionaría diecisiete galones de etanol. Con sandía y 90% de extracción, una tonelada proporcionaría solamente entre 3 y 3,5 galones. Queda claro que unas frutas son mejores que otras.

En todos los casos anteriores el porcentaje de material fermentable del jugo es lo bastante pequeño para que la dilución no sea necesaria ni deseable. para fermentar estos materiales basta con ajustar el pH (entre 4,8 y 5) y añadir la levadura en una proporción de dos libras por cada mil galones de mezcla. Para proporcionar nutrientes a la levadura es deseable reciclar un 20,25% en volumen del residuo de destilación del lote anterior.

Todos estos materiales pueden ser machacados o hechos pulpa en vez de prensados. De esa forma toda el azúcar estaría disponible para la fermentación. Este método es recomendable si se utiliza un alambique por lotes que no requiera el filtrado de la pasta de fermentación.

Melazas

La melaza de remolacha o de caña es un residuo de la producción de azúcar, y una excelente materia prima para la producción de etanol. Contiene un 50-55% de material fermentable. Una tonelada podría proporcionar entre setenta y ochenta galones de alcohol.

Hay que diluir la melaza si su contenido de azúcar es mayor de 15-20%. La mayoría de las melazas no tiene suficientes nutrientes para la levadura. El reciclado del residuo de destilación es de gran ayuda. Se puede hacer hasta con el 50% (en volúmen) del residuo de destilación. Las melazas son alcalinas, por lo que hay que añadir ácido para conseguir un pH adecuado.

Sorgo

El sorgo es una buena materia prima para producir etanol porque es fácil cultivarlo y contiene un 14% de material fermentable. El mayor inconveniente para usarlo es que la extracción requiere equipamiento potente para tripurar y prensar. Un proceso alternativo es triturar los tallos tanto como sea posible y disolver el azúcar calentando (no hasta la ebullición) con una cantidad mínima de agua. Hay que repetir el proceso muchas veces para extraer la mayor parte del azúcar. En un proceso de este tipo dos extracciones de un galón son mejores que una extracción de dos galones.

Una extracción de 65% proporcionaría trece o catorce galones de etanol por tonelada. Es necesario ajustar el pH con ácido. Se puede reciclar un 25% del residuo de destilación del lote anterior.

Remolacha azucarera

La remolacha azucarera es un material excelente para la producción de etanol. Contiene 15% de azúcar, 82% de agua, y sólidos. El jugo se puede extraer en una prensa, o se puede machacar y fermentar como la fruta. Como contiene un poco de almidón se mejora la procucción añadiendo algo de malta (1-2% por peso) o de enzimas. Por supuesto también hay que ajustar el pH, y es recomentable reciclar entre el 20% y el 25% del residuo de destilación. Una tonelada de remolachas puede proporcionar 20-25 galones o más de etanol.

Tallos del maíz dulce

Los tallos del maíz dulce contienen 7-15% de azúcar y sirven para producir alcohol. Hay que triturarlos y extraer el jugo como con la caña de azúcar o los tallos de sorgo. Un proceso relativamente eficiente debería proporcionar ocho y dieciocho galones de etanol por tonelada. Es necesario ajustar el pH y reciclar entre el 20% y el 25% del residuo de destilación.

Materias primas amiláceas

Las materias primas amiláceas se muelen, se cuecen y se someten a un proceso de descomposición del almidón antes de fermentarlas. Hay excepciones como la patata y el boniato, que no se muelen, y otras como la alcachofa, en las que no hace falta descomponer el almidón. La gran producción de etanol compensa el esfuerzo extra, y la mayoría de los materiales amiláceos son buenas materias primas.

Cereales

Los cereales hay que molerlos, diluirlos, cocerlos y descomponerles el almidón antes de fermentarlos. Sin embargo contienen gran cantidad de material fermentable. El contenido medio de almidón y azúcar es: cebada, 50%; maíz, 66%; avena, 50%; centeno, 59%; grano del sorgo, 67%; trigo, 65%. La producción de etanol por tonelada depende de la descomposición del almidón, pero suele ser de entre setenta y cien galones.

Después de molerlo hay que diluirlo. La dilución media es de 56-64 galones de agua por cada cien libras de grano, dependiendo del contenido de humedad y de almidón. El método de cocer con la mínima cantidad de agua, añadiendo más antes de la descomposición del almidón, como se explicó antes, tiene la ventaja de ahorrar energía en la cocción y acelerar el enfriamiento. Es recomentable premaltear.

La cocción se hace calentando la mezcla diluida y premalteada para hervirla lentamente durante 30-60 minutos. Normalmente ya está lista cuando el grano se ha reblandecido. Después se enfría hasta 145-150º F y se añade la disolución de malta, que consiste en 2-1/2 libras de malta seca o verde por galón de agua como se explica en el apartado del malteado.

El maíz y el trigo requieren 8-10 libras de malta por cada cien libras de grano. El centeno requiere 10-12 libras de malta por cada cien libras de grano. Para otros cereales la cantidad es parecida. La malta se agita continuamente durante la descomposición del almidón. Para el trigo tarda entre cinco y quince minutos. Maíz, treinta minutos. El centeno 30-60 minutos. El tiempo real y la cantidad mínima de malta se pueden determinar haciendo pruebas como se describe en el apartado del malteado.

Después de la descomposición la mezcla se enfría hasta 70-75º F y se añade la levadura. Con la mayor parte de los cereales no hace falta ajustar el pH. No se debe reciclar más del 20% ó 25% del residuo de destilación.

A continuación se explica el procedimiento general para el maíz con las enzimas de Miles Laboratories. Con otras enzimas y materiales puede ser un poco distinto, hay que seguir las recomendaciones del fabricante.

Después de moler se diluye parcialmente con treinta y cinco galones de agua por cada cien libras de grano. Se ajusta el pH a más de 5,5, preferiblemente a 6-6,5. Se hace el premalteado o licuefacción con 0,3 onzas de la enzima Taka-Therm.

Después de un hervor suave de entre veinte y treinta minutos se añaden otros treinta y tres galones de agua para completar la dilución y completar la mezcla.

Con la mezcla a 135-140º F se ajusta el pH a 4,2 con ácido y se añaden cuatro onzas de la enzima L-100 por cada cien libras de grano. Esta enzima completa la descomposición en treinta minutos, y después de enfriar hasta 70-80º F se fermenta de la manera habitual.

Pataca

La pataca merece una atención especial porque contienen 16-18% de material fermentable. Además se puede descomponer su almidón sin malta ni enzimas si se cuece durante suficiente tiempo. Una tonelada debería proporcionar veinticinco galones de etanol. Se prepara para la fermentación machacandola y cociendola durante dos o tres horas. Si la prueba del almidón (capítulo siete) indica que aún queda almidón por descomponer, puede ser necesaria la descomposición con un poco de malta o enzimas. Con más malta o enzimas se puede acortar el tiempo de cocción. Por ejemplo, sería suficiente una cocción de treinta minutos seguida por una descomposición con 3-6% de malta o la cantidad equivalente de enzima. No es necesario diluir porque contiene un 79-80% de agua. Después de la cocción hay que ajustar el pH. La fermentación se hace de la manera habitual.

Patata

Las patatas contienen 15-18% de material fermentable y son una fuente tradicional de alcohol. De media una tonelada de patatas proporciona 22-25 galones de etanol. Las patatas podridas o germinadas también sirven, y el uso de patatas germinadas reduce la cantidad de malta o enzima necesaria.

Comercialmente se cuecen con vapor y presión. Este es un método alternativo: Se trituran las patatas o se cortan y se ponen en la olla con tan poca agua como sea posible. Se tapa la olla y se cuecen hasta que queden hechas papilla. Es recomendable premaltear para reducir la viscosidad. Después se enfría hasta la temperatura de descomposición. Normalmente hacen falta 3-4 libras de malta por cada cien libras de patata. Hay que agitar continuamente durante la descomposición, que tarda entre quince y veinte minutos.

Como los tiempos de cocción y descomposición pueden cambiar, dependiendo de la cantidad de almidón, es recomendable hacer varios intentos y la prueba del almidón. Después se ajusta el pH y se hace la fermentación de la manera habitual.

Para procedimientos específicos de enzimas con patatas consultar al fabricante de las enzimas. Debería ser suficiente la mitad de las cantidades indicadas para el maíz.

Boniato

El boniato contiene 22% de almidón y 5-6% de azúcar, que es en total un 27-28% de material fermentable. Una tonelada debería proporcionar cuarenta galones de alcohol. Los boniatos se cuecen y descomponen más o menos como las patatas, con la excepción de que contienen solamente un 66% de agua y hay que diluir.

Materias primas celulósicas

La siguiente “receta” para la descomposición de la celulosa está basada en dos enzimas de Novo Laboratories. La enzima “Celluclast” se produce a partir del hongo Trichoderma viride. Rompe la celulosa en celobiasa y glucosa. La primera no es fermentable, por lo que es necesaria la enzima “Celulasa” para romperla. Las dos enzimas juntas pueden descomponer la celulosa casi con un 100% de eficiencia.

Sin embargo para que actuen tienen que llegar hasta la celulosa. Los materiales celulósicos hay que triturarlos, picarlos, o romperlos de alguna otra manera para conseguir unas partículas tan pequeñas como sea posible.

Después de triturarlo se mezcla con un poco de agua para formar una pasta. Se ajusta el pH entre 4,5 y 6 , y se añaden las enzimas.

Es imposible determinar la cantidad exacta de celulosa “accesible”, y hay que hacer una estimación de la cantidad de enzimas. Normalmente los materiales celulósicos secos como la madera, la paja, las mazorcas de maíz, etc. tienen los menores rendimientos. Esto es así porque la celulosa está rodeada de lignina, y la cantidad accesible depende del tamaño de las partículas. Materiales como los recortes de hierba, y todos los materiales celulósicos verdes y húmedos, tienen los mejores rendimientos. Esto es así en parte porque tienen menos lignina y en parte porque tienen algo de glucosa. Los mayores rendimientos se consiguen con materiales como el papel y el algodón que son casi celulosa pura.

Una cantidad aproximada de enzima para todos los materiales mencionados podría ser de 2% de Celluclast y 0,2% de Celulasa en peso respecto a la cantidad de celulosa. Si las astillas de madera tienen 5% de celulosa disponible, habrá que poner 0,1% de la primera enzima y 0,01% de la segunda. Serían 32 onzas de Celluclast y 3,2 onzas de Celulasa por cada tonelada de madera. Los periódicos podrían tener 50-80% de celulosa disponible y haría falta más enzima.

La temperatura óptima para las enzimas es de 140º F. La mezcla debe estar a dicha temperatura durante dieciseis horas. Después se enfría hasta 80-90º F y se fermenta de la manera habitual. Antes de añadir la levadura hay que ajustar el pH.

Se recomienda hacer pruebas de descomposición y fermentación para determinar la mínima cantidad necesaria de enzima para el máximo rendimiento.

Una sencilla receta para la celulosa verde es triturar y fermentar. Como se dijo antes, Las plantas producen primero glucosa (que es fermentable) y después la transforman en celulosa. Los rendimientos están basados en la cantidad de glucosa, porque con este método la celulosa no se fermenta.

Tratamiento con múltiples enzimas

Todos los materiales empleados para la producción de etanol tienen algo de celulosa. Por lo tanto podría merecer la pena experimentar con pequeñas cantidades de enzimas para celulosa junto con los otros pasos del proceso. Los materiales sacarosos podrían beneficiarse de un paso de descomposición de celulosa. Los materiales amiláceos podrían tener enzimas para celulosa junto con las enzimas para almidón durante la descomposición. Dependiendo de la cantidad de celulosa disponible, este procedimiento podría mejorar mucho el rendimiento.


© Copyright 1980 J.A. Diaz Publications
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