Proyecto QMC 200 Laboratorio

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS

OBTENCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE FERMENTACIÓN MEDIANTE UN PROCESO DE DESTILACIÓN DOCENTE:

Ing. Alfredo Alvares Cossio

INTEGRANTES: 

Univ. Canqui Mamani Lider Ramiro



Univ. Catunta Choque Eddy Bryan



Univ. Nina Foronda Fabritzio Fabian

Universidad Mayor de San Andrés Etanol Facultad de Ingeniería Laboratorio de Química Orgánica

Proyecto de Obtención de

INDICE 1. 2.

3.

4.

5.

6.

7. 8.

ANTECEDENTES OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS FUNDAMENTO TEORICO 3.1 FERMENTACION ALCOHOLICA 3.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO FERMENTATIVO 3.2.1 GRADOS BRIX 3.2.2 TEMPERATURA 3.3 DESTILACION 3.3.1 DESTILACION SIMPLE 3.3.2 DESTILACION FRACCIONADA PARTE EXPERIMENTAL 4.1 PROCESO DE FERMENTACION DE LA FRUTA 4.2 MONTAJE DE SISTEMA DE DESTILACIÓN SIMPLE Y FRACCIONADA DATOS EXPERIMENTALES 5.1 MATERIALES DEL SISTEMA 5.2 MATERIALES DEL PROCEDIMIENTO 5.3 REACTIVOS CALCULOS Y RESULTADOS 6.1 VOLUMENES DE LOS LIQUIDOS FERMENTADOS 6.2 DENSIDADES INICIALES DEL FERMENTADO 6.3 DENSIDADES FINALES DEL FERMENTADO 6.4 DENSIDAD DE LOS DESTILADOS DE LA UVA MORADA 6.5 DENSIDAD DE LOS DESTILADOS DE LA UVA VERDE 6.6 DENSIDAD DE LOS DESTILADOS DE LA NARANJA 6.7 COMPARACION DE LA DENSIDAD CON EL GRADO ALCOHOLICO CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA Y LINKOGRAFIA

LAPAZ-BOLIVIA

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OBTENCION DE ETANOL A PARTIR DE LA FERMENTACION DE FRUTAS MEDIANTE PROCESO DE DESTILACION 1. ANTECEDENTES La producción de etanol siempre ha tenido como objetivo el consumo humano y la obtención de bebidas alcohólicas concentradas mediante destilación. Su uso como materia prima se inicia a principios de la microbiología industrial, pero su obtención se lleva a cabo mediante la hidratación catalítica de etileno. No es hasta hace pocos años cuando la atención ha vuelto de nuevo a la producción por fermentación del etanol para fines químicos y como combustibles. Entre los países en los que se están llevando a cabo estudios intensivos sobre la producción de etanol a partir de carbohidratos como la sacarosa y el almidón, se debe destacar a Brasil dado que tiene el clima y terreno adecuados para la producción a gran escala de azúcar de caña, sin embargo, la eficacia de rendimiento de energía varía según el material de partida. El etanol es un compuesto químico obtenido a partir de la fermentación de los azucares, puede utilizarse como disolvente en la fabricación de fármacos, plásticos, lacas, barnices, plastificantes, perfumes, cosméticos, aceleradores de caucho etc.; a su vez puede utilizarse como combustible, solo, o bien mezclado en cantidades variadas con gasolina, y su uso en este campo se ha extendido principalmente para reemplazar el consumo de derivados del petróleo; además es pertinente señalar que el alcohol etílico se usa para elaborar bebidas alcohólicas, como vino, cerveza, licor, etc. 1

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2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL Obtener alcohol etílico (etanol) a partir de la fermentación de frutas mediante un proceso de destilación simple y fraccionada. 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS Demostrar la utilidad del proceso anaerobio. Identificar las condiciones óptimas para obtener la mayor cantidad de alcohol a partir de la fermentación de frutas. Hallar la relación de densidad de las muestras y el grado alcohólico. 3. FUNDAMENTO TEORICO 3.1 FERMENTACION ALCOHOLICA La fermentación alcohólica es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de oxígeno O2, originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general, azucares por ejemplo, la glucosa, la fructosa, la sacarosa, es decir, cualquier sustancia que tenga la forma empírica de la glucosa, es decir, una hexosa) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol ( cuya formula química es CH3-CH2-OH), dióxido de carbono CO2 en forma de gas y moléculas de adenosín trifosfato (ATP) que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaerobio. El etanol resultante se emplea en la elaboración de algunas bebidas alcohólicas, tales como el vino, la cerveza, la sidra, el cava, etc. En la actualidad ha empezado a sintetizarse también etanol

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mediante la fermentación a nivel industrial a gran escala para ser empleado como biocombustible. La fermentación alcohólica tiene como finalidad biológica proporcionar energía anaeróbica a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de oxígeno a partir de la glucosa. En el proceso, las levaduras obtienen energía disociando las moléculas de glucosa y generan como desechos alcohol y CO2. Las levaduras y bacterias causantes de este fenómeno son microorganismos muy habituales en la frutas y cereales y contribuyen en gran medida al sabor de los productos fermentados. Una de las principales características de estos microorganismos es que viven en ambientes completamente carentes de oxígeno, máximo durante la reacción química, y es por ello que la fermentación alcohólica es un proceso anaerobio. C 6 H 12O 6( s)→2 CH 3−CH 2 OH (l)+2 CO 2(g)

3.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO FERMENTATIVO 3.2.1

GRADOS BRIX El mosto para fermentación alcohólica debe tener un brix entre 16 y 20, pues si el brix es muy bajo el grado alcohólico obtenido será pobre, por lo contrario, si el brix es muy alto la fermentación no se efectúa, pues la presión osmótica que se ejerce sobre los microorganismos es grande y no permite que actúen sobre los azucares.

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3.2.2

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TEMPERATURA La temperatura durante la fermentación debe controlarse ya que durante la misma se produce un relativo de esta, pues la descomposición de los azucares produce una reacción exotérmica es decir con desprendimiento de calor. La temperatura óptima para la fermentación oscila entre 24 y 32 °C siendo 27 °C la más adecuada. Si la temperatura es muy baja la fermentación es lenta, si la temperatura excede de los 35 °C disminuye la acción de los microorganismos y si aumenta por encima de los 40 esta se puede detener.

3.3 DESTILACION La destilación constituye el método más frecuente e importante para la purificación de líquidos. Se utiliza siempre en la separación de un líquido de sus impurezas no volátiles y, cuando ello es posible, en la separación de dos o más líquidos. 3.3.1

DESTILACION SIMPLE Para la destilación sencilla se utiliza el aparato representado en la Figura 1 montado sobre dos soportes. Consta de un matraz de destilación, provisto de un termómetro. El matraz descansa sobre una placa calefactora. El matraz de destilación va unido a un refrigerante con camisa de refrigeración por la que circula agua en contracorriente.

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Finalmente, el extremo inferior del refrigerante se une a una alargadera que conduce el destilado al matraz colector.

El líquido que se quiere destilar se pone en el matraz (que no debe llenarse mucho más de la mitad de su capacidad) y se calienta con la placa calefactora. Cuando se alcanza la temperatura de ebullición del líquido comienza la producción apreciable de vapor, condensándose parte del mismo en el termómetro y en las paredes del matraz. La mayor parte del vapor pasa a través de la tubuladura lateral de la cabeza de destilación al refrigerante donde se condensa debido a la corriente de agua fría que asciende por la camisa de este. El destilado

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(vapor condensado) escurre al matraz colector a través de la alargadera. Durante la destilación el extremo superior del bulbo termométrico debe quedar justamente a la altura de la horizontal que pasa por la parte inferior de la tubuladura lateral de la cabeza de destilación (figura 1), de tal forma que todo el bulbo sea bañado por el vapor que asciende. La destilación debe hacerse con lentitud, pero sin interrupciones, manteniendo para ello la calefacción adecuada. Casi todos los líquidos tienden a sobrecalentarse (alcanzar una temperatura algo superior al punto de ebullición). Se encuentran entonces en un estado metaestable que se interrumpe periódicamente al formarse súbitamente una gran burbuja de vapor en el seno del líquido. Se dice entonces que este hierve a saltos. Para evitar esto, antes de iniciar la destilación se añaden al líquido uno o dos trocitos de porcelana porosa o perlas de ebullición, cuyos pequeños poros constituyen un lugar adecuado para la formación de núcleos de burbujas, hirviendo así el líquido normalmente al alcanzarse la temperatura de ebullición. 3.3.2

DESTILACION FRACCIONADA Es una técnica que permite la realización de una serie de destilaciones sencillas en una sola operación continua. Una columna sencilla como la representada en la Figura 2, puede rellenarse con cualquier tipo de sustancia inerte que posea gran 6

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superficie, por ejemplo, anillos o hélices de vidrio, alambre, trocitos de arcilla, fragmentos de porcelana o de carborundo, etc.

A medida que los vapores calientes suben a través del relleno, se van condensando en todas las zonas de la columna. El condensado gotea a través del relleno; al gotear y descender tiene lugar un intercambio de calor continuo con los vapores calientes, que continúan ascendiendo por toda la superficie del relleno. Si el condensado acepta en algún punto calor de los vapores se reevapora y el vapor formado será más rico en el componente más volátil que el condensado, a la vez, el vapor al haber perdido calor por habérselo cedido al condensado, se condensa parcialmente. Este condensado es más rico en el componente menos volátil. Cuando este proceso se repite muchas veces a través de toda la altura de una columna eficaz, 7

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acaba por producir vapor puro del componente de menor punto de ebullición, que pasa a través de la cabeza de destilación hacia el refrigerante. El residuo en el matraz de destilación se va enriqueciendo, mientras tanto, en el componente de mayor punto de ebullición de una manera continua. El componente de menor punto de ebullición continúa pasando a su temperatura de ebullición hasta que se separa completamente de la mezcla. Entonces, la temperatura de los vapores que destilan se eleva hasta el punto de ebullición del componente menos volátil de forma que este empieza a llegar al refrigerante. Se denomina destilación fraccionada a la totalidad del proceso.

4. PROCESO EXPERIMENTAL 4.1 PROCESO DE FERMENTACIÓN DE LA FRUTA (UVA O NARANJA PARA ESTA EXPERIENCIA) 8

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El primer paso es escoger materia prima de calidad. Estrujado de las frutas El siguiente paso es sacar el zumo, llamado mosto. Se pueden estrujar con una prensa pequeña, una moledora o un extractor.

La fermentación Para que fermente, el mosto se tiene que colocar en vasijas, orzas o damajuanas. En la fermentación deben estar presentes los sólidos del estrujado. En la elaboración, el mosto debe fermentar junto al zumo, los hollejos y semillas, entre otros. Esto se debe a que, de esta forma, obtiene mejor color, aroma y textura. La temperatura de la fermentación no debe sobrepasar los 30ºC. El tiempo de fermentación, por otra parte, dependerá del volumen a fermentar. Para la experiencia se debe verter la solución en un recipiente sellado que posea un escape (manguera), de tal forma que los gases que se produzcan puedan salir, se debe sumergir el otro extremo del escape en un recipiente con agua en el mismo donde burbujeara el tiempo que dure la fermentación, de esa forma se evitara el contacto con el medio externo al sistema.

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Clarificación y filtrado Una vez finalizada la fermentación, se separa el líquido de los sólidos y se filtra el zumo. Se utilizan clarificantes que ayudan a filtrar y limpiar, y se dejan actuar durante dos o tres días. Los usados actualmente consisten en bentonitas y otros productos que no alteren el aroma del zumo. Hay que filtrar el zumo al menos tres veces, con una graduación de filtros de más gruesos a más finos. Los filtros los puedes adquirir en tiendas especializadas o laboratorios.  Con todo lo mencionado el resultado será una solución que se someterá a destilación ya sea simple o fraccionada. 4.2 MONTAJE DE SISTEMA DE DESTILACIÓN SIMPLE Y FRACCIONADA 1.-Montar el aparato de destilación fraccionada con un matraz de fondo redondo de 500 mL, lubrifique todas las juntas esmeriladas con grasa.

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2.- Añadir en el matraz de 250(uva morada), 250(uva verde), 238 (naranja) además de 8 perlas de ebullición.

3.- Tapar el balón de destilación con dos tapones colocados correctamente, el termómetro de 0 a 110ºC cuyo bulbo debe quedar levemente por debajo de la salida lateral del balón para medir la temperatura del vapor que asciende y condensa. 4.- Conectar a contracorriente a la circulación de vapor las mangueras de entrada y salida de agua al refrigerante. Verificar la hermeticidad de las conexiones. 11

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5.- Etiquete y enumere cuatro matraces Erlenmeyer pequeños para recoger las fracciones siguientes y los rangos de temperatura.

6.- Graduar la temperatura de modo de asegurar un calentamiento suave y continuo. Anotar la temperatura a la que empieza a destilar la primera gota y las subsiguientes de acuerdo a los siguientes datos. INTERVALO DE TEMPERATURAS (Co)

TIEMPO (min)

(TEMPERATURA AMBIENTE 17°C) 60-70

5 o 10

70-80

5 o 10

80-90

5 o 10

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7.- Cuando la temperatura alcance (65, 75, 85) ºC interrumpa la destilación y enfrié el matraz de destilación dejando que gotee durante el tiempo establecido en él. 8.- Mida con una probeta graduada los volúmenes de destilado obtenido en cada fracción, así como el del residuo del matraz. Anote los volúmenes obtenidos. 5. DATOS EXPERIMENTALES 5.1 MATERIALES DEL SISTEMA No

MATERIAL

CARACTERÍSTICA

1

Soportes universales

2

2

Pinza nuez

4

3

Manta calefactora

1

4

Matraz de fondo redondo tres cabezas

5

Cabeza de destilación

1

6

Termómetro

1

7

Refrigerante

1

8

Alargadera o terminal de destilación

1

9

Mangueras

2

10

Perlas de ebullición

8

11

Columna de Vigreux

1

12

Vaselina blanca

1

500mL

13

CANTIDAD

1

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5.2 MATERIALES DE PROCEDIMIENTO No

MATERIAL

CARACTERISTICAS

CANTIDAD

1

Matraz Erlenmeyer

50mL

1

2

Vasos de precipitados

50mL

3

3

Cepillo

1

4

Piseta

1

5

Probeta

6

Vidrio de Reloj

1

7

Tubos de ensayo

4

8

Gradilla

1

9

Pipeta graduada

10

Pro pipeta

11

Balanza

100mL

10mL

1

1 1

Cap.(120g) error. (0.001g)

14

1

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5.3 REACTIVOS No

REACTIVOS

CARACTERISTICAS CANTIDAD

1

Uva morada fermentada

250mL

1

2

Uva verde fermentada

250mL

1

3

Naranja fermentada

238mL

1

6. CALCULOS Y RESULTADOS 6.1 VOLUMENES DE LOS LIQUIDOS FERMENTADOS Vo (Volumen inicial mL) 250 250 238

El tiempo de fermentacion de la uva morada 6 dias con levadura seca activa El tiempo de fermentacion de la uva verde 13 dias con levadura seca activa El tiempo de fermentacion de la naranja 19 sin levadura

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6.2 DENSIDADES INICIALES DEL FERMENTADO Masa vaso precipitado = 35.190 g

Masa vaso precipitado = 35.125 g

Volumen mL Uva morada*

-

Masa (destilado+ vaso precipitado) -

Uva verde

50

83.090

Naranja

20

53.216

ρo ( uva verde )=

83.090−35.190 50

ρo ( uva verde )=0.958

ρo ( naranja )=

[ ] gr mL

53.216−35.125 20

ρo ( naranja )=0.9046

[ ] gr mL

6.3 DENSIDADES FINALES DEL FERMENTADO Masa vaso precipitado = 35.190 g

Masa vaso precipitado = 35.125 g

Volumen (mL)

Masa destilado+ vaso precipitado (gr)

Uva morada*

-

-

Uva verde

50

83.830

Naranja

20

49.376

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ρo ( uva verde )=

83.830−35.190 50

ρo ( uva verde )=0.9728

ρo ( naranja )=

[ ] gr mL

49.376−35.125 20

ρo ( naranja )=0.7093

[ ] gr mL

6.4 DENSIDAD DE LOS DESTILADOS DE LA UVA MORADA Para la destilacion simple de la uva morada se priorizo solamente la obtencion del etanol, viendo el color del destilado y haciendo la prueba de la combustion observando el color de la flama.

En los 3 intervalos de temperatura las 3 muestras combustionaron con la flama corespondiente al etanol, color del liquido casi trasparente . En los 3 intervalos de temperatura las 3 muestras combustionaron con la flama corespondiente al etanol, color del liquido casi trasparente

6.5 DENSIDAD DE LOS DESTILADOS DE LA UVA VERDE Masa del matraz = 36.29 gr T1-T2

Volumen (mL)

Masa destilado+ Matraz (gr)

Tiempo(min)

60-70

1.5

37.66

5

70-80

4.45

40.26

5

80-90

9.00

45.09

5

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ρ1 ( uva verde ) =

37.66−36.29 1.5

ρ 1 ( uva verde ) =0.913

ρ2 ( uva verde ) =

gr mL

40.26−36.29 4.45

ρ2 ( uva verde ) =0.892

ρ3 ( uva verde )=

[ ]

[ ] gr mL

45.04−36.29 9

ρ3 ( uva verde )=0.978

[ ] gr mL

En los 3 intervalos de temperatura las 3 muestras combustionaron con la flama corespondiente al etanol, color del liquido casi trasparente.

6.6 DENSIDAD DE LOS DESTILADOS DE LA NARANJA Masa vaso precipitado= 35.125 gr T1-T2

Volumen (mL)

Masa destilado+ vaso precipitado

Tiempo(min)

(gr) 60-70

1.4

37.922

10

70-80

6.3

38.015

10

80-90

5.7

37.535

5

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ρ1 ( naranja )=

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37.922−35.125 1.4

ρ 1 ( naranja )=1.998

ρ2 ( naranja )=

gr mL

38.015−35.125 6.3

ρ2 ( naranja )=0.459

ρ3 ( naranja )=

[ ]

[ ] gr mL

37.535−35.125 5.7

ρ3 ( naranja )=0.423

[ ] gr mL

En los 3 intervalos de temperatura solo 2 combustionaron de la manera correcta con el color de la flama correspondiente color del liquido casi transparentes. El tercer y ultima muestra no combustiona correctamente apagandose muy rapido la flama pero con el color correcpondiente al etanol, más opaco de las demas muestras .

6.7 COMPARACION DE LA DENSIDAD CON EL GRADO ALCOHOLICO De acuerdo con la siguiente tabla DENSIDAD (g/ml)

GRADO ALCOHOLICO (%vol)

0.989

8

0.988

9

0.987

10

0.985

11

0.984

12 19

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0.983

13

0.982

14

A mayor densidad existe menor grado alcoholica, por tanto, evaluando el destilado de uva verde, que es el que se realizo con mayor meticulosidad, se confirma que en un intervalo de temperatura de 70 – 80 °C existira una destilacion adecuada para un alcohol mas puro. 7. CONCLUSIONES Se evidenció la obtención de alcohol etílico a partir de la fermentación de frutas mediante un proceso de destilación. El proceso anaerobio es de suma importancia en el proceso de fermentacion y debe ser monitoreada de acuerdo a condiciones de temperatura ademas de la fijacion y sellado correcto del sistema. Se establecio que las condiciones para obtener un etanol mas puro son de una temperatura de entre 70- 80 °C. La relacion existente entre la densidad de la solucion destilada y el grado alcoholico es inversamente proporcional, esto hasta alcanzar una densidad parecida a la del agua o parecida a la de un alcohol puro en su totalidad esto es desde 1.000 - 0.789 (g/ml) respectivamente. 8. BIBLIOGRAFIA Y LINKOGRAFIA Guia de laboratorio de organica Ing. Roberto Parra Zeballos, Ing. Alfredo Alvarez Cosio, Ing. Eduardo Invernizzi Bellmar Edicion; 2006 20

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Quimica Organica L. G. Wade Jr., Volumen 1, Septima Edición https://www.youtube.com/results? search_query=obtencion+de+alcohol+mediante+uvas https://www.youtube.com/watch?v=i3uQSGzKY0E

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