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Informe de Investigación 2015
Comparación de los parámetros físicos de la Sidra en el Biorreactor y la Sidra artesanal
Autores
Berrospi Piscoya, Giuliana Zonali
Carranza Osorio, André Rolando
Cerdán Becerra, Manuel David
Huatuco Lozano, Maribel (Asesor)
Escuela Profesional de Ingeniería Agroindustrial
Facultad de Ingeniería Industrial y de Sistemas
Universidad Nacional Federico Villarreal
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COMPARACIÓN DE LOS PARÁMETROS FÍSICOS DE LA SIDRA EN EL
BIORREACTOR Y LA SIDRA ARTESANAL
Berrospi, G., Carranza, A., Cerdán, M. y Asesora Huatuco Lozano Maribel
RESUMEN
En el presente trabajo de investigación se construyó un biorreactor prototipo de tanque agitado
batch para la producción de sidra en el biorreactor y sidra artesanal, y posteriormente se realizó
una comparación de los resultados obtenidos por las evaluaciones con parámetros físicos
realizados. La importancia de la instrumentación de un biorreactor prototipo radicó en la
necesidad de tener en los cultivos un control que permitió optimizar el proceso.
La estrategia de control comenzó con la medición de las variables que proporcionaron un
ambiente adecuado en un proceso de fermentación. En general se utilizaron sistemas de
monitoreo y almacenamiento de algunas variables importantes como son la temperatura, pH,
densidad y porcentaje de alcohol. Para llevar a cabo el monitoreo de las variables, se requirió de
conocimientos de mecánica y electrónica para la implementación de los circuitos electrónicos
involucrados en los dispositivos de medición (agitación - motor de 180rpm).
Se realizaron evaluaciones de los parámetros físicos en la sidra en el biorreactor y en la sidra
artesanal conforme al tiempo en que se iba realizando la fermentación (4 días). Los resultados
obtenidos en los diferentes parámetros fueron:
La muestra fermentada artesanalmente tomó una concentración de 7.25°B a las 90 h;
mientras que la muestra fermentada en el biorreactor, alcanzó la misma concentración en
menos de 1 día.
El % alcohol de la Sidra fermentada artesanalmente fue de 0.3% y el de la Sidra
fermentada en el biorreactor fue de 0.61%.
El descenso del pH de la Sidra en el biorreactor fue mucho más rápido.
La temperatura de la fermentación en el biorreactor fue mucho más elevada que la
fermentación artesanal.
De esta manera, se logró controlar un proceso fermentativo en un biorreactor prototipo.
Palabras claves: Biotecnología, biorreactor, microorganismos, manzana (Pyrus malus),
fermentación alcohólica y sidra.
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ABSTRAC
In this research prototype bioreactor batch stirred tank for cider production in the bioreactor and
artisanal cider was built, and then a comparison of the results obtained by the evaluations
performed physical parameters was performed. The importance of the implementation of a
prototype bioreactor lay in the need for control in crops which helped to optimize the process.
The control strategy began with the measurement of the variables that provided a suitable
atmosphere in a fermentation process. Overall monitoring systems and storage of some important
variables are used as temperature, pH, density and percentage of alcohol. To carry out the
monitoring of variables, it required knowledge of mechanics and electronics for the
implementation of electronic circuits involved in measurement devices (shaking - 180rpm
engine).
Evaluations of the physical parameters in the cider in the bioreactor and artisanal cider according
to the time would performing fermentation (4 days) were performed. The results obtained in the
various parameters were:
The artisan took fermented shows a concentration of 7.25 ° B to 90 h; while the sample
fermented in the bioreactor reached the same concentration in less than 1 day.
The% alcohol artisan fermented cider was 0.3% and fermented cider in the bioreactor was
0.61%.
The decrease in pH of Sidra in the bioreactor was much faster.
The temperature of fermentation in the bioreactor was much higher than artisanal
fermentation.
Thus, it was possible to control a fermentation process in a bioreactor prototype.
Keywords: Biotechnology, bioreactor, microorganisms, apple (Pyrus malus), cider and alcoholic
fermentation.
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I. INTRODUCCIÓN
La construcción del biorreactor prototipo tiene un sistema de agitación en el cual se tomaron en
cuenta las características de motores eléctricos, medición de velocidad, instalación y control, para
así poder realizar las modificaciones necesarias al sistema de agitación propuesto. Así mismo la
construcción del soporte estuvo directamente proporcional a la capacidad del contenedor del
medio.
Para la evaluación de nuestro biorreactor prototipo se realizó la producción de Sidra, para una
buena elaboración fue importante poseer los conocimientos adecuados como los que nos otorgó
el CODEX ALIMENTARIO.
Se concluyó con la presentación de los resultados obtenidos de la producción de Sidra, en el
biorreactor y artesanalmente, y los análisis que se realizaron. De igual manera se presentaron las
conclusiones a las que se llegó después de terminada la construcción del biorreactor y la
producción de la sidra y las recomendaciones para trabajos futuros en el biorreactor.
El objetivo principal de este proyecto fue construir un prototipo de biorreactor a nivel
experimental para la fermentación del jugo de manzanas, en donde se pudo llevar a cabo el
monitoreo de las variables: temperatura, pH, densidad y % alcohol.
II. MÉTODO
Se utilizó un método experimental deductivo para determinar la aplicabilidad del uso del
biorreactor prototipo para la elaboración de sidra.
Diseño Experimental
El trabajo de investigación estuvo conformado por dos grupos experimentales (Tabla 1):
En donde:
Ap = Asignación de la variedad de manzana israel (Pyrus malus) a los grupos control y
experimental.
G1, G2 = Grupos control (sidra artesanal) y grupo experimental (sidra en biorreactor).
ODía1, ODía2… ODía4 = Observación inicial y observación durante los próximos 3 días de los
grupos control y experimental.
Tabla Nº 1: Modelo de Diseño Experimental
Ap G1
ODía1 ODía2 al Día4
T1G1 T2G1...T4G1
D1G1 D2G1...D4G1
Ph1G1 Ph2G1...Ph4G1
Ap
G2
T1G2
D1G2
Ph1G2
T2G2...T4G2
D2G2...D4G2
Ph2G2...Ph4G2
Fuente: elaboración propia
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T1G1, T2G1…T4G1 = Temperatura día 1 y temperatura día 2 al día 4 respectivamente del
grupo control.
D1G1, D2G1…D4G1 = Densidad día 1 y densidad día 2 al día 4 respectivamente del grupo
control.
pH1G1, pH2G1… pH4G1 = pH del día 1 y pH del día 2 al día 4 respectivamente del grupo
control.
T1G2, T2G2…T4G2 = Temperatura día 1 y temperatura día 2 al día 4 respectivamente del
grupo experimental.
D1G2, D2G2…D4G2 = Densidad día 1 y densidad día 2 al día 4 respectivamente grupo
experimental.
pH1G2, pHG2… pH4G2 = pH del día 1 y pH del día 2 al día 4 respectivamente grupo
experimental.
A. Construcción del Biorreactor
- Se procedió armar el contenedor del medio, el cual consistió en un recipiente de plástico
de altura: 17,2 cm y 15,3 de diámetro. En uno de los orificios de la tapa se colocó una
manguera de silicona para la salida del CO2 y por el otro extremo de la manguera se
colocó un vaso de precipitado con agua, donde burbujeó la salida del gas (Ver anexos:
Fig. N°1 y Fig. N°4). Los otros dos orificios extremos de la tapa del contenedor, sirvió
para medir la densidad y la temperatura de la sidra.
- Al envase de polipropileno, se le realizó una perforación circular de 5 cm de diámetro
para colocar a presión un caño que sirvió como desfogue para extraer la sidra al final del
proceso sin necesidad de abrir el contenedor (Ver anexos: Fig. N°4).
- El agitador de 10,6 cm de diámetro (Ver anexos: Fig. N°2) se conectó a una varilla de
bronce de 30,5 cm de altura y 0,7 cm de diámetro, lo que le permitió poder ingresar por el
orificio central de la tapa del contenedor (Ver anexos: Fig. N°1).
- El soporte estuvo conformado por 3 tubos de aluminio de 50 cm de largo, se le añadió en
la parte inferior de los tubos 3 tapas de plástico (Ver anexos: Fig. N°3), en su parte
superior presento un disco de acero galvanizado de 26 cm de diámetro, el cual tuvo un
orificio centro de 5 cm diámetro por donde se colocó el motor.
- Instalar el motor de un destornillador eléctrico de 180 rpm, el cual se colocó de forma
vertical.
- En la parte baja del soporte se colocó un anillo de aluminio que con ayuda de un taladro
se pudo instalar 3 tornillos para sujetar al biorreactor. A estos tornillos se les colocó
tapones de 2 cm de diámetro para proteger el contenedor de raspones o evitar algún tipo
de daño (Ver anexos: Fig. N°3).
- Para armar el biorreactor se colocó el contenedor del medio en el anillo inferior y se
instaló el motor en el orificio superior del soporte. Se procedió a unir y conectar el motor
con el extremo de la vara que está afuera del contenedor.
- Finalmente se conectó a la corriente el motor (Ver anexos: Fig. N°4).
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B. Elaboración de Sidra Artesanal y Sidra en el Biorreactor
- Se lavó y desinfectó con cloro 5 kilos de Manzana Israel (Pyrus malus) por 10 minutos,
luego se enjuagó.
- Se realizó el pelado y se retiraron las pepas de las manzanas para la obtener la pulpa.
- Se cortó en pequeños trozos la Manzana Israel (Pyrus malus) y se incorporó a un extractor
para obtener el zumo de manzana.
- Seguidamente se filtró el zumo de manzana utilizando una gasa quirúrgica.
- Se depositó 1,5 litros de zumo en el biorreactor y 1 litro en un envase.
- Para la obtención final de la sidra se dejó que fermentara el zumo de manzana por 4 días,
para obtener la sidra artesanal se dejó que fermentara en un envase y en el caso de la
fermentación por el biorreactor, se agitó todos los días a una misma hora por 20 minutos.
- Se tomó los datos iniciales de los parámetros físicos (temperatura, densidad, pH y %
alcohol) para comparar.
- Posterior a la extracción de los datos iniciales se fermentó durante 4 días tanto para
obtener sidra artesanal como la fermentada en el biorreactor (Ver anexos: Fig. N°5 y Fig.
N°6).
C. DOP de la Elaboración de Sidra
Se realizó el Diagrama de operaciones de proceso de la Sidra sintetizando las operaciones
realizadas. (Ver anexos: Fig. N°7).
D. Evaluación de Parámetros Físicos en la Sidra Artesanal y en el Biorreactor
Las evaluaciones físicas de la sidra se realizaron durante 4 días de fermentación siendo los
parámetros: la temperatura, la densidad, pH y %alcohol. Estos análisis se hicieron tanto a la sidra
elaborada de manera artesanal como a la obtenida utilizando el biorreactor
Determinación de la temperatura
Se determinó la temperatura de la Sidra en el Biorreactor insertando el termómetro en uno de los
orificios de la tapa del contenedor y se tomó lectura de la medida. Se realizó este procedimiento
los 4 días de la fermentación.
Así mismo se determinó la temperatura de la Sidra Artesanal insertando el termómetro en el
recipiente en donde se llevó a cabo la fermentación. De igual manera se realizó los 4 días de la
fermentación (Ver anexos: Fig. N°8).
Determinación de la densidad
Se determinó la densidad de la Sidra en el Biorreactor insertando el aerómetro en uno de los
orificios de la tapa del contenedor y se tomó lectura de la medida y se realizaron los cálculos. Se
realizó este procedimiento los 4 días de la fermentación.
Así mismo se determinó la densidad de la Sidra Artesanal insertando el aerómetro en el recipiente
en donde se llevó a cabo la fermentación y se tomó lectura de la medida y se realizaron los
cálculos. De igual manera se realizó los 4 días de la fermentación (Ver anexos: Fig. N°9).
Determinación del pH
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Se determinó el pH de la Sidra en el Biorreactor tomando una muestra de la fermentación e
insertando la cinta pH y se tomó lectura de la medida. Se realizó este procedimiento los 4 días de
la fermentación.
Así mismo se determinó el pH de la Sidra Artesanal tomando una muestra de la fermentación e
insertando la cinta pH y se tomó lectura de la medida. De igual manera se realizó los 4 días de la
fermentación.
Determinación del % alcohol
“[ ]… con estas mediciones, se puede conseguir el valor estimado del contenido alcohólico
durante la fermentación y utilizar la fórmula creada por el autor inglés Cyril J. Berry: Alcohol
(v/v) = (Densidad Inicial - Densidad Final) / 7.36”1
Con los resultados obtenidos de la densidad, se realizaron los cálculos para obtener el % de
alcohol con la siguiente fórmula:
% Alcohol: 𝐃𝐞𝐧𝐬𝐢𝐝𝐚𝐝 𝐈𝐧𝐢𝐜𝐢𝐚𝐥−𝐃𝐞𝐧𝐬𝐢𝐝𝐚𝐝 𝐅𝐢𝐚𝐧𝐥
𝟕.𝟑𝟔
III. RESULTADOS
Tabla N°2: Evaluaciones obtenidas al evaluar la sidra fermentada
artesanalmente y la fermentada en el biorreactor.
Temperatura
El comportamiento de la temperatura se explica por diversos factores, siendo los más importantes
la T° del ambiente, de las muestras y de cada etapa de fermentación en la que se encontró el
proceso.
Además (Ver anexo: Fig.10), se observó que, por tendencia, la muestra que estuvo en el
biorreactor estuvo por encima de la que se fermentó de manera artesanal.
1 Silva, F. Calderón, D. (2013). Guía para la elaboración artesanal de sidra. Argentina: Ministerio
de Agricultura, Ganadería y Pesca. 29. p.
t (h)
Temperatura (°C) Concentración (°Baumé) pH
Artesanal Biorreactor Artesanal Biorreactor Artesanal Biorreactor
DÍA 1
0 22 22 9.5 9.5 4 4
8 20.5 21 8.5 8 4 4
15 22 21 8.5 7.5 4 4
21 20 22 8.5 7.25 4 3.5
DÍA 2
29 20 20 8.25 7 3.5 3.5
35 21 21 8.25 7 3.5 3.5
41 21 21 8.25 6.5 3.5 3.5
DÍA 3
50 21 22 8 6.5 3.5 3.5
58 22 21 8 6.25 3.5 3.5
66 21 21 7.5 6 3.5 3.5
DÍA 4
74 21 22 7.5 5.5 3.5 3
82 21 22 7.5 5.5 3.5 3
90 21 22 7.25 5 3.5 3
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Acidez
Se observó un cambio en el pH que fue desde 4 hasta 3 aproximadamente en ambos casos (Ver
anexo: Fig. N°11); sin embargo, se notó claramente que el descenso del pH por parte del
fermento del biorreactor fue mucho más rápido que el fermento que se hizo de manera artesanal
en el frasco.
Concentración
Ambas muestras comenzaron con el mismo valor, pero con el paso de las horas éstas tomaron
nuevos valores. Así, la muestra fermentada artesanalmente tomó una concentración de 7.25°B a
las 90 h; mientras que la muestra fermentada en el biorreactor, alcanzó la misma concentración
en menos de 1 día (Ver anexo: Fig. N°12).
Sidra Artesanal: 𝐀𝐥𝐜𝐨𝐡𝐨𝐥 (𝐯/𝐯) =𝟗.𝟓−𝟕.𝟐𝟓
𝟕.𝟑𝟔= 𝟎. 𝟑 % (1)
Sidra en el Biorreactor: 𝐀𝐥𝐜𝐨𝐡𝐨𝐥 (𝐯/𝐯) =𝟗.𝟓−𝟓
𝟕.𝟑𝟔= 𝟎. 𝟔𝟏 % (2)
Además, la relación que existe entre estas dos variables se demostró por un estudio de regresión
hecho en el software Microsoft Excel; los datos dictan:
Tabla N°3: Coeficientes de determinación de correlación
SIDRA ARTESANAL SIDRA EN
BIORREACTOR
R 0.969 0.963
R2 0.94 0.928
Ambos coeficientes de correlación indican que hay una relación estrecha entre el tiempo y la
concentración.
Prueba de Hipótesis
Existe una diferencia significativa entre las medidas de la densidad entre ambas muestras, la del
fermento artesanal, y la del biorreactor.
Se realizó la prueba con las variables H0 (medias son iguales) y H1 (medias son diferentes).
De esta manera se interpretó que los resultados (°Baume) de la prueba indican que la diferencia
entre las dos muestras es de 2,057; y, porque el valor P < 0.05, se tiene evidencia de que las
medias de ambas muestras no son iguales (Ver anexo: Fig. N°13).
IV. DISCUSIÓN
El biorreactor de tanque agitado, “Este tipo de reactor es muy empleado en todas las escalas
de producción, en laboratorios de investigación o industrias de fermentaciones…”2
2 Vázquez, D. (2007). Laboratorio de Biorreactores, Manual de prácticas.
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Por lo que en este trabajo de investigación el Biorreactor es clave para la comparación de los
resultados evaluados en la Sidra Artesanal y Sidra en el Biorreactor.
“Esta práctica será más eficiente si se tiene la precaución de medir frecuentemente la
temperatura y densidad de la sidra.”3
Realizando el proceso se pudo ver que:
La Sidra artesanal, “En el día 1 y día 2 se obtuvo una temperatura de 19°C y una densidad de
8°Bé.”4
En la Sidra en el Biorreactor se obtuvo en el día 1 una temperatura iniciando a las 0 h de 22°C y
finalizando a las 21 h con una temperatura de 22°C. Así mismo se obtuvo una concentración a las
0 h de 9.5°Bé y culminando a las 21 h con 8.5°Bé.
Comparando los resultados del autor citado con respecto al Biorreactor vemos que durante el
primer día ya hay un proceso de aceleración de la fermentación por lo que hubo un mejoramiento
en el proceso con respecto al tiempo.
Siendo este último el factor limitante para los productores de Sidra artesanal.
V. CONCLUSIONES
La construcción del biorreactor prototipo de tanque agitado batch permite que el proceso de
fermentación sea más acelerado que en el proceso artesanal.
Los parámetros evaluados de temperatura, pH, densidad y grados de alcohol de la sidra se
comprueba que el prototipo de biorreactor de tanque agitado batch acelera el proceso de
fermentación de la sidra, esto lo hace más eficiente que hacerlo artesanalmente.
VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICA
Arévalo, R. (2003). Diseño y construcción de los instrumentos de medición para un biorreactor
prototipo. Revista Mexicana de Ingeniería Biomédica de Instituto Politécnico Nacional.
Ruiz, J. (2010). Construcción y Monitoreo de Variables de un Prototipo para el Tratamiento
Biológico de un Efluente con Colorante Naranja II, Mediante el Hongo Trametes
Versicolor. México: CENIDET.
Silva, F. Calderón, D. (2013). Guía para la elaboración artesanal de sidra. Argentina: Ministerio
de Agricultura, Ganadería y Pesca.
Vázquez, D. (2007). Laboratorio de Biorreactores, Manual de prácticas.
Coronel, M. (2008). Los Vinos de frutas. México.
3 Silva, F. Calderón, D. (2013). Guía para la elaboración artesanal de sidra. Argentina: Ministerio
de Agricultura, Ganadería y Pesca. 54. p. 4 Silva, F. Calderón, D. (2013). Guía para la elaboración artesanal de sidra. Argentina: Ministerio
de Agricultura, Ganadería y Pesca. 56. p.
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ANEXOS
Cáscara
Corazón
10
1
Fig. N°5: Fermentación artesanal de la
Sidra
Fig. N°6: Fermentación en el Biorreactor
de la Sidra
Fig. N°4: Biorreactor
instalado
Fig. N°3: Soporte
del biorreactor.
Fig. N°1: Orificios de
la tapa del biorreactor
Fig. N°2: Agitador del
biorreactor.
Fig. N°7: DOP de la Elaboración de la Sidra
SIDRA
1
2
1
8
7
10
9
6
3
5
4
Manzana Israel (5kg)
Selección
Cortado
Pelado y descorazonado
Enjuagado
Desinfectado
Lavado
Licuado
Filtrado
Fermentado
Filtrado
Pasteurizado
Agua (3L)
Agua y cloro (1000pps)
Agua (3L)
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Fig. N°8: Medida de la densidad y
temperatura en la sidra artesanal.
Fig. N°9: Medida de la densidad de la
sidra en el biorreactor.
Fig. N°10: Resultados obtenidos de la
temperatura en la Sidra Artesanal y en el
Biorreactor
Fig. N°11: Resultados obtenidos de la
acidez en la Sidra Artesanal y en el
Biorreactor
Fig. N°12: Resultados obtenidos de la
concentración en la Sidra Artesanal y en el
Biorreactor
Fig. N°13: Prueba de Hipótesis en las
evaluaciones de °Baume
.
