Revista Científica Multidisciplinaria Arbitrada YACHASUN. Volumen 3, Número 5 (jul-dic) ISSN: 2697-3456  
Diseño de un biorreactor para la producción industrial de vinagre de manzana  
DISEÑO DE UN BIORREACTOR PARA LA PRODUCCIÓN  
INDUSTRIAL DE VINAGRE DE MANZANA  
DESIGN OF A BIORREACTOR FOR THE INDUSTRIAL  
PRODUCTION OF VINAGRE FOR APPLE  
1
2
3
4
Brito-Terán Jorge *; García Valery ; Intriago-Intriago Lorena ; Vélez Carla ; Zambrano  
5
6
Génesis ; Rosero Ernesto  
1,2,3,4,5Estudiantes de Ingeniería de los Bioprocesos, Programa de Ingeniería Química  
de la Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y Químicas, Universidad Técnica de  
Manabí. Portoviejo, Ecuador.  
6
Docente de Ingeniería Química de la Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y  
Químicas, Universidad Técnica de Manabí. Portoviejo, Ecuador.  
*Correo: jbrito8475@utm.edu.ec  
Resumen  
El ácido acético tiene una gran importancia ya que se utiliza como aromatizante en ensaladas y  
otros alimentos, y debido a su acidez, también se emplea en la elaboración de encurtidos, por  
esta razón la presente investigación tiene como objetivo el diseño de un biorreactor para la  
producción industrial de vinagre de manzana, teniendo en cuenta las diversas variables que se  
puedan presentar, lo cual garantiza un mayor rendimiento de producción. El método empleado  
para el proceso de fermentación acética es el método Orleans, para poder así determinar los  
coeficientes de la ecuación de cultivo celular, los coeficientes de rendimientos del proceso,  
balance de materia y energía del proceso, y de esta forma desarrollar los cálculos para un diseño  
del biorreactor. Los resultados obtenidos fueron un YP/Smax=1,95 y un YB/Smax=5,342 con un  
3
diseño de biorreactor con 0,14 m y con una altura de 1 m, con lo que se pudo llegar a concluir  
que las bacterias transformaron el 60% del sustrato alcohólico, lo cual es referente para generar  
una propuesta del diseño de un biorreactor a escala industrial.  
Palabras clave: biorreactor, vinagre, fermentación, ácido acético.  
Abstract  
Acetic acid is of great importance since it is used as a flavoring in salads and other foods, and  
due to its acidity, it is also used in the preparation of pickles, for this reason the present research  
aims to design a bioreactor for Industrial production of apple cider vinegar, taking into account  
the various variables that may occur, which guarantees a higher production yield. The method  
used for the acetic fermentation process is the Orleans method, in order to determine the  
coefficients of the cell culture equation, the coefficients of yields of the process, balance of matter  
and energy of the process, in order to develop the calculations for a design of the bioreactor. The  
results obtained were a YP / Smax = 1.95 and a YB / Smax = 5.342 with a bioreactor design with  
3
0
.14 m and a height of 1 m, so it was concluded that bacteria transformed 60% of the substrate  
alcoholic, which is a reference for the design of an industrial scale bioreactor.  
Keywords: bioreactor, vinegar, fermentation, acetic acid  
Información del manuscrito:  
Fecha de recepción: 07 de mayo de 2019  
Fecha de aceptación: 21 de junio de 2019  
Fecha de publicación: 10 de julio de 2019  
8
Brito-Terán Jorge et al., (2019)  
1. Introducción  
En la actualidad las personas se  
encuentran  
revolución  
ante  
la  
próxima  
llamada  
El hombre ha utilizado desde  
tiempos remotos el vinagre en la  
cocina, bien por su sabor ácido o  
como conservante de alimentos. Es  
un excelente condimento que  
contiene cerca de un 5% de ácido  
acético. Sin lugar a dudas el Vinagre  
de manzana es el más reconocido,  
sin embargo, cualquier fruta es  
buena para elaborar este producto,  
siendo posible obtener una gran  
variedad de sabores como: vinagres  
de higos, piña, plátano, mango,  
fresa, mandarina, naranja, ciruela,  
durazno, así como también de miel  
de abeja, cerveza, inclusive se  
pueden aromatizar con hierbas o  
especias (romero, menta, estragón,  
industrial  
Biotecnología, todo esto basado en  
la capacidad de los microorganismos  
de producir diversos tipos de  
productos enfocados a la industria  
farmacéutica, alimenticia y diversos  
compuestos químicos, la cual  
aplicando diversos mecanismos  
puede ser orientada y controlada con  
fines específicos (Shishehbor et al.,  
2008).  
Un biorreactor o fermentador, es una  
pieza clave y central de estos  
procesos biotecnológicos, ya que  
este proporciona un ambiente  
controlado  
que  
permite  
el  
crecimiento eficaz de las células y la  
formación de un producto; todo esto  
ajo,  
cebollines,  
entre  
otros)  
(
Aleixandre et al., 2003).  
teniendo  
niveles  
óptimos  
de  
temperatura, ph, sustrato, oxígeno;  
para así convertir la materia prima en  
productos de interés específicos. Es  
por ello que el presente artículo tiene  
como objetivo el diseño de un  
biorreactor para la producción  
industrial de vinagre de manzana,  
teniendo en cuenta las diversas  
variables que se puedan presentar,  
lo cual garantice un mayor  
Es de conocimiento para muchos  
que la nueva revolución industrial  
está presente en el mundo, y nadie  
desea quedarse atrás u obsoleto por  
lo que el desarrollo de nuevas  
alterativas  
que  
permitan  
la  
optimización de los procesos se  
consideran una solución primordial y  
que garantiza estar en la vanguardia  
industrial a nivel mundial (Heikefelt,  
rendimiento producción  
de  
2011).  
(
Johnston et al., 2010). Los procesos  
9
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Diseño de un biorreactor para la producción industrial de vinagre de manzana  
biotecnológicos en el país presentan  
un gran potencial a nivel económico  
a corto y largo plazo; es por ello que  
los diversos sectores industriales  
presentes se enfocan en buscar  
diversas alternativas que potencien  
sus producciones, permitiendo así  
un avance no solo para este sector  
del cantón Sucre, se seleccionaron  
los vinos artesanales claros, limpios  
y libres de materias extrañas.  
2.2. Obtención del inóculo  
El microorganismo utilizado para la  
fermentación acética fue  
Acetobacter Aceti obtenido a partir  
de la “madre de vinagre” de un  
vinagre de banano artesanal  
proveniente del cantón Rocafuerte.  
La madre está compuesta tanto de  
sino  
para  
diversos  
sectores  
económicos  
y
fomentando la  
competencia con el mercado  
internacional (Jimenez-Hornero et  
al., 2009).  
bacterias de  
levaduras, que trabajan juntas  
Alawad et al., 2018).  
acéticas  
como  
2. Materiales y métodos  
(
El proceso para la elaboración de  
vinagre de manzana se realiza a  
partir del vino de manzana, con un  
2
.3. Biorreactor a escala de  
laboratorio  
Se emplearon botellas de vidrio de  
acondicionamiento  
del  
sustrato  
y
500 ml de capacidad, con 7 cm de  
alcohólico, inoculación  
diámetro, selladas con gasa para  
evitar la contaminación del medio  
fermentativo.  
acetificación. Cada etapa en la que  
se tomaron muestras para las  
diferentes  
analíticas se identifica con la sigla  
TM). En el caso de las muestras  
determinaciones  
2.4. Descripción del proceso de  
(
fermentación  
tomadas durante el proceso de  
acetificación, se expresó como g/L  
de ácido acético (se asume que toda  
la acidez del medio se debe a este  
ácido).  
Para  
experimentación se prepararon en  
cinco recipientes de vidrio  
la  
ejecución  
de  
la  
previamente esterilizados, un medio  
de 100 ml que contenía alcohol al  
2.1. Recepción de la materia prima  
15% v/v (diluido con agua), 0,15 g de  
sulfato de amonio como fuente de  
nitrógeno y 0,01 g de sorbato de  
Para este estudio se empleó un vino  
artesanal de manzana proveniente  
10  
Brito-Terán Jorge et al., (2019)  
potasio para inhibir el crecimiento de  
levaduras, se inoculó con el 10% p/p  
de “Madre del vinagre” (Mycoderma  
aceti) (Ferreyra et al., 2014), es  
decir, 10 g de Mycoderma aceti (2,5  
gramos en peso seco). Se llevó a  
cabo la fermentación por un período  
de 5 días, tapando los recipientes  
con gasa para el ingreso de aire del  
medio exterior y evitando el ingreso  
de otras partículas. La fermentación  
fue realizada en condiciones  
80ATC V/V 0-80%, que mide la  
concentración de alcohol en vinos o  
solución acuosa expresado en  
porcentaje v/v.  
•
Biomasa.  
La fórmula para la biomasa de  
Acetobacter aceti utilizada para los  
0,5  
cálculos es CH1,8O N0,2 (Hurtado et  
al., s.f.). Para este estudio se  
consideró el valor de peso seco de la  
madre de vinagre, mediante el  
secado en estufa a 80°C (de Ory et  
al., 2002), asumiendo que todo el  
peso corresponde a Acetobacter  
aceti.  
ambientales de temperatura  
presión.  
y
2.5. Medición de las variables  
experimentales  
•
Ácido acético.  
•
Grados de alcohol.  
Para determinar la acidez del vinagre  
se realiza una valoración con NaOH  
al 0,09N. Se transfieren 10 ml de  
vinagre y se procede a realizar la  
titulación usando como indicador la  
fenolftaleína hasta alcanzar el punto  
de equilibrio.  
Se realizó la determinación previa  
del porcentaje de alcohol v/v al vino  
inicial para conocer el contenido de  
sustrato presente, en caso que este  
sea mayor al 15% v/v se necesitará  
de una dilución, debido a que las  
bacterias acéticas no toleran altas  
•
Temperatura y pH.  
concentraciones  
de  
alcohol  
(
Ferreyra et al., 2014).  
Se realizó un monitoreo diario de  
ambos parámetros para evaluar las  
condiciones del medio, se utilizó un  
termómetro de mercurio ASTM 12F y  
tiras de pH.  
Además, cada 24 horas se realizó la  
determinación de este parámetro,  
para obtener el consumo de sustrato,  
indispensable para los cálculos  
posteriores, utilizando un  
refractómetro para alcohol de vinos  
11  
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Diseño de un biorreactor para la producción industrial de vinagre de manzana  
•
Caudal de aire.  
área del biorreactor y el tiempo de  
fermentación. Se considera la  
densidad del aire a la temperatura  
promedio (26°C): 1,175 kg/m3  
La eficiencia en la aireación de un  
sistema fermentativo depende de la  
solubilidad del oxígeno, la velocidad  
de difusión en los medios de cultivo,  
la demanda de oxígeno del cultivo y  
la capacidad del biorreactor de  
satisfacer dicha demanda en la  
(Geankopolis, 1999) y mediante los  
porcentajes másicos de oxígeno y  
nitrógeno que son 23,7% y 79,3%,  
respectivamente (Doran, 2014), es  
posible conocer el flujo de estos  
componentes durante el proceso de  
acetificación.  
población microbiana (Soler  
&
Buitrago, 2010), para este ensayo se  
determinó el flujo de aire a través de  
la difusión de este en el medio  
fermentativo, se empleó la ecuación  
2.6. Diseño del biorreactor a  
escala industrial  
de  
difusión  
propuesta  
en  
A través del balance de masa del  
proceso, es posible dar una guía  
referente al diseño de un biorreactor  
para la producción de ácido acético  
tomando como referencia la cantidad  
actual de producción, la misma que  
para el año 2015 fue de 196  
toneladas (Teneda-Llerena & Milla-  
Toro, 2018) con un porcentaje de  
ácido acético del 6% de acuerdo a la  
normativa NTE INEN 2296:2013. El  
diseño del biorreactor es en base a  
sus dimensiones como son el  
diámetro y altura del fermentador  
junto con la implementación de un  
impelente de Turbina Rushton, se  
determinó el diámetro del impelente,  
ancho de rodete y espacio libre de la  
parte inferior.  
Geankopolis (1999). Tal como se  
presenta en este texto, el flujo molar  
de aire se encuentra en función del  
coeficiente de difusión, constantes  
de gases, temperatura del ensayo y  
nivel del medio fermentativo. Por su  
parte, el coeficiente de difusión del  
aire-ácido acético se determinó  
mediante la fórmula que considera la  
temperatura a la que se realiza el  
ensayo, peso molecular del aire y  
ácido acético, presión a la que se  
realiza el ensayo, volumen atómico  
de difusión de aire y ácido acético.  
Una vez que se conoce el valor del  
flujo del aire que se difunde, por  
fracción másica se determina el flujo  
2
de oxígeno y nitrógeno en Kg/m s,  
se realiza una relación en base al  
12  
Brito-Terán Jorge et al., (2019)  
3
. Resultados y discusión  
.1. Contenido de alcohol  
generación  
de  
biomasa  
por  
reproducción celular que aumenta  
con respecto al tiempo.  
3
En la Tabla 1 se presenta la  
disminución de los grados de alcohol  
durante los 5 días de fermentación.  
En este proceso, el 60% del alcohol  
contenido en el vino se convirtió en  
ácido acético y anhídrido carbónico,  
eso se realizó de forma gradual con  
la disminución de 1% v/v cada 24  
horas durante 5 días, en base a  
estos datos es posible establecer la  
gráfica de la cinética de reducción  
del alcohol etílico.  
Tabla 2.  
Producción de biomasa  
3.3. Producción de ácido acético  
En la Tabla 3 se puede observar que  
la producción de ácido acético  
aumentó conforme se desarrolló el  
proceso. Se arrancó la corrida  
experimental con 0,072 gramos de  
ácido acético y se finalizó al quinto  
día con 1,35 gramos.  
Tabla 1.  
Medición de los grados de alcohol  
Tabla 3.  
Producción de ácido acético  
3.2. Producción de biomasa  
La Tabla 2 muestra la producción de  
biomasa medida bajo condiciones  
experimentales. Durante el período  
de fermentación se observó un velo  
de color blanquecino sobre la  
3
.4. Control de temperatura y pH  
En la Tabla 4 se registra el monitoreo  
de la temperatura y pH del medio,  
esto con la finalidad de mantener el  
medio óptimo para el crecimiento y  
reproducción del microorganismo.  
superficie  
del  
medio,  
de  
características similares al inóculo,  
es decir un material gelatinoso, al  
transcurso de los días fue más  
visible, por lo cual se evidencia la  
13  
Revista Científica Multidisciplinaria Arbitrada YACHASUN. Volumen 3, Número 5 (jul-dic) ISSN: 2697-3456  
Diseño de un biorreactor para la producción industrial de vinagre de manzana  
Tabla 4.  
Mediciones de temperatura y pH  
para el aire y ácido acético, para el  
cálculo de la difusividad y flujo molar  
de aire durante las 120 horas de  
fermentación, se tomó un valor  
promedio de temperatura ambiente  
de 26°C, considerando 1 atmósfera  
de presión, además de que el valor  
de la constante de gases ideales R  
fue 8314 J/kmol*K. Se obtienen  
456,48 gramos de oxígeno y 1502,58  
gramos de nitrógeno que ingresaron  
al medio durante el período de  
fermentación.  
El pH se mantuvo fluctuando entre  
valores de 5 a 6, siendo un medio  
selectivo para las bacterias del  
género Acetobacter. El pH óptimo  
para  
el  
desarrollo  
del  
microorganismo debe ser un medio  
ácido (de Ory et al., 2002). Esto pudo  
resultar beneficioso para el proceso  
ya que los vinagres obtenidos de  
materias primas naturales muestran  
cierta inestabilidad con respecto a la  
solubilidad de las sustancias  
Tabla 5.  
Condiciones para el flujo de aire del  
proceso  
previamente  
disueltas.  
Cuanto  
menos cambian los valores de pH  
durante la fermentación, mayor será  
la estabilidad (Solieri, 2009).  
3
.6 Coeficientes estequiométricos  
rendimientos máximos de  
y
productos  
3.5. Caudal de aire que se difunde  
La Tabla  
6
presenta  
una  
en el medio fermentativo  
comparación de los rendimientos  
obtenidos experimentalmente con  
los máximos termodinámicos, a  
partir del rendimiento de la biomasa  
obtenido en la fermentación. En los  
experimentos de laboratorio, la  
producción de ácido acético empezó  
inmediatamente, tal como se  
muestra en la Tabla 3, sin ninguna  
El biorreactor a escala de laboratorio  
tiene una altura de 0,035 metros, con  
un diámetro de 0,07 metros y un área  
de fermentación de 0,0115 m2,  
considerando al reactor como un  
cilindro.  
En la Tabla 5 se tienen los datos de  
los volúmenes atómicos de difusión  
14  
Brito-Terán Jorge et al., (2019)  
fase de latencia mostrada durante  
los 5 días que duró el proceso. Sin  
embargo, en comparación con el  
rendimiento de producto (YP/S) la  
reacción favoreció a la producción de  
biomasa y no a la formación  
esperada de ácido acético, según  
como se muestra en la tabla 6, esto  
debido a que son varios los factores  
que influyen en el rendimiento de la  
biomasa, incluido la composición del  
medio, la naturaleza de las fuentes  
de carbono y nitrógeno, pH y  
molecular, nitrato o sulfato) también  
puede tener un efecto significativo  
(Doran, 2013).  
Tabla 5.  
Rendimientos experimentales y  
máximos del proceso de fermentación  
acética  
temperatura.  
Además,  
el  
rendimiento de la biomasa (YB/S) es  
mayor en cultivos aerobios que en  
cultivos anaerobios, la elección del  
aceptor de electrones (p. ej., oxígeno  
A
partir de los rendimientos  
obtenidos, se puede generar un  
balance de materiales del proceso  
de producción de ácido acético.  
Tabla 6.  
Balance de masa del proceso fermentativo anaerobio  
3
.7.  
Diseño del biorreactor a  
Debido a que el proceso de  
producción de ácido acético a partir  
escala industrial  
15  
Revista Científica Multidisciplinaria Arbitrada YACHASUN. Volumen 3, Número 5 (jul-dic) ISSN: 2697-3456  
Diseño de un biorreactor para la producción industrial de vinagre de manzana  
de vino de manzana a escala de  
laboratorio, tuvo un rendimiento  
global bajo (13,85%), para optimizar  
el proceso, se diseñó un reactor con  
características más técnicas ya que  
según Drysdale & Fleet (1988),  
Finalmente, la tabla 8 muestra las  
dimensiones para el diseño de un  
biorreactor que pueda producir 5,88  
kilogramos por día de ácido acético.  
Se observan las condiciones que se  
necesitan para una producción  
eficaz de ácido acético a nivel  
industrial, permitiendo ver que el  
diseño del reactor es clave para que  
la producción sea óptima e ideal.  
2
cuando la concentración de O es  
demasiado baja, el proceso se  
ralentiza y se favorecen ciertas  
reacciones secundarias, como la  
formación de acetato de etilo por  
esterificación de etanol y ácido  
acético. Por lo tanto, es necesario  
lograr una buena transferencia de  
Tabla 7.  
Dimensiones del biorreactor equipado  
con una turbina de Rushton  
oxígeno  
en  
el  
fermentador,  
generalmente por medio de una  
aireación intensiva y una mezcla  
adecuada de aire y fases líquidas  
Por su parte, la figura 1 muestra un  
esquema del biorreactor diseñado en  
la presente investigación.  
(
Drysdale & Fleet, 1988).  
Tabla 7.  
Cantidades de producción  
En la tabla 7 se muestran las  
cantidades de producción de  
manzanas en unidades de toneladas  
por año, y la cantidad de ácido  
acético (vinagre) producidos, así  
como el agua producida toneladas  
por día.  
Figura 1. Diseño del biorreactor de  
producción de ácido acético  
Conclusiones  
Las bacterias presentes en la “madre  
del vinagre” transformaron el 60%  
del sustrato alcohólico, las variables  
16  
Brito-Terán Jorge et al., (2019)  
sustrato, producción de biomasa y  
producto permite obtener los  
coeficientes del cultivo celular. Los  
rendimientos experimentales fueron  
comparados con los rendimientos  
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biomasa/sustrato y de producto /  
sustrato. Los cálculos realizados  
para el diseño del reactor sugieren  
que se puede mejor el rendimiento  
de producción de vinagre a escala  
industrial ya que si bien es cierto la  
fermentación se puede lograr sin la  
agitación, al utilizar la turbina para  
agitación se logra dispersar de forma  
óptima el aire en el medio  
obteniendo así una mayor cantidad  
de producto y mayores rendimientos  
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