Mapa conceptual: Reacciones redox

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Problemas de equilibrio químico

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Problemas de equilibrio químico

Partículas subatómicas en el Universo

A fecha del 2017, se sabe que existen otras partículas subatómicas en el Universo, además de los protones, neutrones y electrones. Se puede hacer una clasificación de ellas.

Pero a lo largo de la historia, estas partículas elementales han ido evolucionando. Pincha en la imagen inferior para ver cómo lo han hecho:

 

Mapa conceptual: Reacciones de transferencia de protones

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Mapa conceptual: Equilibrio químico

Pincha en la imagen inferior para ver el esquema sobre los equilibrios químicos a nivel de 2º bachillerato:

Energía de activación

La energía que necesitan los reactivos para llegar a formar el complejo activado según la teoría del estado de transición, es la Energía de activación. Independientemente de que una reacción sea exotérmica o endotérmica, es necesario que los reactivos venzan la barrera de esta energía para que la reacción se produzca.En general, cuanto mayor es el valor de la energía de activación, menor será la velocidad de reacción, ya que habrá pocos choques eficaces entre las moléculas.

Para comprender el papel de esta energía de activación, pincha en la imagen para ver el applet:

 

Mapa conceptual: Enlace químico

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Mapa conceptual: Sistema periódico de los elementos

Pincha en la imagen inferior para ver ampliado el esquema sobre la Tabla Periódica de los Elementos:

Reacciones en Química Orgánica

En la tabla inferior se muestra las reacciones de los grupos funcionales de Química orgánica más comunes. Pincha en la imagen para agrandarla:

Mapa conceptual: Orgánica

Pincha en la imagen inferior para ver el esquema sobre la química del carbono a nivel de 2º bachillerato:

La tabla de afinidad

Étienne-François Geoffroy (1672-1731) Químico y doctor en París, profesor de la Facultad de Medicina de París, conocido principalmente por haber elaborado la tabla de afinidades química (tables des rapports), la cuál  presentó a la Académie Royale des Sciences de París en 1718 y 1720. Estas listas se realizaron recopilando observaciones de las reacciones que se producían al poner en contacto las sustancias entre sí, haciendo distinción de los diversos grados de afinidad que presentaban sustancias análogas frente a los diferentes reactivos; y se mantuvieron en boga el resto del siglo hasta que fueron desacreditadas por el tratado de Claude Louis Berthollet.

Microbiología industrial

Desarrollo histórico

El arte de la fermentación, definido en su sentido más amplio como la transformación química de compuestos orgánicos con la ayuda de enzimas producidas por microorganismos, es muy antiguo.
La capacidad de las levaduras para producir alcohol en forma de cerveza la conocían ya los sumerios y babilonios antes del año 6000 A.C. Más tarde, aproximadamente hacia el año 4000 A.C., los Egipcios descubrieron que el CO2 generado por la acción de las levaduras (Saccharomyces) podía fermentar el pan. Referencias al vino, otro antiguo producto de fermentación, se hallan en el Génesis, donde consta que Noé consumía algo más de lo debido. Hacia el siglo XIV D.C., la destilación de bebidas alcohólicas a partir de grano fermentado, práctica originaria de China, era común en muchas zonas del mundo (Francia-Brandy; Escocia-Whisky).
Los microorganismos proporcionaron alimentos y bebidas durante más de 8000 años, sin que se tuviera noción de su existencia, pero no fue hasta el siglo XVII, que Anton Van Leeuwenhoek, describió por 1ª vez  la presencia de “animáculos” como organismos móviles que no llegaban ni a la milésima parte de un grano de arena.

Características  de los microorganismos industriales y sus clases

Existen una serie de características que comparten todos los microorganismos y que suponen ciertas ventajas para su uso en la industria. La más fundamental, el pequeño tamaño de la célula microbiana y su correspondiente alta relación de superficie a volumen. Hay algunos microorganismos que se reproducen con gran rapidez. Los ambientes capaces de albergar vida microbiana  reflejan toda la evolución sufrida  por estos organismos. Se han encontrado especies que viven a temperaturas   comprendidas entre la temperatura de congelación y casi de ebullición del agua, en presencia y ausencia de aire,  en agua salada y dulce, etc.

Los microorganismos industriales también están  capacitados para realizar una gran gama de reacciones metabólicas, y adaptarse, así, a muchas fuentes de nutrición.

Existen 4 tipos de microorganismos de interés industrial:
1.- Levaduras      2.- Hongos        3.- Bacterias unicelulares         4.- Actinomicetos

1.- Levaduras

Las levaduras se vienen utilizando desde hace miles de años para la fabricación de pan y bebidas alcohólicas. La levadura que sin duda fue la primera y aún hoy en día sigue siendo la más utilizada por el hombre es Saccharomyces cerevisiae de la que se  emplean diferentes cepas para la fabricación de cerveza, vino, sake, pan y alcoholes industriales. Otras levaduras son:
–  Kluyveromyces fragilis es una especie fermentadora de la lactosa que se  explota en pequeña escala para la producción de alcohol a partir del suero de la leche.

– Yarrowia lipolytica es una fuente industrial de ácido cítrico.

– Trichosporum cutaneum  desempeña un importante papel en los sistemas de digestión aeróbica de aguas  residuales debido a su enorme capacidad de oxidación de compuestos orgánicos, incluidos algunos que son tóxicos para otras levaduras y hongos, como los derivados  fenólicos.

 2.- Hongos filamentosos

Los hongos tienen una gran importancia económica, no tan sólo por su utilidad, sino  también por el daño que pueden causar. Los hongos son responsables de la degradación de gran parte de la materia orgánica de la Tierra, una actividad enormemente beneficiosa ya que permite el reciclaje de la materia viva. Por otro lado, los hongos causan gran cantidad de enfermedades en plantas y animales y pueden destruir alimentos y materiales de los que depende el hombre.
Los efectos perjudiciales de los hongos están contrarrestados por su utilización industrial. Los hongos son la base de muchas fermentaciones como la combinación de soya, habichuelas, arroz y cebada que dan lugar a los alimentos orientales miso, y tempeh. Los hongos son también la fuente de muchos enzimas comerciales  (amilasas, proteasas, pectinasas), ácidos orgánicos (cítrico, láctico), antibióticos  (penicilina), quesos especiales (Camembert).

3.- Bacterias

Entre las especies bacterianas de interés industrial están las bacterias del ácido acético, Gluconobacter y Acetobacter que pueden convertir el etanol en ácido acético. El géneroBacillus es productor de antibióticos (gramicidina, bacitracina, polimixina), proteasas e insecticidas. Del género Clostridium cabe destacar Clostridium acetobutylicum que puede fermentar los azúcares originando acetona y butanol. Las bacterias del ácido láctico incluyen, entre otras, las especies de los géneros Streptococcus y Lactobacillus que producen yogur. Corynebacterium glutamicum es una importante fuente industrial de lisina. El olor característico a tierra mojada se debe a compuestos volátiles (geosmina) producidos por Streptomycesaunque su principal importancia radica en la producción de antibióticos como anfotericina B, kanamicina, neomicina, estreptomicina, tetraciclina, etc.

4.- Actinomicetos

Las Actinobacterias o actinomicetos son un grupo de bacterias Gram positivas. La mayoría de ellas se encuentran en la tierra, e incluyen algunas de las más típicas formas de vida terrestre, jugando un importante rol en la descomposición de materia orgánica, tales como la celulosa y quitina. Estas bacterias renuevan las reservas de nutrientes en la tierra y son fundamentales en la formación de humus. Muchas actinobacterias se destacan por su capacidad para producir compuestos que tienen características útiles en farmacología.

Los microorganismos en la producción de alimentos y bebidas

En contra de la idea de que todos los microorganismos son dañinos, los yogures y los quesos son ejemplos de alimentos a los que se añaden éstos para, por ejemplo, agriar la leche y producir yogur, u obtener la cubierta blanca característica del queso Brie o el color azul del queso Roquefort. De un tamaño más o menos similar es el sector de frutas y verduras, en el que los productos pueden no haber sufrido ninguna alteración o estar enlatados, congelados,  refrigerados o fritos.

Obtención de derivados lácteos

Los alimentos y bebidas fermentadas forman actualmente un sector muy extenso e importante de la industria alimentaria. Uno de los primeros productos obtenidos del campo fue la leche, y puesto que ésta sufre una rápida invasión bacteriana que la acidifica (al convertir la lactosa en ácido láctico), es de suponer que el queso, así como otros derivados lácteos, se contarían entre los primeros alimentos fermentados. Entre los derivados más importantes se encuentra:

  • Fabricación del queso

Consiste, fundamentalmente, en añadir a la leche un cultivo de bacterias, dejando incubar la mezcla cierto tiempo, agregándose luego una enzima para coagular los sólidos  durante la acidificación de la leche. Tradicionalmente, la fuente de estas enzimas era el cuajo o renina, obtenido del 4º estómago de terneras, pero se va sustituyendo actualmente por enzimas microbianas. Posteriormente, se separa la cuajada del suero, se prensa para expulsar el agua y se envuelve en una tela seca. En algunos quesos se favorece el crecimiento de determinados organismos en su parte externa durante el proceso de curado.
La naturaleza de las bacterias que se usan como iniciadoras forman uno de los factores que determinan la extensa gama de quesos. Otros factores son: la temperatura de fabricación y la presencia o ausencia de una flora secundaria.

En general, podemos dividirlo en 3 grandes grupos:

  1. Quesos blandos, que son aquellos que poseen un alto contenido en agua (del 50 al 80%), y que se agrupan en madurados y no madurados. Un queso blando no madurado es un producto que, terminado, viene a tener una consistencia parecida a la de los primeros pasos del proceso. En un queso blando madurado se favorece el crecimiento en superficie de levaduras y especies del moho Penicillium.
  2. Quesos semiduros, que son aquellos en los que la cuajada se calienta brevemente para rebajar el contenido de humedad hasta el 45%, lo que la hace más firme.
  3. Quesos duros, cuyo contenido en humedad no rebasa el 40%. Dentro de este tipo, hay más grupos
  • Fabricación del yogurt

Entre los productos lácteos fermentados líquidos o semilíquidos tenemos al yogurt, que se fabrica fermentando leche entera con una mezcla de dos bacterias, Streptococcus Thermophilus y Lactobacillus Bulgaricus.
La fermentación transcurre a una temperatura en torno a los 40 ºC. El aroma característico del yogurt es debido al ácido láctico producido a partir de la lactosa de la leche y al acetaldehído. Como mucha gente no le agrada la acidez ni el sabor que tiene a acetaldehído el yogurt fresco, el producto suele aromatizarse con frutas o esencia de frutas.

Existen varios productos lácteos fermentados relacionados con el yogurt, como:

  • La nata o crema ácida, que se fabrica acidificando la nata pasteurizada con bacterias productoras de ácido láctico.
  • La leche de manteca, que se obtiene fermentando leche pasteurizada desnatada, o parcialmente desnatada, con una mezcla de varias bacterias lácticas.
  • La leche búlgara, el kéfir y el kuomis, populares en los países eslavos, y el viili finlandés.

Fabricación del pan

Hoy en día, la fabricación del pan y el cultivo a gran escala de las levaduras de panificación forman una rama de la microbiología industrial.
En el pan que se consume en los países desarrollados se mezcla harina, generalmente de trigo, con agua y una pequeña proporción de levadura, sal, azúcar y grasa. Después de amasar la mezcla, se deja fermentar la masa a una temperatura de 25ºC.
La levadura, una cepa de Saccaromyces cerevisiae , degrada los azúcares de la masa originando una mezcla de alcohol y dióxido de carbono, gas cuyas burbujas quedan retenidas en la masa. Cuando la masa se hornea, después del período de fermentación, se elimina el alcohol; en cambio, las burbujas de CO2 permanecen y dan textura al pan.

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Algunos azúcares, incluidos los que se han añadido, como sacarosa, los usan las levaduras inmediatamente. Hay que sumar esos glúcidos a los que proceden del almidón del grano de cereal, y que son liberados por dos enzimas, la alfa amilasa y la beta amilasa, constituyente de la harina y que el agua los activa. Entre esos azúcares  se encuentran la maltosa y la glucosa. La primera suele ser degradada por las levaduras hacia el final del proceso de fermentación, una vez consumidos, o casi, los demás azúcares.
En hecho de que la función principal de las levaduras en la fabricación del pan sea dilatar la masa, no excluye otras funciones como cambiar la estructura y la textura de la masa mediante la variación de la estructura del gluten (proteína principal del trigo) durante el tratamiento mecánico de la masa. Los productos de la fermentación originados por la levadura, modifican también el sabor de la masa cocida y aumentan, hasta cierto punto, su valor nutritivo.

Pan

A lo largo de los años, este método de fabricar pan (proceso de fermentación en masa), ha sufrido cambios que ha permitido un mayor rendimiento en la manipulación rápida de la masa por máquinas. El método rápido se propone producir masa de pan a un ritmo mayor que la fermentación en masa, efectuándose ésta a una temperatura  más alta, alrededor de 35ºC. La masa contiene entonces una proporción mayor de levadura, o una cepa de este organismo dotado de mayor actividad fermentativa. La masa se somete, además, a un intenso mezclado mecánico, que afecta a la estructura de la misma.
Hasta mediados del siglo XIX, las levaduras que se añadían a la masa de pan eran levaduras residuales de la fermentación de la cerveza. Pero a medida que el volumen de panificación iba en aumento, la producción de levadura residual era insuficiente e incapaz de asegurar un buen rendimiento. Por ello, nacieron las fábricas productoras de levadura de panadería. En ellas se desarrollan cepas seleccionadas de  Saccaromyces cerevisiae.

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Obtención de bebidas alcohólicas

El fabricante de bebidas alcohólicas explota también la fermentación de azúcares por Saccaromyces cerevisiae. El requisito esencial es ahora el alcohol, no el CO2.
Las bebidas alcohólicas se agrupan en 3 categorías:

  1. Los vinos y cerveza , que se fabrican por fermentación con levaduras de un zumo de frutas o de un extracto azucarado de un grano.
  2. Los vinos encabezados, en los que se añade alcohol al vino.
  3. Los destilados, que se obtienen por destilación de vinos y cervezas.
  • Fabricación de cervezas

La mayor parte de la cerveza se obtiene de la cebada, lo que significa que hay que dejar germinar al grano de la cebada, después de maltearlo. El motivo principal de esa operación es producir enzimas en el grano que catalicen la rotura del almidón. La cebada malteada se tritura y se mezcla con agua a una temperatura de hasta 65 ºC. En pocas horas, las enzimas de la masa degradan las largas cadenas de almidón en moléculas de hidratos de carbono, más pequeñas, y rompen también otras moléculas de cadena larga como las proteínas.

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El extracto acuoso, el mosto, se separa del residuo del grano y se cuece, tradicionalmente con lúpulo, para darle e sabor típico a la cerveza. La cocción del mosto no sólo extrae  compuestos aromáticos del lúpulo, sino que también detiene la acción enzimática y precipita sus proteínas. Ahora el mosto lupulazo se siembra con una especie de Saccaromyces cerevisiae. La función principal de las levaduras estriba en convertir los azúcares del mosto en alcohol y CO2.
En el sabor final de la cerveza participan, aunque en menor grado, otros compuestos como los ácidos acético y el butírico, y los ésteres de ambos.
Tras la fermentación, la levadura se separa de la cerveza, que se deja madurar el tiempo apropiado. Después de la filtración, pasteurización y, posiblemente, otros pasos, la cerveza está lista para su envasado y venta.
Se han venido usando tradicionalmente, dos tipos de levaduras en la industria cervecera. La mayoría de las cervezas son de tipo Lager, fabricadas con una levadura que se instala en el fondo de los tanques durante la fermentación (denominadas  Saccaromyces carlsbergensis).

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En Gran Bretaña y en diversas zonas de Europa y América del Norte, la levadura usada en la fabricación  de la cerveza sube hasta la superficie durante la fermentación (Saccaromyces cerevisiae). Se forman las cervezas tipo Ale. Para los taxónomos no constituyen dos especies diferentes, aunque se sigue usando una y otra denominación entre los fabricantes.

  • Fabricación de vinos y derivados

Las antiguas leyendas atribuían a Baco el haber sido el primero en cultivar la vid y fabricar el vino. El Génesis lo atribuyó a Noé, aunque sin precisar nada del origen de la vid. Lo que si se puede afirmar es que el vino fue conocido por todos los pueblos de la antigüedad, desde la India, pasando por Egipto y toda la ribera de la Europa mediterránea, hasta la Galia y España. Los hebreos cultivaron la vid, pero más aún que ellos lo hicieron los griegos. Posteriormente los romanos fabricaron vinos cuya celebridad ha llegado hasta nuestros días.
La tecnología de fabricación del vino es mucho más simple que la de la cerveza.

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– Obtención del vino

La uva blanca o negra de variedades seleccionadas para vino se vendimia y se prensa para exprimir el zumo o mosto. Hasta hace poco, se dejaba que los microorganismos presentes en la superficie de las uvas frescas fermentaran el mosto a su aire. La flora natural de la piel de la uva contiene diversas levaduras, algunas de géneros distintos del Saccaromyces. A muchas de estas levaduras, responsables de la primera parte de la fermentación las mata el alcohol producido por las cepas de Saccaromyces cerevisiae en la fermentación del mosto. Terminada la fermentación, se filtra y embotella el vino.
Actualmente, muchas industrias no dejan ya la fermentación a la acción espontánea de las levaduras de la piel de la uva, sino que añaden al mosto cultivos especiales, seleccionados de Saccaromyces cerevisiae. También se regula la temperatura de fermentación, cuyo óptimo se encuentra entre los 7 y 14ºC. En algunas zonas el vino no se fermenta en lagares, ya que se hace por el procedimiento de fermentación continua, donde el mosto alimenta sin cesar el proceso de fermentación y se va extrayendo vino sin parar. Este método solamente se hace con los vinos baratos. La industria usa métodos similares para extraer vino de otros zumos de frutas.

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  • Obtención de vinos  encabezados

La adición de alcohol al vino para fortalecerlo se efectúa al principio para detener el proceso de fermentación y hacer biológicamente estable al vino. Los vinos del tipo fortificados  o encabezados, llevan un 15 o 20% de alcohol en volumen, y no son susceptibles de contaminación bacteriana.
Excepto en el jerez fino y amontillado, la simple fortificación implica agregarle al vino una cantidad apropiada de alcohol, almacenarlo breve tiempo  y ajustarle al final el contenido de alcohol. En la producción de jerez fino y amontillado, una vez encabezados, se deja que madure en contacto con el aire para favorecer el crecimiento de una flora superficial formada por varias levaduras (velo en flor). La  actividad metabólica  de esta levadura contribuye al aroma característico de los vinos jerezanos.

  • Obtención de destilados

Entre ellas se encuentran bebidas de muy variadas características, y que van desde los diferentes tipos de brandy y licor, hasta los de whisky, anís, tequila, ron, vodka, cachaça y gin entre otras. La Ley define los destilados como productos de la destilación de sustancias azucaradas fermentadas. Las sustancias que contienen azúcares, fermentan por la acción de las levaduras. La fermentación transforma los azúcares en alcohol.
La fabricación de destilados de origen cereal difieren de la producción cervecera por la no cocción del grano. Así pues, las enzimas activas en el mosto continúan operando a lo largo de la fermentación, degradando más azúcar y produciendo más alcohol.

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Los destilados difieren unos de otros en virtud del proceso de destilación.
El whisky de malta escocés se destila en pequeños alambiques, mientras que la mayoría de los demás whiskies  lo hacen en plantas de operación continua. En muchos destilados, el líquido fermentado se transfiere al alambique junto con las levaduras, ya que se ha demostrado que las levaduras pueden contribuir a mejorar  el aroma y sabor del producto final. Así mismo, también contribuyen en el aroma final los compuestos extraídos por el líquido de la madera de los barriles donde envejecen estos destilados, whiskys y brandies.

  • Whisky: Incluye todas sus variedades; Escocés (Scotch), Irlandés, Whiskies Estadounidenses y Canadienses. Incluyen cierto añejamiento según sea su productor. Siempre a partir de fermento de cereales, cerveza o malta.
  • Vodka: Los de Europa oriental y báltica a base de papa y cereales, y los occidentales a partir de cereales solamente.
  • Ron  Partiendo todos de la caña de azúcar
  • Brandy o Cognac: A partir de la destilación de vino o frutas molida fermentadas y añejados en toneles de madera.
  • Tequila: Obtenido a partir del mezcal o agave, variedades de cactus del pais azteca y desierto del sur de Estados Unidos.

Materias primas agrícolas más utilizadas en la elaboración de bebidas espirituosas:

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Mapa conceptual: Química del Carbono

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Mapa conceptual: Estructura atómica de la materia

Esquema de esta unidad. Pincha en la imagen para ampliarla:

Energía de los orbitales atómicos

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