Rendimiento de extracción de pectina cítrica respecto

RENDIMIENTO DE EXTRACCIÓN DE PECTINA CÍTRICA RESPECTO
DEL TIEMPO Y TEMPERATURA.
(1)
Gilli, Daniel, (2)Quaranta, Marisel
(1)
GISIQ (Grupo de Investigación en Simulación para Ingeniería Química)
(2)
Laboratorio de Análisis Físico-Químicos.
Facultad Regional Villa María. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL.
Av. Universidad 450 (5900) Villa María, Córdoba, Argentina.
Tel. 0353-4537500. Fax: 0353-4535498.
e-mail: [email protected], [email protected].
RESUMEN
En este trabajo se generaron expresiones cinéticas empíricas bivariantes para la extracción de
pectina a partir de cáscaras de cítricos y se compararon sus ajustes frente a un modelo teórico
presente en la literatura científica con base en datos experimentales.
Las expresiones propuestas que representaron el rendimiento de pectina extraída respecto del
tiempo y la temperatura simultáneamente resultaron más simples, se aproximaron mejor a la
situación real y su generalidad se validó al aplicarlos a otros desechos industriales alimenticios.
A partir de estos modelos se determinó el requerimiento energético de la extracción para
diferentes condiciones y se establecieron los parámetros de operación óptimos para el
funcionamiento económico del equipo.
Palabras Claves: pectina cítrica, rendimiento de extracción, cinética.
INTRODUCCIÓN
La pectina es una mezcla compleja de polisacáridos que constituye la pared celular de los
vegetales y cuyo principal componente es el ácido galacturónico unido en cadenas mediante
enlaces glicosídicos α(1-4). Su alto poder gelificante y emulsionante natural, la convierte en un
insumo esencial en la industria alimenticia mundial.
Específicamente en Argentina, la producción de cítricos ha alcanzado las 3 millones de toneladas
anuales destinando a la industrialización cerca del 50%. Aproximadamente un cuarto de las
cáscaras que se obtienen como residuos de este procesamiento son deshidratadas y exportadas;
una pequeña porción del 75% restante se destina a elaborar productos con escaso valor
agregado, mientras que la mayor parte constituye un desecho orgánico contaminante que se está
convirtiendo en un problema cada vez mayor para las industrias procesadoras de cítricos[1][2].
Estos aspectos respaldan el interés por evaluar alternativas de procesamiento que permitan un
aprovechamiento integral de los mismos. El desecho industrial que constituyen las cáscaras de
estos cítricos (albedo) es la principal materia prima para la obtención de pectina. En la actualidad
no se cuenta con producción nacional, importándose alrededor de 400 Tn anuales a un costo de
35-50 $/Kg.[3].
Este trabajo fue realizado en el marco de un proyecto de planta, actualmente en desarrollo, cuyo
objetivo es determinar la factibilidad económica de producir pectina en el país.
FUNDAMENTO TEÓRICO
El proceso de extracción a nivel industrial comprende fundamentalmente una hidrólisis ácida y
una coagulación de la pectina con alcohol. El diseño del equipamiento para la primera etapa, se
basa en ecuaciones cinéticas que permiten obtener y proyectar condiciones técnicas y
económicamente óptimas de proceso.
El mecanismo de extracción puede describirse mediante un modelo teórico de dos etapas
k1
k2
consecutivas: A ⎯⎯→
Pec ⎯⎯→
D , donde A representa el albedo, Pec pectina y D productos
[4]
degradados . La expresión teórica para la cinética correspondiente a este mecanismo se
presenta en la tabla Nº 1.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para determinar el rendimiento y la cinética de extracción se realizaron experiencias en el
laboratorio aplicando una metodología propia. Se efectuaron dos extracciones a partir del albedo
del limón (variedad Eureka) a una temperatura de 85 ºC, tiempo de hidrólisis de 60 y 75 min. y una
relación 1/6 gr.albedo/ml agua. El medio ácido (pH = 2) se generó con HCl y para la coagulación
de la pectina se utilizó etanol 96 % en relación 1/1 ml alcohol/ml solución hidrolizada. El coágulo
de pectina se filtró con gasa doble, se lavó para eliminar restos de cloruros y se secó en estufa
hasta peso cte. Los rendimientos en base seca fueron de 11.8 % y 12.12 % para el menor y mayor
tiempo de extracción. La Fig. Nº 1 muestra etapas de la experiencia realizada en el laboratorio.
Coagulación
Filtración
Pectina
Fig. Nº1: Coagulación y Filtración en la experiencia de laboratorio
Para generar las expresiones cinéticas empíricas de extracción se complementó la información
obtenida en el laboratorio con datos experimentales de rendimiento de pectina en cítricos[5][6]
publicados en literatura científica. Se trabajó con un conjunto de 13 datos de campo.
El análisis de regresión no lineal aplicado a la totalidad de los datos experimentales de
rendimiento de extracción vs. tiempo y temperatura simultáneamente y la optimización de los
parámetros correspondientes a cada modelo propuesto se realizó aplicando el software DataFit v
6.1.[9]. El ajuste de estas expresiones se comparó con el modelo teórico con base en los datos de
campo.
A partir de los modelos propuestos para cítricos, se determinó el tiempo y la temperatura
correspondientes al rendimiento óptimo de extracción evaluándose el requerimiento y costo
energético del sistema para estas condiciones de operación a una escala piloto. Se computó el
rendimiento para diferentes pares de valores t-T, menores a los óptimos, y se efectuó un análisis
económico global de la etapa para determinar los parámetros de operación que establecieron una
solución de compromiso técnica-económica. El cómputo de estas condiciones se realizó
considerando una producción diaria de pectina equivalente al 4.5 % de las importaciones
nacionales del producto.
Paralelamente, se aplicó la misma metodología y análisis a datos experimentales publicados para
rendimiento de extracción en duraznos[7] (34 datos) y remolacha[8] (8 datos) comprendiendo un
rango de temperatura entre 40 y 100ºC , tiempo de hidrólisis entre 10 y 120 min. y pH entre 1.5
y 3.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El modelo cinético teórico y los propuestos (1), (2) y (3) para el redimiendo de pectina en cítricos
se presentan en la tabla Nº 1. Para el cómputo del error asociado a cada modelo se consideró la
totalidad de los datos experimentales, los generados en el laboratorio mas los publicados.
Tabla Nº 1: Modelos para el rendimiento de pectina en cítricos
MODELOS
TEÓRICO P(t, T) = A
−k t ⎞
⎛ − k 1t
⎜⎜ e
− e 2 ⎟⎟ siendo k (T ) = k 0
k 2 − k1 ⎝
⎠
k1
[
⎛ Ea
⎜
⎜R T
e⎝ u
⎞
⎟
⎟
⎠
]
ECM
E%
1.25
7.83
1.80
11.81
(1)
P1 (t , T ) = A1 ⋅ e −( B1 / T )⋅t − e −(C1 / T )⋅t
(2)
P2 (t , T ) = A2 + B2 ⋅ log(t ) + C 2 ⋅ log(t ) 2 + D2 ⋅ T + E 2 ⋅ T 2
1.11
6.97
(3)
P3 (t , T ) = A3 + B3 ⋅ (t ) + C 3 ⋅ (t ) + D3 ⋅ T + E 3 ⋅ T
1.18
7.34
2
2
(1) Modelo simplificado del teórico, (2) y (3) Modelos generados con el software.
ECM = error cuadrático medio.
E% = error porcentual.
Del análisis de estos modelos se determinó que la simplicidad de la expresión (3) y su ajuste
frente a los datos experimentales resultaron adecuados para el cálculo repetitivo, lo que permitió
predecir el rendimiento de extracción de pectina respecto del tiempo y temperatura dentro del
equipo de una manera sencilla. Los parámetros optimizados para (3) se muestran en la tabla Nº 2
y se expone la reducción del error porcentual respecto al modelo teórico.
Tabla Nº 2: Parámetros optimizados de (3) para cítricos.
A
-2.4339. 103
B
0.3096
C
-1.8188.10-3
D
12.9908
E
-0.017321
Red. del E%
6.26 %
En la figura Nº 2 se graficó el modelo (3) con sus parámetros optimizados para cítricos frente a
los datos experimentales. El máximo rendimiento de extracción, 14.9%, correspondió a un tiempo
de 85 min. a 373.05 K.
Fig. 2: Evolución del rendimiento de extracción vs. tiempo y
temperatura frente a los datos experimentales.
En el caso particular de duraznos y remolacha se obtuvo, con la expresión (3), una reducción del
error porcentual de 34.21% y 27.35% respectivamente respecto al modelo teórico, confirmando la
generalidad y confiabilidad de la expresión.
Análisis técnico-económico
El cómputo del ahorro alcanzado para diferentes condiciones de operación se realizó a partir del
requerimiento energético necesario por el sistema considerando el costo del combustible
generador de la energía (gas natural)[10]. Los ingresos aproximados correspondientes a cada
situación se determinaron a partir de los costos de producción mas significativos y el precio de
venta del producto en el mercado nacional.
Los rendimientos obtenidos para cítricos con el modelo (3) y su respectiva información
económica se presenta en la tabla Nº 3.
Tabla Nº 3: Análisis energético para el funcionamiento económico del
extractor a escala piloto a partir del modelo (3).
Condiciones de
Operación
T
(ºC)
Óptimas*
100
90
85
80
80
Propuestas
t
Rendimiento
(min)
(%)
85
80
60
90
60
14.90
12.41
8.83
6.58
6.21
Ahorro
energético
($)
1.69
2.56
3.37
3.41
Ingreso
por ventas
($)
1020
840
596
444
420
* Óptimas técnicas.
CONCLUSIONES
A partir de los resultados obtenidos se puede arribar a lo siguiente:
Los rendimientos de extracción de pectina obtenidos en el laboratorio fueron similares a los
publicados en literatura científica, lo que validó la metodología empleada y los resultados
alcanzados.
La expresión (3) mejoró el ajuste frente a los datos experimentales con respecto al modelo
teórico y su simplicidad resultó adecuada para cálculos repetitivos.
El ahorro energético logrado en el sistema debido al menor consumo de combustible por trabajar
en condiciones de tiempo y temperatura mas bajas, no compensó la disminución en los ingresos
por ventas del producto a causa del menor rendimiento, principalmente por su elevado costo.
Las condiciones óptimas-técnicas de tiempo y temperatura que se determinaron en un principio
(85 min. y 100 ºC), resultaron también las económicas del sistema.
NOMENCLATURA
A, B, C, D y E: Parámetros optimizados.
Ea: Energía de Activación [kJ/mol].
k: Constante cinética de extracción [min-1].
k0: Factor de frecuencia [Adim.].
Ru: Constante de gases ideales. [kJ/mol . K].
P: Rendimiento gr Pectina/gr albedo [%]
t: Tiempo [min.].
T: Temperatura [K].
REFERENCIAS
[1] INDEC, Instituto Nacional de Estadísticas y Censos, 2004.
[2] INTA, Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria , Informes Regionales, Entre Ríos, 2004.
[3] ALADI, Asociación Latinoamericana de Integración, www.aladi.org/.
[4] Levenspiel, O., Ingeniería de las Reacciones Químicas, Segunda Edición, Ed. Reverté S.A.,
Barcelona, España 1998.
[5] Aparicio,C., Ferrer,A.,Ferrer, B.,Peña,J y Cedeño,M., “Extracción y caracterización de pectina
en limones injertados en la región zuliana”,Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico de la
Universidad del Zulia (CONDES),1996.
[6] Devia Pineda,J.E., “Proceso para producir pectinas cítricas”,Revista Universidad EAFIT Nº
129, 2003.
[7] Gilabert, J., Degradación enzimática y características físicas y químicas de la pectina del
bagazo de melocotón, Tesis doctoral, Depto. Tec. Alimentos, Universidad de Lleida, España,
1996.
[8] Mesbahi, G., Jamalian, J., Farahnaky, A., “A comparative study on functional properties of beet
and citrus pectins in food systems”, Food Hydrocolloids 19, 731-738, 2005.
[9] DataFit v 6.1.10, Oakdale Engineering, RC117, USA, 1999. http://www.oakdaleengr.com.
[10] Secretaría de Energía de la Nación, Boletín Oficial, 2006.
[11] Fogler, S., Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas, Tercera Edición, Ed.
Pearson S.A., México.
[12] Quijano,C.E.M., Brito, L.W.F., Marrufo, G.J., Mena, R.G.J., López, C.J., “Análisis de productos
obtenidos de los deshechos derivados de la extracción del jugo de cuatro especies de cítricos que
se cultivan en Yucatán”, (CONDES),1995.
[13] Carbonell, E.; Costell, E. y Duran, L. Determinación del contenido en pectinas en productos
vegetales. Rev. Agroq. Tecnol. Alim. 30/1, 1-9, 1990.
[14] Ratkowsky, D., “Handbook of Nonlinear Regression Models”, Ed. Marcel Dekker Inc, New
York, USA, 1990.
[15] Ehrlich, R. M. Methods for making pectin and pectocellulosic products. U. S. Patent 5,656,734,
1997.
[16] Glahn, P. E. Pectin process and composition.. U.S. Patent 6,207,194 y U.S. Patent 6,159,503,
2000 y 2001.