Avance Caso Examen Complexivo Cátedra: Tesis Ingeniería en Biotecnología de los RR.NN Docente: Ing. Gina Tafur Nombre: Jeniffer Cumbajin Nivel: 9no Grupo 2 Fecha: 28/06/2021 Actividad N°7: Marco Referencial CASO EXAMEN COMPLEXIVO 1. Título: Producción de ácido cítrico a partir del suero de leche y bagazo de caña de azúcar con Aspergillus niger 2. Problema El ácido cítrico es un producto con una demanda mundial creciente, debido a sus aplicaciones en la industria de alimentos (bebidas, embutidos), farmacéutica, cosmética, plásticos y detergentes; por este motivo se ha estudiado su producción a partir de diferentes sustratos como la melaza de caña, desechos de cervecería, almidón, desechos de piñas, sacarosa, glucosa, tuzas de maíz y suero de leche entre otros. Se ha reportado que la sacarosa es la fuente de carbono más favorable seguida por glucosa, fructosa y lactosa. Entre los microorganismos capaces de producir y acumular ácido cítrico se encuentran las especies de los géneros Aspergillus, Citromyces, Penicillium, Monilia, Candida y Pichia. Las especies de Aspergillus negros y especialmente Aspergillus niger, son las más empleadas en este tipo de producción; las más efectivas son las que presentan baja actividad de las enzimas isocitrato deshidrogenasa y aconitasa hidratasa y una alta actividad de la citrato sintetasa. En la producción de ácido cítrico con Aspergillus niger los niveles de los nutrientes y las condiciones ambientales, como pH, agitación, temperatura, iones metálicos, concentración de fosfato, fuente de nitrógeno y carbono, alcoholes y aditivos, son factores importantes que regulan la morfología del microorganismo y el proceso fermentativo (López Ríos et al, 2015) El objetivo general de esta investigación será definir el proceso biotecnológico más idóneo para la producción industrial de ácido cítrico mediante Aspergillus niger comparando los procesos productivos que utilizan suero de leche y bagazo de caña de azúcar como materias primas para la obtención de sustratos nutritivos del proceso fermentativo. 3. Descripción de las actividades a realizar por el estudiante. El estudiante debe presentar un estudio actualizado sobre: I. Marco referencial a) Utilización industrial del ácido cítrico. El ácido cítrico es el principal ácido orgánico que se produce hoy por fermentación. La historia del ácido cítrico comenzó en 1784 con W. Scheele, quien fue el primero en lo aisló del jugo de limón como citrato de calcio, que se trató con sulfúrico ácido dio ácido cítrico en la fase líquida. En 1838, Libieg consideró que el ácido cítrico es en realidad tres ácidos carboxílicos y en 1880 Grimoux y Adam sintetizaron ácido cítrico a partir de glicerol derivado 1,3 dicloroacetona por primera vez químicamente (Berovic & Legisa, 2007). Wehmer en 1893 fue el primero que observó la presencia de ácido cítrico como subproducto de oxalato de calcio producido por un cultivo de Penicillium glaucum fermentación de azúcar. El resultado de esta fermentación le había animado a patentar el proceso de producción de ácido cítrico. Sobre esta base en 1894 el primer Se construyó la fermentación industrial, mediante sistema de bandeja abierta. Diez años después, el La fábrica estaba cerrada, ya que la fermentación se consideró demasiado larga y frecuente. se produjo contaminación. Después de Wehmer, varios otros investigadores siguieron, pero un avance razonable en la producción de ácido cítrico apareció con Zahorsky en 1913, quien por primera vez patentó una nueva cepa: Aspergillus niger. Siguiendo lo fundamental investigaciones de Thom y Currie 1916, Currie 1917 abrieron el camino para la fermentación industrial del ácido cítrico utilizando un nuevo microorganismo.(Berovic & Legisa, 2007) El ácido cítrico o 2-hidroxi-propano-1,2,3-ácido tricarboxílico (C6H8O7) es un ácido orgánico débil con un peso molecular de 210.14 g/mol y es soluble en agua. Es sólido a temperatura ambiente y presenta un punto de fusión a 153ºC. Presenta tres valores distintos de pKa en un pH de: 3.1, 4.7 y 6.4 esto es debido a que contiene 3 grupos carboxílicos en su estructura. Se encuentra presente en los frutos cítricos y como intermediario en el ciclo de Krebs de los organismos vivos (Show et al., 2015). Debido a sus propiedades fisicoquímicas y su presencia natural en el ambiente, ha sido muy utilizado dentro del sector industrial desde el siglo 19 (Ciriminna et al., 2017). La obtención de ácido cítrico puede ser mediante la extracción de frutos cítricos como: limón, lima y naranjas, o a partir de fuentes sintéticas por: reacciones químicas o fermentación microbiana. Microorganismos utilizados para la producción de ácido cítrico Los microorganismos capaces de producir ácido cítrico pueden ser: bacterias (Arthrobacter paraffinens, Bacillus licheniformis, Corynebacterium spp., entre otros), levaduras (Candida oleophilis, Candida guilermondi, Yarrowia lipolytica, entre otros) y hongos (Aspergillus wenti, Aspergillus niger, Aspergillus carbonarius, Penicilium janthinellum, Trichoderma viride, Mucor pyriformis, entre otros (Soccol et al., 2006). Sin embargo, no todos son capaces de producir comercialmente ácido cítrico con altos rendimientos debido a que su producción se basa en el metabolismo energético, siendo así que su acumulación se alcanza bajo condiciones específicas que no todos los microorganismos pueden tolerar. Adicionalmente, el uso de levaduras presenta una alta producción de iso-citrato el cual es controlado por la enzima aconitasa. Este es un componente no deseado, por lo que se ha tenido que desarrollar cepas mutantes con una baja actividad enzimática. Se ha establecido que Aspergillus niger es un microorganismo óptimo para la producción de ácido cítrico ya que presenta ventajas sobre las bacterias debido a que el proceso de fermentación se lo puede realizar utilizando sustratos de bajo costo con altos rendimientos de producción. Para mejorar la producción de ácido cítrico se han establecido procedimientos de mejoramiento genético usando mutagénesis mediante el uso de radiación gamma, ultavioleta y componentes químicos. Sin embargo, cuando se usa Aspergillus niger es muy importante considerar la técnica de fermentación y el sustrato, por lo que se deben hacer pruebas para evaluar su producción y establecer el mejor método previo a cualquier modificación genética (Show et al., 2015) El ácido cítrico es ampliamente utilizado en la industria de alimentos, bebida, química y farmacéutica, entre otras. Es empleado como agente acidificante y resaltador del sabor, como antioxidante para prevenir la rancidez de grasas y aceites, como amortiguador en mermeladas, y como estabilizante en gran variedad de alimentos. La industria farmacéutica emplea alrededor del 16% de la producción de este acido. Se estima que su producción anual es de 400.000 ton para un mercado de cerca de 1.400 millones de dólares por año. Su consumo se está incrementando por lo que se continúa investigando en la implementación de nuevos procesos tecnológicos más rentables y ecológicamente limpios (Demain, 2000). La obtención industrial de ácido cítrico se lleva a cabo empleando el hongo Aspergillus niger en medios ricos en carbohidratos como las melazas de caña y de remolacha. También se utiliza sacarosa, almidón de papa, hidrolizados de almidón y jarabes de glucosa. Se ha explorado la posibilidad de emplear levaduras para la producción de ácido cítrico en procesos por lotes (Garriga et al., 2005) Producción Industrial Según (Muñoz et al., 2014) alrededor del 99% de la producción mundial de ácido cítrico se produce a través de procesos microbianos, que pueden llevarse a cabo utilizando la superficie o cultivos sumergidos. El producto se vende como un ácido anhidro o monohidrato, y aproximadamente el 70% de la producción total de 1,5 millones de toneladas por año se utiliza en la industria de alimentos y bebidas como acidificante o antioxidante para preservar o mejorar los sabores y aromas de jugos de frutas, helados y mermeladas. 20% se usa, como tal, en la industria farmacéutica como antioxidante para conservar las vitaminas, efervescentes, correctores de pH, conservantes sangre, o en la forma de citrato de hierro como fuente de hierro para el cuerpo, así como en tabletas, ungüentos y preparaciones cosméticas. En la industria química, se utiliza el 10% restante, se emplea como un agente de formación de espuma para el ablandamiento y el tratamiento de los textiles. En la metalurgia, ciertos metales se utilizan en forma de citrato. El ácido cítrico también se utiliza en la industria de los detergentes como un sustituto de fosfato, debido al menor efecto eutrófico, y en el cemento al endurecimiento de éste (Pathania et al., 2018) en el área de materiales es ampliamente usado para la obtención de hibrídos mediante la sintesis tipo sol-gel. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Berovic, M., & Legisa, M. (2007). Citric acid production. Biotechnology Annual Review, 13(07), 303–343. https://doi.org/10.1016/S1387-2656(07)13011-8 Ciriminna, R., Meneguzzo, F., Delisi, R., & Pagliaro, M. (2017). Citric acid: Emerging applications of key biotechnology industrial product. Chemistry Central Journal, 11(1), 1–9. https://doi.org/10.1186/s13065-017-0251-y Demain, A. L. (2000). Small bugs , big business : The economic power of the microbe. 18, 499– 514. Garriga, M., Suárez, G., & Cruz, D. (2005). Redalyc.AVANCES EN LA PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO A PARTIR DE MIEL FINAL POR ASPERGILLUS NIGER. Muñoz, A., Sáenz, A., López, L., Cantú, L., & Barajas, L. (2014). Citric acid: Interesting compound. Revista Científica de La Universidad Autónoma de Coahuila, 6(12), 1–6. posgradoeinvestigacion.uadec.mx/AQM/No. 12/4.pdf%0Ahttp://www.posgradoeinvestigacion.uadec.mx/AQM/No. 12/4.pdf Pathania, S., Sharma, S., & Kumari, K. (2018). Solid state fermentation of BSG for citric acid production. Indian Journal of Natural Products and Resources, 9(1), 70–74. Show, P. L., Oladele, K. O., Siew, Q. Y., Aziz Zakry, F. A., Lan, J. C. W., & Ling, T. C. (2015). Overview of citric acid production from Aspergillus niger. Frontiers in Life Science, 8(3), 271–283. https://doi.org/10.1080/21553769.2015.1033653 Soccol, C. R., Vandenberghe, L. P. S., Rodrigues, C., & Pandey, A. (2006). New perspectives for citric acid production and application. Food Technology and Biotechnology, 44(2), 141–149. Actividad N° 8: Índice de Marco Teórico Tema: Producción de ácido cítrico a partir del suero de leche y bagazo de caña de azúcar con Aspergillus niger. Marco Refencial Materias Primas 1. Ácido cítrico. 1.1 Generalidades 1.2 Propiedades 1.3 Bioquímica del ácido cítrico 1.4 Métodos de obtención del ácido cítrico 1.4.1 fermentación superficial 1.4.2 fermentación sumergida 1.5 Producción del ácido cítrico 1.5.1 Producción nacional del ácido cítrico 1.5.2 Producción mundial del ácido cítrico 1.5.3 Producción del ácido cítrico para fines industriales 1.6 Aplicaciones del ácido cítrico 1.6.1 Demanda nacional del ácido cítrico 1.6.2 Demanda mundial del ácido cítrico 2. Suero de leche 2.1 Generalidades 2.2 PH del suero de leche 2.3 Microorganismos del suero de leche 2.4 Tipos de lactosuero y su composición nutricional 2.5 Producción de lactosuero para fines industriales 3. Bagazo de caña de azúcar 3.1 Generalidades 3.2 Aprovechamiento de la melaza de caña de azúcar 3.2.1 PH de la melaza 3.2.2 Microorganismos de la melaza 3.2.3 Características fisicoquímicas de la melaza 3.2.4 Composición nutricional de la melaza 3.2.5 Producción de melaza de caña de azúcar 3.2.5.1 Producción nacional de la melaza 3.2.5.2 Producción mundial de la melaza 3.2.5.3 Producción de melaza de caña de azúcar para fines industriales 3.3 Aplicaciones de la melaza de caña de azúcar 4. Análisis de alternativas para la producción de ácido cítrico a partir de bagazo de caña de azúcar 4.1 Vía fermentativa a través del método de cultivo superficial 4.2 Vía fermentativa a través del método de cultivo sumergido 4.3 Microorganismo “Producción de ácido cítrico a partir del suero de leche y bagazo de caña de azúcar con Aspergillus niger.” El ácido cítrico fue aislado por primera vez por Scheels Karls en 1874, en Inglaterra, a partir del jugo de limón importado de Italia. Esto llevó numerosos esfuerzos de todo el mundo para encontrar alternativas para su producción, que incluye técnicas químicas y microbianas.(Muñoz et al., 2014). Con el fin de aprovechar el subproducto de la fabricación de queso blanco, se evaluó el suero de leche como sustrato para la producción de ácido cítrico utilizando Aspergillus niger. Para este sustrato se comparó la hidrólisis ácida y enzimática de la lactosa con el fin de proporcionar al microorganismo una fuente de carbono más asimilable. (Andrés & Ríos, 2006). “Production of citric acid with aspergillus niger nrrl 2270 from milk whey”, para la utilización del suero de leche se han realizado investigaciones acerca de la hidrólisis ácida y enzimática de la lactosa como pretratamiento para los procesos fermentativos (Garriga et al., 2005) En cuanto la producción de ácido cítrico con Aspergillus niger los niveles de los nutrientes y las condiciones ambientales, como pH, agitación, temperatura, iones metálicos, concentración de fosfato, fuente de nitrógeno y carbono, alcoholes y aditivos, son factores importantes que regulan la morfología del microorganismo y el proceso fermentativo (Andrés & Ríos, 2006). La obtención industrial de ácido cítrico se lleva a cabo empleando el hongo Aspergillus niger en medios ricos en carbohidratos como las melazas de caña y de remolacha. También se utiliza sacarosa, almidón de papa, hidrolizados de almidón y jarabes de glucosa. Se ha explorado la posibilidad de emplear levaduras para la producción de ácido cítrico en procesos por lotes (Sánchez et al., 2004). Existe una gran demanda mundial de consumo de ácido cítrico debido a su baja toxicidad en comparación con otros acidulantes utilizados principalmente en las industrias farmacéutica y alimentaria. Otras aplicaciones del ácido cítrico se pueden encontrar en detergentes y productos de limpieza, cosméticos y artículos de tocador, y otros. La producción mundial ha alcanzado ahora 1,4 millones de toneladas y hay un crecimiento anual de 3,5–4,0% en la demanda / consumo de ácido cítrico.(Soccol et al., 2006) El producto se vende como un ácido anhidro o monohidrato, y aproximadamente el 70% de la producción total de 1,5 millones de toneladas por año se utiliza en la industria de alimentos y bebidas como acidificante o antioxidante para preservar o mejorar los sabores y aromas de jugos de frutas, helados y mermeladas. 20% se usa, como tal, en la industria farmacéutica como antioxidante para conservar las vitaminas, efervescentes, correctores de pH, conservantes sangre, o en la forma de citrato de hierro como fuente de hierro para el cuerpo, así como en tabletas, ungüentos y preparaciones cosméticas. En la industria química, se utiliza el 10% restante, se emplea como un agente de formación de espuma para el ablandamiento y el tratamiento de los textiles. En la metalurgia, ciertos metales se utilizan en forma de citrato (Muñoz et al., 2014). El acido citrico es ampliamente utilizado en la industria de alimentos, bebidas, quimica y farmaceutica, entre otras. Es empleado como agente acidificante y resaltador del sabor, como antioxidante para prevenir la rancidez de grasas y aceites, como amortiguador en mermeladas, y como estabilizante en gran variedad de alimentos.(Demain, 2000) La industria farmacéutica emplea alrededor del 16% de la producción de este acido. Se estima que su produccion anual es de 400.000 ton para un mercado de cerca de 1.400 millones de dolares por ano. Su consumo se esta incrementando por lo que se continua investigando en la implementacion de nuevos procesos tecnologicos mas rentables y ecologicamente limpios (Medina et al., 2015) El bagazo de caña de azúcar (BCA) es unos de los residuos de cosecha más abundantes en el mundo y en Cuba es la principal fuente de RLC acopiada y disponible para su empleo industrial lo que lo convierte en un valioso recurso para la diversificación de las producciones agroindustriales cubanas. El uso industrial de los RLC y del BCA, particularmente, requiere de uno o varios tipos de pretratamientos antes de poner a disposición de las etapas de reacción y bio-reacción sus principales componentes: hemicelulosa, celulosa y lignina. La eficiencia del pretratamiento es clave en la revalorización de los RLC (Guerra et al., 2019). Referencias bibliográficas Andrés, C., & Ríos, L. (2006). Producción de ácido cítrico con Aspergillus niger NRRL 2270 a partir de suero de leche. Producción de Ácido Cítrico Con Aspergillus Niger NRRL 2270 a Partir de Suero de Leche, 73(150), 39–57. Demain, A. L. (2000). Small bugs , big business : The economic power of the microbe. 18, 499– 514. Garriga, M., Suárez, G., & Cruz, D. (2005). Redalyc.AVANCES EN LA PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO A PARTIR DE MIEL FINAL POR ASPERGILLUS NIGER. Guerra, L., Zuorro, A., Rosselló, C., & González, E. (2019). Liberación De Xilosa Y Hemicelulosas En Pretratamientos Al Bagazo De Caña Con Empleo De Ácido Cítrico. Centro Azúcar, 46(2), 1–10. Medina, A., Quipuzco, L., & Juscamaita, J. (2015). Quality Assessment of Liquid Organic Fertilizer Produced From Sheep Manure Using Anaerobic Reactors. Anales Científicos, 76(1), 116–124. https://doi.org/10.21704/ac.v76i1.772 Muñoz, A., Sáenz, A., López, L., Cantú, L., & Barajas, L. (2014). Citric acid: Interesting compound. Revista Científica de La Universidad Autónoma de Coahuila, 6(12), 1–6. posgradoeinvestigacion.uadec.mx/AQM/No. 12/4.pdf%0Ahttp://www.posgradoeinvestigacion.uadec.mx/AQM/No. 12/4.pdf Sánchez, O., Ortiz, M., & Betancourt, A. (2004). Obtención de ácido cítrico a partir de suero de leche por fermentación con Aspergillus spp. Revista Colombiana de Biotecnología, 6(1), 43– 54. Soccol, C. R., Vandenberghe, L. P. S., Rodrigues, C., & Pandey, A. (2006). New perspectives for citric acid production and application. Food Technology and Biotechnology, 44(2), 141–149. Actividad N° 9: Metodología Descripción del proceso La utilización de los productos y subproductos, permiten un desarrollo industrial dentro de un ciclo cerrado de aprovechamiento integral, que llega hasta los residuales, utilizando estos de manera que no causen daño al medio ambiente y a la vez tengan una utilidad económica. Obtención de azúcar crudo El proceso de producción de azúcar crudo a partir de caña de azúcar cuenta de varias etapas las cuales se explican brevemente a continuación: 1. Preparación y molienda: La caña se prepara antes de pasarla por los molinos. Las desmenuzadoras extraen entre 40 y 60 % del jugo y en la etapa final de molienda se termina la extracción auxiliada por el agua de imbibición (25 a 30 % de la caña), que sustentada por el fenómeno de difusión coopera con el agotamiento, para que el bagazo tenga poco remanente de azúcar. En esta etapa existen dos corrientes de salida, la principal el jugo mezclado y una secundaria, pero de gran significación, el bagazo, que sería la materia prima utilizada para la producción de ácido cítrico. 2. Purificación: El jugo mezclado posee además del azúcar y el agua algunas impurezas que deben ser eliminadas para que el producto final tenga la calidad requerida: azúcares reductores, albúmina, gomas, pectinas, ácidos orgánicos e inorgánicos, sales y otros compuestos disueltos o en suspensión. La base de la purificación es el método cal-calor (hidróxido de calcio (cal) y alta temperatura), lo que se consigue por diversas vías. El P 2O5 (equivalente de ácido fosfórico) y otros ácidos reaccionan con la cal y forman flóculos que arrastran las impurezas en una secuencia de operaciones y procesos unitarios donde se destacan la alcalización (mezcla y reacción entre los compuestos del jugo y cal), calentamiento, sedimentación y filtración. El producto principal de esta etapa es el jugo claro y además sale un subproducto de gran interés en otras producciones, como lo es la cachaza, que contiene, principalmente, las impurezas separadas y es una vía para la pérdida de sacarosa. (Albernas, 2013). 3. Concentración: El jugo claro se concentra por evaporación en el múltiple efecto, eliminándose la mayor parte del agua contenida. El múltiple efecto está compuesto por una serie de evaporadores de forma tal que el vapor extraído en un vaso sirve como medio de calentamiento al vaso que sigue. Como producto final se obtiene la meladura, que es una solución azucarada de alta pureza y con aproximadamente 60 % de sólidos solubles. 4. Cristalización: La meladura se continúa concentrando en la primera etapa de trabajo de los tachos. La segunda etapa del funcionamiento consiste en la cristalización de la sacarosa. La cristalización en los tachos no es espontánea, sino que se logra con un grano de base (pie de semilla) el que “engorda” por un fenómeno de difusión. La extracción de sacarosa se termina en los cristalizadores donde la difusión se incrementa con agitación lenta y enfriamiento de la masa cocida extraída de los tachos. 5. Purgado: En las centrífugas se alimentan las distintas masas cocidas y se separa el grano de las mieles. El azúcar comercial es generalmente una mezcla de las extraídas en las centrífugas de primera y segunda, el azúcar de tercera se utiliza como pie de semilla para la producción del producto final. Las mieles separadas aún contienen cantidades considerables de sacarosa y se pueden usar como base para la extracción. La miel que ya está agotada (aunque contiene aún gran cantidad de sacarosa) se considera miel final y es un subproducto del proceso. Descripción del proceso de obtención de ácido cítrico El proceso de producción de ácido cítrico comienza con el acondicionamiento de la materia prima; en este caso el bagazo de caña de azúcar. El objetivo del pretratamiento es romper la estructura de la fibra de lignocelulosa para facilitar el ataque enzimático (Roberto & Mussatto 2004). 1. El método de pretratamiento utilizado es la explosión de vapor que consiste en poner en contacto el sustrato a presiones mayores que la atmosférica (15 a 45 atmósferas) y a altas temperaturas (185 - 2600C) por un corto tiempo (1-10 minutos), despresurizando bruscamente. Durante el pretratamiento se produce: el fraccionamiento de la biomasa en sus componentes principales (celulosa, hemicelulosa y lignina), la reducción de la cristalinidad de la celulosa y el aumento del área superficial accesible (Harris, 1952). 2. La explosión con vapor logra que los enlaces hemicelulosa - lignina se rompan durante el proceso permitiendo que la celulosa se disuelva en el agua; este rompimiento también libera parte de la lignina soluble en el agua y permite su solubilidad en solventes orgánicos y alcalinos (Avellar & Glasser 1998). 3. El bagazo pretratado de la explosión de vapor es enviado a la etapa de hidrólisis ácida. Para ello la biomasa se somete a la acción de una solución de ácido sulfúrico al 1,25 % en base a la fibra seca, en presencia de vapor a 175°C y 9 atm con una relación sólido - líquido de 1:4 kg/L, el tiempo de residencia de esta etapa es de 40 minutos, según (Mesa, 2009). En esta etapa, se requieren altas temperaturas para lograr rendimientos aceptables en glucosa, lo que provoca a su vez una mayor descomposición de los azúcares procedentes de la hemicelulosa, generando compuestos como el furfural, aspecto que fue ampliamente abordado por (Lenihan, et al. 2010); (Morales 2015). 6. Posteriormente se realiza una filtración, en la que se obtiene una segunda masa sólida con una cantidad pequeña de lignina y una corriente líquida con un gran contenido de ésta. El objetivo del pretratamiento es hacer al material lignocelulósico más susceptible para la etapa de hidrólisis enzimática. 7. Seguidamente se somete el sólido a la etapa de hidrólisis enzimática, mediante la acción de las enzimas celulasas Novozyme CellicRCTec2 y β-glucosidasa por un término de 24 - 48 h. Esta fase se lleva a cabo a 45°C, empleando enzimas celulolíticas. Se trabaja a un pH de 4,8 y una velocidad de agitación de 150 rpm. La solución de glucosa obtenida pasa por una segunda etapa de filtración con el objetivo de separar el sólido del hidrolizado de bagazo obtenido en la hidrólisis enzimática el cual será utilizado como sustrato para la posterior etapa de fermentación. Experimentalmente por (Albernas et al. 2014) se reporta a 50°C y 18 horas un rendimiento de 40,56 gG/LHiEn. 8. Luego de obtenido el hidrolizado este es suministrado a los fermentadores en los cuales la carga se completa con la adición de ciertos nutrientes suplementarios. Se introduce vapor por medio del sistema de aireación del fermentador procedente de la caldera. El vapor aumentará la temperatura del medio hasta los 100ºC y mantendrá esta temperatura durante el tiempo necesario para eliminar todo microorganismo que pueda competir con el sustrato. Una vez alcanzada la temperatura de fermentación, se introduce el inóculo; este momento marca el final de los procesos de preparación de la materia prima y el inicio del proceso fermentativo. 9. Una vez producida la inoculación, el microorganismo comenzará a crecer en el medio, consumiendo la glucosa y fabricando ácido cítrico. El medio fermentativo estará agitado y aireado. En esta fase, el serpentín de refrigeración del fermentador deberá estar en marcha ya que el proceso es exotérmico y se debe mantener la temperatura idónea. A continuación, se muestra la reacción que ocurre en la fermentación: 10. La fermentación va a ser la etapa más duradera de todo el proceso que tiene lugar en la planta, aproximadamente 6 días. Durante el proceso fermentativo se controlarán distintas variables (temperatura, pH, etc.), para que transcurra de manera correcta y se produzca la mayor cantidad posible de ácido cítrico. Será un proceso de tipo discontinuo. Tras el tiempo estipulado, el fermentador se descarga. El producto obtenido, el fermentado, contiene ácido cítrico, agua y una serie de impurezas el cual es enviado a la etapa de filtración del fermentado cuya función es separar el micelio (microorganismo muerto). 11. El líquido filtrado, compuesto por el fermentado sin micelio, se transporta hacia el tanque donde se irá mezclando con una lechada ya preparada. Se produce una reacción química que transforma el ácido cítrico, presente en el licor fermentado, en citrato cálcico, el cual es sólido y precipita. Para que esta reacción se produzca adecuadamente es necesario un sistema de agitación que promueva la mezcla de sustancias y un serpentín refrigerante, ya que la reacción producida es exotérmica y se realizará en discontinuo. 12. Una vez acabado el proceso de lechada, la masa dentro del reactor se calienta hasta una temperatura cercana a la de ebullición. Esta función la realizará un vapor condensante que se hará circular por el interior del serpentín del reactor. Una vez calentado el licor, será enviado hacia una nueva etapa de filtración donde se separará el citrato cálcico en forma de torta y lo enviará hacia el reactor de descomposición del citrato. El líquido filtrado (licor post - fermentativo sin ácido cítrico) es enviado hacía un depósito de almacenaje. En el reactor de craqueo, la torta de citrato cálcico se irá mezclando con una disolución de ácido sulfúrico, produciéndose una reacción química que forma yeso (el cual es sólido y precipita) y deja libre en disolución el ácido cítrico. En este reactor es fundamental una buena agitación para mezclar bien la torta sólida con el ácido sulfúrico, también existirá un serpentín de refrigeración que eliminará el calor producido durante la reacción. Como en el caso de la lechada, la reacción será de tipo batch o discontinuo. Tras el craqueo del citrato cálcico, la masa reaccionante se conduce mediante tubería a un filtro de banda de vacío que separará el sulfato cálcico o yeso del líquido que contiene el ácido cítrico. El yeso se transporta mediante cinta hacia un depósito para su almacenaje, mientras que el líquido filtrado será conducido hacia otra etapa de filtración. La fase de purificación comienza cuando la disolución de ácido cítrico es conducida hacia el siguiente equipo, que es un evaporador de doble efecto de película descendente. En este proceso la disolución de ácido cítrico perderá agua mediante la acción de un calor cedido por un vapor condensante, quedando lo suficientemente concentrada como para poder entrar en el siguiente proceso. La corriente que sale del evaporador se introduce en un equipo de cristalización. En el interior del aparato se creará sobresaturación por vacío, lo que provocará la nucleación y la formación de cristales sólidos de ácido cítrico. Estos cristales, acompañados por el resto del licor que no ha cristalizado, abandonarán el cristalizador camino a la centrifugación. El magma procedente de la cristalización será conducido hasta una centrífuga continua de canasta que separará los cristales recién formados de producto del licor y sus impurezas, abandonando el equipo prácticamente seco. La corriente cristalina es conducida, a un secador de lecho fluidizado donde los cristales de ácido cítrico pierden el agua restante, quedando totalmente secos. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Albernas, Y. (2013). Procedimiento para la síntesis y el diseño óptimo de plantas discontinuas de obtención de bioetanol empleando bagazo de caña de azúcar. Ingeniería Química. Santa Clara, Universidad Central Marta Abreu de Las Villas. Albernas, Y., et al. (2014). "Análisis del tiempo de la hidrólisis enzimática del bagazo pretratado." Revista Centro Azúcar. Almenares, J. F. (2011). "Aspectos tecnológicos generales para la conversión a etanol de la biomasa lignocelulósica." Tecnología Química 31. Amores, I. (2013). "Ethanol Production from Sugarcane Bagasse Pretreated by Steam Explosion." Electronic Journal of Energy & Enviroment. Avellar, B. and W. Glasser (1998). "Steam-assisted biomass fractionation. Process considerations and economic evaluation." Biomass and Bioenergy 14 (3): 205-218. 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Operaciones unitarias, balance de masa y de energía. 2 3 JUNIO 4 1 2 3 JULIO 4 1 2 3 AGOSTO 4 1 2 3 SEPTIEMBRE 4 1 2 3 4 Análisis de costos. Discusión análisis resultados Análisis estadístico y de Resultados esperados para justificar el redimensionamient o de la escala productiva hasta nivel industrial. Obtención del ácido cítrico a partir del bagazo de caña y el suero de leche Conclusiones y recomendaciones X X X X X X X X X X X X X X X Actividad N° 11: Presupuesto A continuación se presenta la evaluación económica del proceso de obtención de ácido cítrico empleando como materia prima el bagazo de caña de la producción de azúcar crudo en Ecuador. Análisis económico de la planta de producción de ácido cítrico Conociendo el coso total de equipamiento de una planta con similitud de condiciones de trabajo y materia prima siendo esta de 4 565 000 USD para una capacidad instalada de 5 000 t/a según (Guerra, 2018) se aplica la regla de la 0,6 (Peters & Timmerhaus, 1968) para determinar el costo de equipamiento total para una capacidad de 9006,63 t/a. Donde: CTE: Costo total de equipamiento CE: Costo equipamiento CP: Capacidad de producción A: para una capacidad de 9006,3 t/a B: para una capacidad de 5000 t/a Según la metodología propuesta por (Peters & Timmerhaus, 1968) se realiza el cálculo para determinar los costos totales mostrándose los resultados obtenidos en las tablas 1, 2, 3 y 4. Tabla 3. Costo total de inversión Costos Directos Aspecto % respecto al equipamiento Resultados (USD) Costo de Equipamiento adquirido 0,10 6 498 246,36 Instalación de equipamiento 0,30 2 144 421,30 Instrumentación y control 0,20 1 429 614,20 Tuberías instaladas 0,25 1 787 017,75 22 Instalación del sistema eléctrico 0,08 571 845,68 Edificaciones 0,25 1 787 017,75 Movimiento de terreno 0,10 714 807,10 Facilidades 0,10 714 807,10 Total de costos directos Ingeniería y supervisión 16 297 601,87 Costos Indirectos 0,25 1 787 017,75 Gastos constructivos 0,27 1 929 979,17 Gastos legales 0,04 285 922,84 Contratos 0,15 1 072 210,65 Contingencia 0,25 1 787 017,75 Total de costos indirectos 6 862 148,16 Inversión fija 23 159 750,03 0,38 Capital de trabajo 2 716 266,98 25 876 017,01 Costo total invertido 23 Tabla 2. Costo de materias primas y materiales auxiliares Materia prima y materiales auxiliares Aspecto Precio (USD/kg) 0,01 Cantidad (kg/a) 113 836 791,89 Costo (USD/a) Ácido cítrico 0,75 9 009 633,06 6 757 224,80 Fosfato monopotásico 1,0 36 887,38 36 887,38 Cloruro de amonio 0,10 307 394,81 30 739,48 Sulfato de magnesio 0,50 4 918,32 2 459,16 Ferrocianuro de potasio Sulfato de cinc 2,0 122 957,93 245 915,86 0,80 36 887,38 29 509,90 Aspergillus niger 1,0 24 591,59 24 591,59 Óxido de calcio 0,14 2 206 702,35 308 938,33 Ácido sulfúrico 0,35 2 769 430,54 969 300,69 Bagazo de caña Costo anual de materiales auxiliares (USD/a) 916 386,17 2 564 728,57 Tabla 3. Costo total de utilidades Costo Utilidades unitario Unidad Requerimientos Unidad (USD/u) Costo anual de utilidades (USD/a) Electricidad 0,092 USD/kWh 335 kWh/a 30,79 Vapor 6,00 $/1 000 kg 662 1 000 kg/a 3 971,17 0,53 USD/m3 6 306,36 m3/a 3 342,37 Agua para proceso Costo total de utilidades 7 344, 33 24 Tabla 4. Costo total de producción Componente Factor Costo (USD/a) Materias primas 2 564 728,57 Labores de operación (LO) 194 400,00 Operaciones de supervisión (OS) 0,1 (LO) Utilidades 19 440,00 7 344,33 Mantenimiento y reparación (MR) 0,05 (FCI) 1 157 987,50 Suministros operacionales 0,12 (MR) 138 958,50 Cargos de laboratorio 0,1 (LO) 19 440,00 Costo variable (CV) 4 102 298,90 Impuestos 0,02 (FCI) 463 195,00 Seguro 0,005 (FCI) 115 798,750 Renta 0,08 1 852 780,00 Cargos fijos (CF) 2 431 773,75 Costo de manofactura CV + CF 6 534 072,66 Administración 205 774,13 Distribución y ventas 0,15(OL+ OS+ MR) 0,05(Dep) Investigación y desarrollo 0,05(Dep) 374 435,93 374 435,93 Expensas generales 954 645,99 Costo total de producción sin depreciación 7 488 718,65 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Albernas, Y. (2013). Procedimiento para la síntesis y el diseño óptimo de plantas discontinuas de obtención de bioetanol empleando bagazo de caña de azúcar. Ingeniería Química. 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