Design of a process of
production of citrus acid by computational simulation
=
=
María Augusta Guadalupe
Recibido: 18-10-2019 / Revisado: 15-1=
1-2019
/Aceptado: 04-12-2019/ Publicado: 05-01-2020
The design of a citric acid production process from
fermentation with Aspergillus Niger by computer simulation, was carried out
with the use of SuperPro Designer software, the
design parameters were established based on previous studies, which were
entered into the calculation platform, subsequently the results obtained in=
the
design were analyzed technically and economically, which allowed to determi=
ne
an amount of citric acid production of 6 914. 69 ton / year, when using FOB
prices (Free on board) you have an investment total of $ 31,460,000 together
with a NPV (net present value) of $ 165,000 and an IRR (internal rate of
return) of 8.05%, indicating that the project can be carried out and is
profitable in a time of retribution 8 years old The process consists of two
stages: fermentation and isolation, which must be carried out under the
operating conditions (T =3D 25ºC and P =3D 1 atmosphere in most operations)=
and the
optimal fermentation conditions for Aspergillus niger<=
/span>
(T =3D 35ºC, pH =3D 5.8 and P =3D 1 atmosphere) that are suitable to obtain=
a quality
product that can be offered in the national and international market. Final=
ly,
it is proven that the use of software allows technical studies to be develo=
ped
without the need to resort to long periods of time with experimental labora=
tory
tests, that is, it saves us: time, pre-design costs and errors.
Keywords: Chemical Engineering / Industrial Processes /
Simulation/ Fermentation/ Operation parameters
Resumen.
El
diseño de un proceso de producción de ácido cítrico a partir de la fermenta=
ción
con Aspergillus Niger
por simulación computacional, se realizó con el uso del software SuperPro Designer, los pa=
rámetros
de diseño se establecieron en base a estudios previos, mismos que se ingres=
aron
a la plataforma de cálculo, posteriormente los resultados obtenidos en el
diseño se analizaron técnica y económicamente, lo que permitió determinar u=
na
cantidad de producción de ácido cítrico de 6 914. 69 ton/año, al usar preci=
os
FOB (Free on board)=
se
tiene una inversión total de $ 31 460 000 junto a un VAN (Valor actual neto=
) de
$165 000 y un TIR (Tasa interna de retorno) del 8.05%, lo que indica que el
proyecto se puede llevar a cabo y resulta rentable en un tiempo de retribuc=
ión
de 8 años. El proceso consta de dos etapas: fermentación y aislamiento, que
deben realizarse bajo las condiciones de operación (T=3D 25ºC y P=3D 1 atmósfera en la mayoría de las operaciones) y las
condiciones óptimas de fermentación para el Aspergillus
niger (T=3D 35ºC,
pH=3D 5.8 y P=3D 1 atmósfera) que son adecuadas para obtener un
producto de calidad que pueda ofertarse en el mercado nacional como
internacional. Finalmente, se comprueba que el uso de software permite
desarrollar estudios técnicos sin la necesidad de recurrir a largos período=
s de
tiempo con análisis experimentales en laboratorio, es decir, nos ahorra:
tiempo, costos de pre-diseño y errores.
Palabras claves: Ingeniería Química/
Procesos Industriales/ Simulación / Fermentación/ Parámetros de operación
Introducción.
El
ácido cítrico (ácido 2-hidroxi-1, 2, 3-propanotricarboxílico), es un ácido
orgánico que se encuentra de forma natural en las frutas, como el limón y la
naranja. Pero puede sintetizarse en laboratorio a partir de microorganismos=
. Se
aisló por primera vez a partir del zumo de limón mezclado con cal y disolvi=
endo
el precipitado con ácido sulfúrico (Sánchez , Ortiz, & Betancourt, 2004=
).
Según
Kumar & Jain (2008), en su investigación: “Solid s=
tate
fermentation studies of citric acid
production”, alrededor del 99% de la producción
mundial de ácido cítrico se da por procesos microbianos. Se comercializa co=
mo
un ácido anhidro o monohidratado, se espera una producción anual de 1.5
millones de toneladas de las cuales el 70% se utiliza en la industria de
alimentos y bebidas como acidificante o antioxidante para preservar o mejor=
ar
los sabores y aromas de jugos de frutas, helados y mermeladas. 20% se usa, =
en
la industria farmacéutica como antioxidante para conservar las vitaminas,
efervescentes, correctores de pH. El 10% restante se utiliza en la industria
química como un agente de formación de espuma para el ablandamiento y el
tratamiento de los textiles. En la metalurgia, se usa para el abrillantado y
eliminación del óxido en metales como el cobre y aleaciones como el latón. =
El
ácido cítrico también se utiliza en la industria de los detergentes como un
sustituto de fosfato, debido al menor efecto eutrófico. En Ecuador no se pr=
oduce
ácido cítrico a nivel industrial, este se exporta desde Alemania, Estados
Unidos, China, Uruguay y otros países lo cual eleva el costo de importación=
, es
por esto el desarrollo de un proyecto técnico-investigativo mediante el uso=
de
un software que permita evaluar y diseñar un proceso de producción industri=
al
de ácido cítrico a partir del hongo Aspergillus
Niger. El elaborar una planta a escala pilo=
to,
implica costos e incluso el difícil acceso a materiales de tamaño reducido,=
si
el proceso es complejo dificulta la determinación de los parámetros bajo los
cuales se debe operar para obtener una eficiencia alta, así las evaluacione=
s de
un proceso con el uso de simulaciones nos evitan estos gastos económicos y =
de
tiempo con la finalidad de optimizar el proceso.
Metodología
a) Ingeniera
Conceptual del Proceso
La
investigación se desarrolló en forma ordenada y sistemática, iniciando con =
la
revisión de fuentes bibliográficas específicas al tema, como libros, artícu=
los
científicos, páginas web, para definir conceptos, teorías, condiciones y
variables de proceso. La simulación del proceso de producción de ácido cítr=
ico
con el uso de Aspergillus Niger, se desarrolla con el software SuperPro Designer; que es=
un
programa computacional para realizar la simulación de procesos en estado
estacionario. La simulación permite predecir la operación de un proceso cua=
ndo
se han alcanzado condiciones de estacionalidad, esto facilita el estudio de=
la
sensibilidad del sistema frente a cambios en los distintos parámetros y
variables de operación (Designer, 2019).
Para
iniciar la simulación de un proceso en el software, se siguen los pasos que=
se
indican a continuación en la Figur=
a 1:
Figura
1: Modalidad de trabajo para un proceso =
en
el simulador
Realizado por:
Autores, 2019
b)
Proceso de diseño y simulación
El
proceso de diseño y simulación de un proceso de producción sigue los pasos =
que
se indican a continuación. En primer lugar, se inicia con la generació=
n de
ideas sobre el proceso a diseñarse, en este caso la producción de ácido cít=
rico
por medio de fermentación, donde realiza la ingeniería conceptual del proce=
so,
se indican las etapas, además de procesos y operaciones necesarias para cum=
plir
con el objetivo propuesto. Una vez que se ha definido la ingeniería concept=
ual,
se procede a realizar la planificación estratégica del proceso de diseño y
posterior simulación. En segundo lugar, se desarrolla el proceso de acuerdo=
a
la ingeniería conceptual y se evalúa las alternativas, para seleccionar la =
más
viable. Posterior a esto, se diseñan las facilidades y se realizan los ajus=
tes al
proceso, esto en primer lugar se lo puede realizar por medio de simulación,
esto nos dará como resultado la ingeniería de detalle. Finalmente, se proce=
de a
optimizar el proceso, analizar los tiempos de los ciclos y se puede program=
ar
la producción a llevarse a cabo en la planta diseñada.
Diagrama General del Proceso de Producción de Ácido
Cítrico
En
la Figura 2, se indica el diag=
rama
de flujo del proceso. El diseño del proceso se realiza para obtener 6 914
toneladas métricas de ácido cítrico por año en forma cristalina, que es
utilizado por la industria para preservar los alimentos y bebidas, así
como mejorar su sabor
Figura
2: Diagrama del proceso de producción de
ácido cítrico
Fuente: SuperPro Designer®<= o:p>
La
fuente de carbono que se utiliza para la fermentación es la melaza, la cual=
se
diluye con agua hasta un 50% de azucares fermentables (V-101). El material
particulado suspendido se remueve por medio de filtración (PFF-101). Los io=
nes
metálicos, particularmente el ión de hierro, son
subsecuentemente removidos por una columna cromatográfica de intercambio ió=
nico
(C-101) y la solución de materia prima purificada se esteriliza con calor e=
n un
pasteurizador (ST-101). Los nutrientes tal como zinc, fuentes de amonio,
potasio, fósforo, magnesio y cobre, son disueltos en agua (V-104) y
esterilizado al calor (ST-101).
Después
de la esterilización, los nutrientes y la fuente de carbono se transfieren =
a un
fermentador (FR-101). La fermentación ocurre de acuerdo a la siguiente
estequiometría de masa:
Reacción
1
El
tiempo de fermentación es de 5 días a una temperatura constante de 35 °C, c=
on
un pH de 5.8 hasta tener un rendimiento de reacción de 99%. El aire necesar=
io
para mantener las condiciones aerobias de la fermentación se realiza por me=
dio
de un compresor (G-101). El agua de enfriamiento remueve el calor producido=
por
el proceso exotérmico y mantiene la temperatura constante.
Para
satisfacer la demanda de producción, la fermentación es llevada a cabo por 7
fermentadores que operan en modo alternado. Además, la planta opera todo el=
día
y un lote de fermentación se inicia y otro se finaliza diariamente. Cada
fermentador tiene un volumen de 150 m3. Una vez completada la
fermentación, el caldo se descarga dentro de un tanque de retención (V-105)=
, el
cual actúa como un tanque de regulación buffer entre el lote que ingresa y =
la
sección de salida.
Para
el aislamiento de ácido cítrico, es decir, obtener este compuesto de forma
pura, su purificación inicia con la remoción de la biomasa por un filtro al
vacío rotatorio (RVF-101). Este líquido clarificado de la fermentación
subsecuentemente fluye dentro de un reactor agitado (V-106) donde es añadido
aproximadamente 1 parte de cal hidratada, Ca (OH)2, por 2 partes=
de
licor esto lentamente añadida para formar el precipitado de citrato de calc=
io.
El citrato de calcio es entonces separado por medio de un segundo filtro
rotatorio al vacío (RVF-102) y el filtrado libre de citrato (Desecho Acuoso=
-1)
es enviado a un tanque de colección de desechos.
La
torta de citrato de calcio se envía a otro reactor agitado (V-107), donde se
añade ácido sulfúrico para formar un precipitado de sulfato de calcio
(yeso). Un tercer filtro (RVF-103) remueve el precipitado de yeso y una
solución de ácido cítrico impuro. Es importante cuidar el control del pH y =
la
temperatura en la precipitación para maximizar el rendimiento de ácido cítr=
ico.
La solución resultante es concentrada y cristalizada en un cristalizador
continuo (CR-101).
c) Descripción del proceso de
producción de ácido cítrico
Como
se observa en la Figura 3, el
proceso industrial de producción del ácido cítrico se divide en dos seccion=
es:
fermentación y aislamiento. En la primera se encuentran todos los procesos
necesarios para llevar a cabo la obtención del ácido cítrico a partir de la
fermentación de la melaza utilizando Aspergillus
Niger. La segunda sección del proceso,
corresponde a todas las operaciones necesarias, para obtener el ácido cítri=
co
puro en forma cristalina.
Figura
3: Secciones del proceso de
producción de ácido cítrico
Realizado por:=
Autores, 2019
Sección de Fermentación
Para la obtenc=
ión
del ácido cítrico mediante fermentación con Aspergillus
Niger se utiliza como materia prima la mela=
za,
que es la fuente de carbono.
La
melaza es diluida, para proceder a remover los sólidos suspendidos, además =
de
eliminar los iones metálicos, especialmente el hierro, y finalmente
esterilizarla mediante pasteurización con el fin de eliminar todos los
microorganismos que pueda producir otro tipo de compuesto no deseado en la
fermentación. Se añade a la melaza sustancias que mejoraran el proceso de
fermentación y vuelve a ser esterilizada antes de realizarse la fermentación
respectiva.
Una
vez preparada la mezcla de melaza y aditivos se procede a realizar la
fermentación en condiciones aeróbicas mediante inóculo de Aspergillus Niger hasta obtener el
producto final y almacenarlo, para que posteriormente este producto sea
dirigido hacia la sección de aislamiento.
Sección de Aislamiento
En
el producto final de la fermentación se procede a eliminar la biomasa, dando
como resultado un producto totalmente líquido y sin sólidos. En este produc=
to
se elimina los sub productos y aditivos residuales del proceso de fermentac=
ión
mediante precipitación, obteniéndose finalmente una corriente líquida de ác=
ido
cítrico que por procesos de cristalización y secado se consigue el producto
final: ácido cítrico en forma cristalina.
d) Requerimiento de materias primas
Como materias
primas se requiere: agua, melaza, sulfato de amonio, nutrientes, nitrógeno,
hidróxido de sodio, hidróxido de calcio, nitrógeno, oxígeno, cal y ácido
sulfúrico. Mientras que como productos se tiene: biomasa, cristales de ácido
cítrico, citrato de calcio, dióxido de carbono, yeso, impurezas,
e) Datos Generales del Proceso para el c=
álculo
Los
cálculos de diseño requieren de los datos generales del proceso de producci=
ón
de ácido cítrico, estos datos son referentes a como se opera la planta de
producción y el tiempo de operación de la misma como se muestra en la tabla 1.
Tabla 1:
|
Tiempo de Operación Anua=
l |
47.90 |
semana |
|
Tasa de Referencia de Un=
idad
de Producción |
6 914 691.48 |
kg MP |
|
Tamaño del lote |
21 081.38 |
kg MP |
|
Tiempo de preparación de
ingredientes del lote |
199.18 |
h |
|
Tiempo del ciclo de prep=
aración
de ingredientes |
24.00 |
h |
|
Número de lotes por año<=
/span> |
328.00 |
|
*MP:
Flujo total de la corriente “Producto final”
Realizado por:=
Autores, 2019
MP
corresponde al Flujo Total de la Corriente 'Producto Final', el tiempo de
operación anual, se encuentra dado en número de semanas y su cálculo se efe=
ctúa
de acuerdo al tiempo de operación de la planta, cabe mencionar que, la plan=
ta
opera continuamente y las operaciones son una mezcla de procesos por lote,
semicontinuos o continuos.
f) Requisitos de
partida de materia prima por sección
En
los requisitos de materia prima se presenta la sección de producción con la
respectiva materia prima de partida como es la glucosa en el caso de la
fermentación y como producto activo al ácido cítrico en fase acuosa. Mientr=
as
que, la sección de aislamiento tiene como materia prima de partida el ácido
cítrico producido en la sección de fermentación y como producto activo el á=
cido
cítrico en forma de cristales.
Tabla
2: Requisitos de partida de ma=
teria
prima por sección
|
Sección |
Material de Partida |
Producto Activo |
Rendimiento Másico |
Masa |
|
(%) |
Bruta |
|||
|
|
Rendimiento |
|||
|
|
(%) |
|||
|
Sección de Fermentación<=
/span> |
Glucosa |
Ácido Cítrico |
84.53 |
84.53 |
|
Sección de Aislamiento |
Ácido Cítrico |
Cristales de Ácido Cítri=
co |
92.25 |
92.25 |
Realizado por:=
Autores, 2019
La
cantidad necesaria (kg/kg), representa el mínimo requerido para que los
procesos de producción se ejecuten de forma eficiente. El rendimiento molar,
rendimiento másico y rendimiento de masa bruta, corresponde al porcentaje de
transformación de materia prima a producto activo mediante los procesos de
producción, como se indican los valores en la tabla 2.
g) Total de materias primas<=
span
lang=3DES-EC style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times =
New Roman",serif'>
En un proceso =
de
producción es importante conocer las cantidades que se utilizan de materia
prima que interviene en el proceso de producción, para poder planificar el
stock de las mismas.
Tabla
3: Total de materias pri=
mas
|
Material |
kg/año |
kg/lote |
|
Agua |
56 701 804 |
172 871.354 |
|
Melaza |
17 646 400 |
53 800.000 |
|
Sulfato de Amonio=
|
277 580 |
846.281 |
|
Nutrientes |
1 894 077 |
5 774.626 |
|
Nitrógeno |
49 204 |
150.013 |
|
NaOH (1 M) |
2 617 888 |
7 981.366 |
|
Aire |
123 178 744 |
375 544.952 |
|
Cal (33%) |
13 659 737 |
41 645.539 |
|
H2SO4
(10% w/w) |
57 628 992 |
175 698.145 |
|
TOTAL |
273 654 427 |
834 312.276 |
Realizado por:=
Autores, 2019
En
la tabla 3, se presenta los
kilogramos necesarios de cada materia prima por año, lote y cantidad de
producto final.
h) Balance general de masa del p=
roceso
de producción de ácido cítrico
En
el balance general de compuestos se presentan las sustancias químicas,
impurezas y nutrientes intervienen en todo el proceso de producción.
La
melaza en este balance se encuentra representada como glucosa e impurezas,
también se presencia un componente NFS, el cual es Nitrógeno, Fósforo y Azu=
fre
que se utiliza para efectuar la fermentación.
i) Condiciones y variables óptimas de operación
• =
Identificación de los equipos utiliza=
dos en
el diseño
A
continuación en la tabla 4=
, se
presentan los equipos utilizados en el proceso de producción de ácido cítri=
co,
con sus características generales y el modo de operación, como: por lotes o=
batch, continuos y semicontinuos.
Tabla
4: Equipos utilizados en el di=
seño
|
Diagrama |
Descripción |
|
|
Tanque de mezcla<=
/b> |
|
Este proceso forma
parte de un sistema y permite realizar mezclas o almacenamien=
to
de líquidos que requieren ser agitados. |
|
|
|
Filtro de Placa y Marco<=
/span> |
|
Este proceso se utiliza =
en
la industria química, alimentos e industrias ambientales, presenta la
filtración y formación de la torta por la remoción de los sólidos
suspendidos desde una lechada. |
|
|
|
Cromatografía de adsorci=
ón
de lecho empacado |
|
Este proceso se refiere a
cualquier tipo de cromatografía de adsorción, tal como intercambio
iónico, afinidad, HIC, fases reversas, etc., donde se encuentra una
columna de lecho empacado. |
|
|
|
Pasteurización |
|
Este proceso representa =
un
pasteurizador y calcula la inactivación de microorganismos y cinética de =
degradación
de componentes alimenticios. |
|
|
|
Fermentador por lote |
|
Operación que representa=
la
secuencia de operación en un fermentador, las operaciones típicas pero no
necesariamente incluyen reacciones de fermentación como estequiometria o =
cinética. |
|
|
|
Almacenamiento de Lote en
Tanque de Fondo plano |
|
Este equipo permite
almacenar productos líquidos, por lo que un sin número de procesos =
lo
utilizan. |
|
|
|
Filtro Rotario al Vacío<=
/span> |
|
Este diagrama representa=
la
filtración con |
|
|
generación de torta de f=
orma
continua obteniendo altos rendimientos. |
|
|
|
Neutralización |
|
Este equipo representa la
neutralización de un compuesto ácido o básico: Pudiendo especificarse
cualquier número de reacciones por estequiometría. |
|
|
|
Cristalizador Continuo |
|
Equipo utilizado para la
evaporación de una capa fina de producto, provocando la cristalizac=
ión
de los compuestos de interés. |
|
|
Secador Rotatorio=
|
|
|
Equipo que maneja una gr=
an
eficiencia y se utiliza en la industria química y de alimentos. El proces=
o de
secado puede darse directamente con uso de una corriente de gas
caliente o indirectamente mediante la utilización de vapor en una chaquet=
a. |
Fuente:
• =
Diseño y simulación del proceso de
producción de ácido cítrico
Para
el diseño y simulación se selecciona el tipo de proceso, en este caso los
fermentadores tienen una operación por lotes, mientras que, el cristalizador
opera de forma contínua. Luego se debe ingresar=
todas
las sustancias que intervienen en el proceso: materia prima y productos, ad=
emás
de registrar las mezclas.
Posterior
a esto, se realiza el diagrama del proceso junto a la secuencia de operacio=
nes
para cada equipo. Seguido se procede a revisar los parámetros de los equipo=
s,
el costo de los mismos, las características mecánicas, los aditivos, el
rendimiento y si existieran comentarios.
Resultados
Para
la modelación se toman como referencia datos de estudios previos para abast=
ecer
la necesidad de ácido cítrico para el Ecuador, se plantean cantidades grand=
es
de materia prima, por tanto, se obtiene una gran producción de ácido cítric=
o;
como se muestra en la tabla 5.
Tabla
5: Datos modelo=
de
simulación
|
Melaza |
Agua |
Cristales de ácido cítri=
co |
|
kg/lote |
kg/lote |
kg/lote |
|
53 800 |
42 000 |
21 081.38 |
Realizado por:=
Autores, 2019
En la tabla 5, se muestran los principales valores que se obtienen en la
simulación del modelo para la producción de ácido cítrico. Se muestran
cantidades de materia prima, producción total de ácido cítrico, total de
residuos y el resumen de costos para el análisis económico.
Tabla
6: Datos técnicos y económicos=
de
los cuatro modelos simulados
|
|
Datos |
|
Melaza (kg/año) |
17 646 400 |
|
Agua (kg/año)=
|
56 701 804 |
|
Total de materias primas
(kg/año) |
273 654 427 |
|
Tasa de producción Ac.
Cítrico (kg/año) |
6 914 691.48 |
|
Tasa de producción de Ac.
Cítrico (ton/año) |
6 914 |
|
Costos FOB de equipos ($=
) |
7 018 000 |
|
Inversión total de capit=
al
($) |
31 460 000 |
|
Margen bruto (%)<=
/b> |
16.09 |
|
Retorno sobre la inversi=
ón
(%) |
11.28 |
|
Tiempo de retribución (a=
ños) |
8.86 |
|
TIR (%) |
8.05 |
|
VAN
(8%) |
165 000 |
Realizado por:
Autores, 2019
En
base a la Tabla 6, se define q=
ue el
modelo de simulación es óptimo para la producción de ácido cítrico por vía =
de
fermentación con el uso de Aspergil=
lus niger, este modelo es viable desde el punto de vi=
sta
técnico y económico, se tiene una producción acorde a las necesidades=
del
mercado, la inversión es menor y la ganancia es en un tiempo aproximado de 8
años.
· =
Estimación de costos de las
operaciones del proyecto
Base de costos.
Los
resultados de los costos presentados en esta sección se encuentran en base a
costos del año 2012, en función al año de los costos encontrados en
bibliografía y proveedores de equipos. Además, los costos se encuentran
expresados en dólares y en precios FOB (Free On<=
/span>
Board).
Resumen de costos
En
este apartado se presenta el resumen de costos de toda la planta de producc=
ión
de ácido cítrico, para lo cual cada ítem tiene un valor y se encuentra
expresado en sus unidades respectivamente.
Tabla 7: Resumen de costos
|
Inversión Total de Capit=
al |
31 460 000 |
$ |
|
Costo de Operación |
31 460 000 |
$/año |
|
Costo neto de Operación<=
/span> |
11 605 000 |
$/año |
|
Ingresos |
13 829 000 |
$/año |
|
Tasa de Costo Base Anual=
|
6 914 691 |
kg MP/año |
|
Costo unitario de Produc=
ción |
1.68 |
$/kg MP |
|
Costo neto de Producción
Unitaria |
1.68 |
$/kg MP |
|
Ingresos de Producción
Unitaria |
2.00 |
$/kg MP |
|
Margen Bruto |
16.09 |
% |
|
Retorno sobre la inversi=
ón |
11.28 |
% |
|
Tiempo de retribución |
8.86 |
Años |
|
TIR (Después de Impuesto=
s) |
8.05 |
% |
|
VAN (con 8.0% Intereses)=
|
165 000 |
$ |
Realizado por:=
Autores, 2019
En
la Tabla 7, el flujo total de =
la
corriente de producto final está representado por MP, mientras que el TIR
corresponde a la Tasa Interna de Retorno que se refiere a la rentabilidad q=
ue
genera un proyecto determinado cuando sus flujos de caja son periódicos. El=
VAN
es el valor actual neto, que es el cálculo a valor presente, el dinero que =
una
inversión generará en el futuro.
Discusión de resultados
Se
realizó un modelo de simulación para la producción de ácido cítrico por
fermentación con el uso de Aspergil=
lus
Níger, en el que se ingresan cantidades de materia prima, tamaño de
equipos, lo que permite obtener los costos de producción y la inversión tot=
al
de la planta.
El
diseño del proceso de producción consta de dos secciones, la sección de
fermentación en donde se utiliza como materia prima la melaza como fuente de
carbono (53 800 kg/lote) para esta etapa. A continuación en un tanque de me=
zcla
se diluye la melaza (42 000 kg/lote), con el fin de remover los sólidos
suspendidos (Filtro) y eliminar los iones metálicos (columna de intercambio
iónico), es necesario pasteurizar con el fin de matar los microorganismos no
deseados y evitar la formación de otros compuestos. Al fermentador ingresa
también una mezcla de sulfato de amonio y nutrientes (nitrógeno, fósforo y
azufre), con el fin de mejorar el producto para la siguiente sección. Con e=
sta
mezcla que se prepara y los aditivos se realiza la fermentación en condicio=
nes
aeróbicas mediante inóculo de Asper=
gillus
Niger, bajo un pH de 5.8 y una temperatura =
de
35◦C durante cinco días, hasta obtener el producto final,
almacenarlo y dirigirlo hacia la siguiente sección: la de asilamiento.
En
la sección de aislamiento se elimina la biomasa, subproductos y aditivos
residuales (Filtro al vacío rotatorio), obteniendo un producto líquido libr=
e de
sólidos (ácido cítrico), que por cristalización y secado se obtiene el ácido
cítrico en forma cristalina (21 081.38 kg/lote).
Según
Rivada (2008), en su estudio planta industrial =
de
producción de ácido cítrico a partir de melazas de remolacha la mejor cepa =
que
permite el crecimiento de Aspergill=
us Niger es la ATTC 11414, en un pH ácido de 5.8 y u=
na
temperatura de 30◦C, en la investigación los fermentadores operan a
35◦C durante cinco días con el fin de producir la cantidad ideal de á=
cido
cítrico.
El
simulador SuperPro Designe=
r
según Cara, Gómez&Martínez en su estudio
“Aplicación de SuperPro De=
signer
en el análisis de sensibilidad en instalaciones para la producción de
biocombustibles y bioproductos”, menciona que é=
sta
plataforma presenta una herramienta de análisis de costes y emisiones lo qu=
e la
hace muy versátil para su utilización en diferentes asignaturas relacionadas
con los procesos fermentativos, ambientales, energías renovables y de
producción química; este estudio evidencia la gran utilidad que proporciona=
el
simulador al permitir diseñar el proceso de producción de ácido cítrico por
fermentación con el uso del hongo A=
spergillus
Niger.
La
inversión total de la planta para el modelo es de $ 31 460 000, el Van (Val=
or
neto actual) que es de $ 165 000, el TIR (Tasa interna de retorno) de 8.05%=
en
un tiempo de retribución del capital de 8 años. Según Mete (2014), en su
estudio “Valor actual neto y tasa de retorno: su utilidad como herramientas
para el análisis y evaluación de proyectos de inversión”, manifiesta que el=
VAN
y el TIR son imprescindibles para garantizar un correcto análisis financiero
con el fin de asegurar la estabilidad y proyección futura de las
organizaciones, en este caso los valores del VAN y TIR al ser positivos,
indican que la inversión en el proyecto es rentable, debido a que se recupe=
ra
el capital y existe ganancia en un tiempo estimado.
Al
no existir estudios previos similares a esta investigación basada en una
simulación, no se establecen comparaciones.
El
impacto ambiental que produce el proceso no representa un daño considerable
para el medio ambiente, se tiene 141 959 226 kg/año de residuos líquidos,
orgánicos, acuosos y emisiones; los residuos provenientes de aguas de lavado
son los que se encuentran en mayor cantidad (103 190 859 kg/año), por esta =
razón
se debe tratar los residuos previo a su descarga o buscar una alternativa p=
ara
usarlos y de esta manera disminuir la contaminación leve que provocan, el c=
osto
total para el tratamiento de residuos es de $ 629 648, que se incluyen en la
inversión total.
Conclusiones.
· =
El
diseño del proceso de producción de ácido cítrico por fermentación con el u=
so
de Aspergillus Níger consta de =
dos
secciones: fermentación y aislamiento. La sección de fermentación cuenta con
trece operaciones entre filtración, mezcla, intercambio iónico y fermentaci=
ón
en sí; La sección de asilamiento tiene diez operaciones entre filtración al
vacío, mezcla, cristalización y secado. La cepa de Aspergillus Níger que más se utiliza para la producción de ácido
cítrico a nivel industrial es la ATTC 11414.
· =
La
simulación del proceso de producción de ácido cítrico indica que es viable,
acorde al análisis económico; se asemeja más a un proyecto real que a nivel
técnico y económico se podría llevar a cabo.
· =
Para
que el proceso de producción de ácido cítrico se realice de manera adecuada=
se
debe controlar las condiciones y variables de operación; para la sección de=
fermentación,
las variables a tener en cuenta son: temperatura constante para la mayoría =
de
operaciones de 25◦C y a 1 atmósfera de presión. La fermentación del h=
ongo
(Aspergillus N=
iger),
se da a un pH de 5.8; a una temperatura óptima de 35◦C, durante cinco
días; se recomienda usar 7 fermentadores para evitar cuellos de botella y
lograr que el proceso sea continuo. Para la sección de aislamiento, la
temperatura opera entre un rango más elevado respecto al anterior
(25-110◦C), y la presión es de 1 atmósfera.
· =
La
inversión total de capital para el modelo óptimo es de $ 31 460 000; los
índices de rentabilidad que se determinan son: la tasa interna de retorno (=
TIR)
que refleja un valor de 8.05%, el Valor Actual Neto es de $165 000; en un
tiempo de retribución de 8 años, estos valores indican que el proyecto es
rentable y es factible invertir.
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El artículo que se
publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente
reflejan el pensamiento de la Revi=
sta
Ciencia Digital.
El
artículo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, maria.guadalupe@espoch.edu.= ec
[2= ] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, <= span lang=3DES-EC style=3D'font-size:10.0pt;line-height:115%;font-family:"Times = New Roman",serif'>mparada@espoch.edu.ec
[3] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, linda.flores@espoc= h.edu.ec
[4] Universidad Estatal Amazónica , Chimborazo, Ecuador, pmanobanda@uea.edu.ec
www.cie=
nciadigital.org
=
Vol.
4, N°1, p. 54-72, enero - marzo, 20