.Produccion de Acido Citrico
Short Description
resumen de la produccion de acido citrico en colombia...
Description
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO Elkin A. Bareño Lancheros
2083492
Ingrid Pérez Malambo
2083051
Fredy Martin Ochoa Mayorga
2083780
Luis Alejandro Barrera
2073421 Grupo Nro.: 6
Profesor: Luis Javier López Giraldo 26 De Enero De 2014
Tabla de contenido Introducción: ...................................................................................................................................... 1 MERCADO DEL ÁCIDO CÍTRICO ........................................................................................ 2
1.
1.1.
Sector Alimenticio ............................................................................................................. 2
1.2.
Sector De Cosméticos ..................................................................................................... 2
1.3.
Sector Farmacéutico ........................................................................................................ 2
1.4.
Sector Agroindustrial ........................................................................................................ 2
1.5.
Sector Industrial ................................................................................................................ 2
1.6.
Información De Producción ............................................................................................. 2
ESTADO DEL ARTE ................................................................................................................ 3
2.
2.1.
Propiedades Físicas ......................................................................................................... 3
PROCESOS Y MICROORGANISMOS................................................................................. 3
3.
3.1.
Obtención A Partir De Limones ...................................................................................... 3
3.2.
Procedimiento general para obtención de ácido cítrico ............................................. 4
3.3.
Obtención Por Medio Del genero Citromyces .............................................................. 6
3.4.
Obtención por medio de la especie A. Níger ............................................................... 6
MATERIAS PRIMAS Y SUBPRODUCTOS ......................................................................... 7
4.
Materias primas .................................................................................................................... 7
4.1. 4.2
Subproductos .................................................................................................................... 8
4.3. Diagrama de Flujo del proceso........................................................................................... 9 5.
MODO DE OPERACIÓN DEL BIO-REACTOR. .................................................................. 9
6.
DESCRIPCIÓN DEL BIO-REACTOR. ................................................................................ 10 6.1.
Sistema de agitación ...................................................................................................... 10 i
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
6.2.
Sistema de aireación...................................................................................................... 11
6.3.
Sistema de control de temperatura.............................................................................. 11
CONDICIONES DE CULTIVO.............................................................................................. 11
7.
7.1.
Cultivo de microorganismo............................................................................................ 11
7.2.
Pre-fermentador 1 .......................................................................................................... 11
7.3.
Fermentador .................................................................................................................... 12
7.4.
Nutrientes......................................................................................................................... 12
7.5.
Inhibición .......................................................................................................................... 12
8.
ANÁLISIS TERMODINÁMICO ............................................................................................. 13
9.
DIMENSIONAMIENTO DEL REACTOR............................................................................. 13
10.
SISTEMA DE CONTROL Y MEDIDA .............................................................................. 16
10.1.
Temperatura ................................................................................................................ 16
10.2.
Presión ......................................................................................................................... 16
10.3.
Medidores de flujo ...................................................................................................... 16
10.4.
Medidores de nivel ..................................................................................................... 16
10.5.
Indicadores de pH ...................................................................................................... 16
10.6.
Concentración de Oxigeno........................................................................................ 16
10.7.
Medida de otros parámetros ..................................................................................... 16
10.8.
Válvulas de control ..................................................................................................... 17
10.9.
Controladores .............................................................................................................. 17
11.
ESQUEMA DE SEPARACIÓN ......................................................................................... 17
11.1.
Filtración....................................................................................................................... 17
11.2.
Formación de Citrato.................................................................................................. 18
11.3.
Descomposición del Citrato ...................................................................................... 18
11.4.
Filtración y Celdas de Intercambio Iónico. .............................................................. 19
11.5.
Evaporación ................................................................................................................. 20
11.6.
Cristalización ............................................................................................................... 22
11.7.
Centrifugación ............................................................................................................. 22
11.8.
Secado ......................................................................................................................... 22
11.9.
Clasificación y Empaque ........................................................................................... 23
12.
Relación de las etapas con fenómenos de transporte. ................................................ 24
12.1
Filtración........................................................................................................................... 24
12.2.
Adsorción e Intercambio iónico: .............................................................................. 25 ii
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
12.3
Evaporación: ................................................................................................................... 26
12.4
Cristalización: .................................................................................................................. 27
12.5
Secado ............................................................................................................................. 28
13.
MANEJO DE RESIDUOS. ......................................................................................................... 28
13.1
Residuos sólidos. ............................................................................................................... 28
13.2.
Emisiones gaseosas ....................................................................................................... 29
13.3.
Vertidos líquidos............................................................................................................ 29
Bibliografía ........................................................................................................................................ 31 ANEXOS ...............................................................................................................................................iv
iii
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Introducción: El ácido cítrico es un compuesto orgánico muy utilizado en la industria alimentaria, como conservante de comidas y bebidas. Es muy apreciado por sus propiedades en el control del pH y como antioxidante en medios orgánicos. Naturalmente se encuentra en algunas frutas, preferiblemente en las cítricas como la naranja y el limón. Además de ser procesado por todos los seres vivos como parte de su ciclo metabólico ya que dé el extraen energía, en proporciones similares a las de los azucares. (1) Su uso radica en, que además de sus propiedades como estabilizante, es totalmente inofensivo para el cuerpo humano y da las características representativas de las bebidas ácidas. En la industria farmacéutica se le emplea en la elaboración de tabletas con contenido de vitamina C y preparación de jarabes. (2) Inicialmente desde 1880 el ácido cítrico se obtenía del procesamiento del jugo de frutas como el limón, mediante el uso de sales de calcio, pero a costa de un rendimiento muy bajo. Luego en 1893 fue producido sintéticamente por Wehmer a partir de la fermentación de la glicerina. (3) Desde 1920 en adelante el principal productor del ácido fue la empresa Pfizer, quien a partir del uso del microorganismo Aspergillus Níger, logro la producción a partir de azucares de remolacha, luego de esto se utilizaron otros sustratos de sacarosa, como la melaza de caña. En la producción industrial en Colombia, se pueden evidenciar dos factores importantes, uno es que se pueden aprovechar las sobreofertas de melaza de caña en algunas regiones del país, ya que se presentan temporadas de este fenómeno. Otro es que la producción nacional esta principalmente a cargo de una sola empresa denominada Sucroal S.A. Por lo que se puede encontrar un espacio para la producción muy importante.
1
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Por otro lado también se aprovechan sus
1. MERCADO DEL ÁCIDO
propiedades antimicrobial, antioxidante y
CÍTRICO
anticoagulante. (1) El ácido cítrico tiene una gran variedad 1.4.
de aplicaciones; los sectores que utilizan como materia prima este ácido son: 1.1.
Sector Agroindustrial
El aporte más significativo del ácido resulta en el mejoramiento y tratamiento
Sector Alimenticio
de suelos optimizando la asimilación de En este sector se destacan las industrias
los micronutrientes. (1)
de bebidas, frutas, vegetales ya que el ácido
cítrico
refrescantes,
brinda
1.5.
propiedades y
Así como crece la necesidad de tener
mejorar
productos amigables o biodegradables
organolépticas
en el medio ambiente también lo hace el
también ayuda a remover metales que
uso del ácido cítrico en la fabricación de
dañan o deterioran el color y sabor de
detergentes los cuales son altamente
ciertos alimentos. (1)
biodegradables
acidez
persevantes,
natural;
dichas
además
propiedades
1.2.
sabor
Sector Industrial
de
y
fácil
tratamiento
residual. Del mismo modo la industria
Sector De Cosméticos
textil cueros y marroquinería. (1) El ácido cítrico y sus sales se usan para mejorar y formular compuestos que
Lo
tengan una larga vida incluyendo el
aplicaciones que más sobre salen
hecho
este producto
de
eficiencia
mejorar del
la
apariencia
producto
final.
y
Estos
anterior
1.6.
productos pueden ser perfumes, jabones
son
algunas
de
las de
Información De
Producción
de baño, desodorantes y cosméticos en Si
general. (1)
se
analiza
lo
mencionado
anteriormente se podrá observar la gran 1.3.
Sector Farmacéutico
cantidad de uso que tiene el ácido cítrico
Una de las aplicaciones tal la más
por tal motivo se puede concluir que este
conocida es en la fabricación del alka
producto tiene una gran demanda tanto a
seltzer, este producto es solo una mezcla
nivel nacional como mundial.
del
ácido
cítrico
y sus
sales
con
bicarbonato de sodio. 2
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Cerca del 92% de la producción de ácido cítrico mundial es elaborado por la Unión
2.1.
Propiedades Físicas
Tabla 1 Composición del ácido cítrico
Europea, Estados Unidos, China, Brasil y Colombia.
La
Planta
instalada
en
C6H8O7 Formula
Colombia, se encuentra en la Ciudad de Palmira y tiene una capacidad instalada
99,5% min
de 40000 ton/año. (2)
Ensayo de pureza
En Colombia la única empresa que produce ácido cítrico es Sucromiles S. A. Ahora Sucroal S. A. perteneciente al grupo
empresarial
92,13 g/mol Peso molecular
Ardila
0,5% máx. Humedad Menos Metales pesados
Menos de 3 ppm Arsénico
la certificación ISO 9001 versión 2000. El cual es un certificado de aseguramiento
Menos Ceniza
153ºC Punto de ebullición 8,2x10-4
y el 15% restante se destina a abastecer empresas como Postobón, Coca-Cola, Quala, Aliresa y muchas otras. (1)
de
0,05%
de la calidad y que le permite exportar. La firma exporta el 85% de la producción
10
ppm
Lülle.
Actualmente Sucromiles S.A. cuenta con
de
Constante
de
ionización 6,4 cal Calor de disolución
2. ESTADO DEL ARTE
474,6 cal El ácido cítrico es un sólido granular
Calor de combustión
blanco o traslucido, es inodoro y de
Los cristales de ácido cítrico pueden ser
sabor ácido fuerte. Cristaliza en forma de
clasificados
prismas rómbicos con una molécula de
cristal, granular y granular fino. (1)
en
tres
presentaciones:
agua.
3. PROCESOS Y El ácido cítrico se obtenía originalmente por extracción del ácido del zumo de limón, hoy en día se realiza por procesos de
fermentación
utilizando
dextrosa
MICROORGANISMOS 3.1.
Obtención A Partir De
Limones
como sustrato para el A. Níger como
Es el proceso que inicialmente se ideó
organismo de fermentación.
para la obtención del ácido cítrico. 3
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Materias primas: se requiere de limones,
El
siguiente
paso
se
lleva
a
un
cal apagada, ácido sulfúrico al 35%,
evaporador a vacío y a una caja
carbón de madera, sulfuro de bario. (1)
clarificadora durante 24 horas, llevándolo a 38 o 40ºBe. (1)
El primer paso es la extracción del zumo mediante el desmenuzado y estrujado en
Luego pasa al agitado en frio durante
cilindros. El jugo se pasa por una prensa
dos días, a partir de aquí se forman
para eliminar los residuos como semillas,
cristales granulados que se separan por
casa caras y mucílago. (1)
centrifugación. (1)
El jugo contiene azúcar, sustancias
Posteriormente se disuelven con carbón
gomosas y albuminoides, así que se deja
de
en reposo tres días para que fermente
pesados
luego este se clarifica. (1)
precipitados. (1)
Una vez hecho esto el jugo se destila
La solución es llevada a un cristalizador
para separar el alcohol producido por la
de vacío y por centrifugación se retira
fermentación.
todo el líquido, luego se desecan a
madera
para
disueltos
eliminar
metales
los cuales
serán
temperatura ambiente y finalmente será El jugo libre de alcohol se lleva a
almacenado en un lugar fresco. (1)
evaporadores donde se concentra hasta 3.2.
un 50% del ácido. (1)
Procedimiento general
para obtención de ácido cítrico El zumo concentrado es llevado a una de
Es el proceso que más se usa y presenta
ebullición y se mezcla con cal apagada,
mejor eficiencia, se realiza mediante la
obteniéndose un precipitado de citrato de
implementación
calcio.
produce ácido cítrico como metabolito
temperatura
cercana
al
punto
de
un
hongo
que
primario. Luego es purificado y mediante El citrato de calcio se descompone con
el proceso cal-sulfúrico se recupera el
ácido sulfúrico, a una temperatura de 70
producto. (3)
y 80ºC. Posteriormente el flujo es pasado por el filtro prensa para separar el sulfato
Materias primas: melaza o jarabe de
de calcio en forma de yeso, con una
caña de azúcar, ácido sulfúrico, cal viva,
concentración de 10 a 12 ºBe. (1)
resinas de intercambio iónico, amoniaco y carbón activado. (1)
4
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
El proceso se inicia con la purificación de
Este proceso se basa en tratar el licor
la melaza, diluyendo esta con agua y
con una lechada de cal, de lo cual se
pasando esta por un filtro al vacío para
forma citrato de calcio. Este citrato es
eliminar los sólidos suspendidos.
lavado y el micelio filtrado. Se añade entonces ácido sulfúrico formándose
Luego el jarabe se pasa por una celda de intercambio iónico para retirar los iones del flujo. Posteriormente es pasteurizado a
105ºC
disminuyendo
durante la
tres
temperatura
minutos
sulfato de calcio el cual es retirado mediante
filtro
rotatorio
al
vacío
y
constituye un subproducto del proceso. (4)
hasta Luego en celdas de carbón activado son
37ºC. (1)
removidas las impurezas solubles que Una vez hecho esto, es bombeado al fermentador donde se transforma la sacarosa en ácido cítrico por medio del hongo el cual es inoculado en el
producen color a solución. Seguidamente se pasa por unas celdas de resina e intercambio iónico, donde se retiran iones de sulfato y calcio. (1)
fermentador. La corriente es llevada posteriormente a Se hace el ajuste del pH y se añaden nutrientes como el amoniaco y sales de fermentación. Se bombea aire estéril
los evaporadores de doble o triple efecto, donde se busca retirar la mayor cantidad de agua. (1)
dentro del fermentador. (1) Se lleva la solución concentrada o licor Luego de este proceso el flujo es pasado por un filtro rotatorio para separar el micelio. La masa constituida por el micelio y el organismo muerto es la torta y constituye el subproducto. (1)
microorganismo
muerto,
húmedos
se
re
disuelven
y
se
recristalizan al vacío enseguida. Luego pasan a la centrifuga en donde es eliminado el licor madre de los cristales
El ácido cítrico debe ser separado del micelio,
madre a cristalización, estos cristales
el
azúcar residual, las proteínas producidas y otras impurezas solubles, lo cual se hace por el proceso cal y ácido sulfúrico.
formados. (1) Finalmente en la etapa de secado se realiza esta operación en un equipo de lecho fluidizado, donde se obtiene las condiciones especificadas. (1)
(1)
5
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Luego de una clasificación, finalmente es
El A. Níger creció bien a valores de pH
empacado en bolsas de interior de
alrededor de 2.5 a 3.5 y las altas
polietileno y exterior de polipropileno, en
concentraciones de azúcares lo cual
cantidad de 50kg. (1)
favorece la producción de ácido cítrico.
3.3.
(3)
Obtención Por Medio
Del genero Citromyces
3.4.
Obtención por medio de
la especie A. Níger El Citromyces es en género de hongos microscópicos Ascomicetos, de la familia
La especie de A. Níger es la más
Aspergiláceas.
Algunos
Citromycetes
empleada en este tipo de producción. La
cultivados
sustrato
de
glucosa,
producción de metabolitos con hongos
transforman este glúcido en ácido cítrico.
filamentosos se ve favorecida cuando se
(3)
presenta un crecimiento en forma de
en
pellets; en los pellets grandes la región Este importante genero fue uno de los primeros a los que se le encargo en un principio la tarea de fermentar azucares para conseguir el ácido cítrico. Esto sucedió en 1893 cuando se comenzó
central sufre de autolisis debido a la limitación de nutrientes como el oxígeno; por el contrario los pellets pequeños son deseables
en
el
desarrollo
de
las
fermentaciones. (3)
con la experimentación para obtener dicho producto con fines industriales; el
En la producción de ácido cítrico con A.
problema de este género de hongos es
Níger los niveles de los nutrientes y las
que no funcionaban a escala industrial
condiciones
donde
altas
agitación, temperatura, iones metálicos,
concentraciones de azucares además los
concentración de fosfato, fuente de
ensayos industriales no tuvieron éxito
nitrógeno y carbono, alcoholes y aditivos,
debido
de
son factores importantes que regulan la
contaminación y de larga duración de la
morfología del microorganismo y el
fermentación. (3)
proceso fermentativo (4)
Por tal razón este microorganismo le
Industrialmente el ácido cítrico se obtiene
dejo el camino libre al A. Níger el cual
por fermentación de distintas materias
mostraba una gran capacidad de trabajó
primas, se observó que algunos hongos
en condiciones que el Citromyces no
lo producen cuando crecen en un medio
podía competir.
azucarado especialmente el A. Níger (3)
se
a
manejaban
los
problemas
ambientales,
como
pH,
6
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Según
las
evaluaciones
agrícolas
Tabla 2 Composición química de la melaza. (8)
municipales del Ministerio de Agricultura para el año 2010 la Caña Panelera en el
COMPONENTE
CONSTITUYENTES
valle del rio Suarez registro 17196 H, con un
rendimiento
promedio
de
13,5
CONTENIDO (P/P)
Materia seca
78%
Proteínas
3%
toneladas por hectárea; una producción cercana a 8 kg de melaza por cada 100 kg de caña teniendo como materia prima
Sacarosa
una cantidad de 18571 ton/año de melaza. (5)
Azúcares reductores
La inversión inicial implica la instalación
Componentes
de una planta, estimada entre 25 y 35
mayores
(diferentes
de 10000 ton/año de ácido cítrico. (6)
p/p
3 - 5 % p/p
Sustancias disueltas
millones de dólares, para una producción
60 - 63 %
4 - 8 % p/p
azúcares)
Se considera que el precio de venta del
Agua
16%
ácido cítrico sería de USD 1.900 por tonelada,
precios de importaciones
realizadas
y reportada por Blanco y
Grasas
0,40%
Cenizas
9%
Herryman (2001). (7) Estos
argumentos
rentabilidad consiguiente
de
dan la
se
indicio
Calcio
0,74%
Magnesio
0,35%
Fósforo
0,08%
Potasio
3,67%
Glicina
0,10%
Leucina
0,01%
Usina
0,01%
Treonina
0,06%
Valina
0,02%
Colina
600 ppm
de
inversión
por
escogieron
los
Contenido de minerales
parámetros de obtención de ácido cítrico por fermentación con A. Níger utilizando sustrato de melaza de caña.
4. MATERIAS PRIMAS Y SUBPRODUCTOS
Contenido de aminoácidos
4.1.
Materias primas
melaza de caña Contenido de
7
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Son insolubles en agua, muy útiles
Vitaminas Niacina
48,86 ppm 42,90
Ácido Pantoténico
ppm
Piridoxina
gracias a su naturaleza polimérica, es decir que contienen grupos ionizados (aniones o cationes), en forma repetitiva
44 ppm
a lo largo de la cadena que las conforman. Estos grupos tienen su carga
4,40
Riboflavina
ppm
Es
(contra-iones), 0,88
Tiamina
ppm
ácido
fuerte,
que
intercambiados
pueden de
ser
manera
estequiometria por otros iones de igual signo al ponerse en contacto con una
Ácido sulfúrico un
neutralizada por iones de signo contrario
solución de electrólitos. Las resinas es
decir,
en
intercambiadoras
de
cationes
se
disolución acuosa se disocia fácilmente
denominan catiónicas y las de aniones,
en iones hidrógeno (H+) e iones sulfato
aniónicas. (1)
(SO42-).
Sus
disoluciones
diluidas
muestran todas las características de los
Amoniaco, NH3
ácidos: tienen sabor amargo, conducen
Gas de olor picante, incoloro, de fórmula
la electricidad, neutralizan los álcalis y
NH3,
corroen
disolución acuosa saturada contiene un
los
metales
activos
desprendiéndose gas hidrógeno. (1)
muy
soluble
en
agua.
Una
45% en peso de amoníaco a 0 °C21, y un 30%21 a temperatura ambiente. Disuelto
Lechada de cal
en agua, el amoníaco se convierte en
Es un mineral usado como secuestrante
hidróxido
de partículas iónicas de metales, dichas
marcado carácter básico y similar en su
partículas se producen por medio de las
comportamiento químico a los hidróxidos
materias primas o reacciones producidas
de los metales alcalinos. (1)
entre ellas y los aditivos; estas se van
de
amonio,
NH4OH,
de
4.2 Subproductos
adhiriendo a la corriente del proceso, causando daños en las propiedades del
En las etapas de producción del ácido
producto
cítrico se producen algunos residuos o
final:
color,
apariencia,
consistencia, sabor, olor, etc. (1)
subproductos ya sea de la fermentación o purificación, en lo posible es mejor
Resinas de Intercambio Iónico
separar todos los residuos, para que por 8
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
medio de sus características, pueda
en donde se use este. Controla y regula
darse
los
a cada uno de estos, un
altos
niveles
de
alcalinidad,
tratamiento adecuado, por lo tanto, cada
mejorando los efectos producidos por los
subproducto
valores de pH de los suelos. (10)
tendrá
determinado
depósito para su correcto almacenaje así En
como su respectivo transporte. (9)
cuanto
al
micelio
y
los
microorganismos muertos, se determinan Los
subproductos
debidos
a
la
como un residuo del proceso, a cada una
producción de ácido cítrico, serán los
de estas sustancias o subproductos
siguientes:
mencionados, serán almacenados en depósitos, dependiendo si son residuos
*Cenizas y otras impurezas de la melaza, resultado de la filtración de ésta antes de ser fermentada.
líquidos o sólidos. Para las sustancias liquidas se usara el mismo diseño de almacenaje que se usa para el agua y melaza, y para las sustancias solidas se
*La torta conformada por Micelio
usaran silos de almacenamiento. (11)
y microorganismo muerto, que ha de ser separado del licor postfermentativo.
*Sulfato de calcio, resultante de la
4.3. Diagrama de Flujo del proceso El diagrama del proceso se encuentra en el anexo (1).
reacción de descomposición del
5. MODO DE OPERACIÓN DEL
citrato. (10)
BIO-REACTOR.
El Sulfato de calcio, resultante de la reacción de descomposición del citrato,
El
puede utilizarse como un fertilizante
importante del proceso ya que es donde
natural, este subproducto permite que los
se va a producir el ácido cítrico a partir
suelos se renueven gradualmente y no
del crecimiento del A. Níger. Se decidió
se degraden tan fácilmente. Corrige
el
deficiencias de calcio en cultivos, mejora
discontinuos
condiciones de humedad en los suelos,
alternadamente
contribuye a asimilación de nitrógeno,
producción continua. (12)
fermentador
uso
de
es
la
varios para y
unidad
fermentadores que
se
más
trabajen
obtenga
una
facilitando con esto la reestructuración de los recursos naturales de los suelos 9
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Los fermentadores discontinuos aunque
En la figura se muestra un esquema de
tienen una menor producción, tienen
un fermentador con las partes principales
menor costo y se tiene una mayor
que lo componen, las cuales son: (12)
experiencia en su manejo, ya que las variables que afectan su funcionamiento pueden ser controladas de una manera
A: motor de agitación.
B:
reductor
de
velocidad
de
agitación.
más apropiada. (12)
C: entrada de aire.
El bio-reactor ha de tener paredes
D: salida de aire.
totalmente
evitar
E: válvula de bypass.
acumulaciones de microorganismos y
F: tapa del eje.
facilitar su limpieza. (12)
G: cristal de visión con luz.
H: línea de limpieza del cri7stal
lisas
6. DESCRIPCIÓN
para
DEL
BIO-
de visión.
REACTOR.
I: tapa de boca con cristal de visió7• 7n.
J: eje de agitación.
K: palas rompe espuma.
L:
salida
del
agua
de
refrigeración.
M: deflector.
N: serpentín refrigerante.
O: palas de agua de refrigeración.
P: palas mezcladoras.
Q: difusor.
R: cojinetes y rodamientos del agitador.
S: salida.
T: válvula de muestra.
6.1.
Sistema de agitación
Se utiliza para la homogeneización del Figura 1 Descripción del Bio-reactor
sistema, consta de tres palas giratorias 10
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
situadas en el eje central, girando
18 horas, con el siguiente medio de
aproximadamente a 70 u 80 rpm.
cultivo: (13)
50g de glucosa.
2g de KH2PO4
1g de MgSO4.7H2O
8g de pepsina.
2g de extracto de levadura.
homogénea de oxígeno. Se suministra
20g de agar.
incorporando aire estéril al sistema,
100 ml de agua destilada.
utilizando un sistema de filtrado que
7.2.
6.2.
Sistema de aireación
El proceso necesita un aporte de oxigeno importante, para esto se dispone de un sistema que proporciona una difusión
Pre-fermentador 1
retenga microorganismos y partículas. (12) Un fermentador de 20L será inoculado 6.3.
Sistema de control de
temperatura
con el contenido del matraz, con el siguiente medio de cultivo:
Se utiliza un serpentín interno que
16L de melazas diluidas, al 20% en peso.
mantenga la temperatura por debajo de
800mg de NH4Cl.
60ºC, siendo 50ºC la temperatura óptima
540 mg de KH2PO4.
para la operación. Para mejorar el
360 mg de MgSO4·7H2O.
180 mg de FeSO4·7H2O.
180 mg de ZnCl2.
180 mg de CuSO4·5H2O. (12)
rendimiento el sistema de refrigeración se utilizan dos serpentines suavizando el perfil de temperatura del bio-reactor, absorbiendo la energía producida por la reacción. (12)
7. CONDICIONES DE CULTIVO
7.1. Cultivo de microorganismo
Utilizando A. Níger ATTC 11414 se hace el inóculo del pre-fermentador, utilizando un matraz obturado con algodón, durante
Las condiciones de operación, durante un
tiempo
de
48
horas,
son
las
siguientes:
Temperatura de 30º C.
pH inicial de 6.
La aireación debe de estar entre los 1 dm3/min y los 2 dm3/min.
Agitación de 200 rpm. (12) 11
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
7.3.
Fermentador
La cantidad de inóculo ideal es del 1% del volumen efectivo del
El producto del anterior fermentador es el
fermentador. (12)
inóculo de un fermentador de volumen
de 600 L, cargado con un inóculo de 1%,
Ferrocianida: en una cantidad de 200 ppm, luego de 24 horas de
y en el siguiente medio:
fermentación para beneficiar la
Melazas diluidas (20% en peso
producción
de sacarosa).
mantenimiento de la viabilidad de
24 g de NH4Cl.
la células. (12)
14,40 g de KH2PO4.
9,60 g de MgSO4·7H2O.
4,80 g de FeSO4·7H2O.
4,80 g de ZnCl2.
4,80 g de CuSO4·5H2O.
7.4. Es
algunos
las
El zinc debe proporcionarse en cantidad de 1.5 mg/ml.
siguientes
El hierro debe encontrarse en una cantidad de 0.1 mg/ml.
7.5.
Inhibición
Oxigeno: el aporte de oxígeno es importante ya que se deben
En el proceso de fermentación cuando
garantizar 3 moles por cada mol
se
de sacarosa. (14)
también se encuentran productos, que
Nitrógeno: es necesario mantener
son tóxicos para los microorganismos,
una concentración del nitrato de
estos son:
amonio,
quien
es
la
obtienen
grandes
rendimientos,
fuente,
alrededor de 0.2%. (14)
El cobre debe estar presente en 0.24 mg/ml.
proporciones:
La cantidad de Mg en el medio debe ser de 1.1 mg/ml.
suplementar
con
El rango del pH, se encuentra
el óptimo el más cercano a 6 pH.
nutrientes, para no limitar el crecimiento microbiano,
el
entre valores de 4 a 6 pH, siendo
Nutrientes
necesario
como
La temperatura óptima es de 30 º C, para evitar bajo metabolismo o aumento en la producción de
Fenol: el efecto de concentraciones mayores a 25mg/L provoca un descenso considerable en la producción de ácido cítrico, alrededor del 20%. (15)
otros compuestos. (12)
12
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
α-naftol: el efecto de concentraciones
El calor que absorberá el serpentín se
mayores a 25mg/L provoca un descenso
calcula de la siguiente manera:
considerable en la producción de ácido cítrico, alrededor del 25%. (15) β-naftol: el efecto de concentraciones mayores a 15mg/L provoca un descenso considerable en la producción de ácido cítrico, alrededor del 25%. (15)
Donde f es un factor de seguridad, que tiene un valor de 2, Us es el coeficiente global de transmisión de calor y ∆Tml es el incremento de temperatura media
8.ANÁLISIS TERMODINÁMICO
logarítmica, entre la temperatura de salida del agua en el serpentín, la media
En la operación del bio-reactor es
entre la temperatura inicial en la entrada
necesario
del serpentín y la temperatura inicial de
controlar
dos
condiciones
importantes, la primera es la temperatura
la masa del fermentador. (12)
que poseen las melazas provenientes del
9. DIMENSIONAMIENTO DEL
proceso de esterilización y el segundo es la temperatura que se genera en la
REACTOR
reacción. (12) (16) Para de determinar el tamaño del bioAplicando un balance energético se
reactor
encontró la siguiente expresión:
operación, se tomaron los datos y
y
las
características
de
parámetros de la bibliografía, ya que el
𝑬(𝒎𝒆𝒍𝒂𝒛𝒂𝒔) = 𝑬(𝒔𝒆𝒓𝒑𝒆𝒏𝒕í𝒏)
proceso
+ 𝑬 (𝒂𝒍𝒓𝒆𝒅𝒆𝒅𝒐𝒓𝒆𝒔)
ha
sido
estudiado
y
estandarizado, debido al tiempo que se
El calor que pueden generar las melazas
ha
dedicado
a
la
investigación
y
producción de este compuesto. (12)
está dado por la siguiente expresión:
Para la producción de ácido cítrico se toma
el
modelo
cinético
Zhentgruber y Kubicek, Donde Mm es la masa de melazas en el
de
Rörh,
empleando la
ecuación modificada de Luedeking-Piret:
reactor y se Cp es el calor especifico de las
melazas
a
100ºC
el
cual
es
3.45KJ/KgºC. (12) (16)
13
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Los parámetros encontrados para este modelo teniendo en cuenta cada una de las fases (ver tabla 1). El
valor
Xo
concentración
corresponde inicial
de
a
biomasa
la o
inoculo y el parámetro tm corresponde al tiempo. De maduración del inoculo en el volumen de fermentación correspondiente. (12) Tabla 3 Parámetros cinéticos
Este modelo se ajusta al crecimiento de la biomasa y se divide en tres sub-fases,
Fase
Parámetro
cada una de ellas con una ecuación distinta, las cuales son las siguientes:
K1
0.8772
K2
0.0033
µ
0.00167
K1
1.94
K2
0.003
Kc
0.0046
K1
2.78
K2
0.017
Kt
0.0112
Logarítmica
Fase
logarítmica
inicial
de
crecimiento:
Fase cúbica
Fase cubica de crecimiento:
Fase lineal
Fase de crecimiento lineal
Este modelo nos permite conocer el comportamiento de la biomasa y la producción de ácido cítrico durante el tiempo de fermentación en el cual se consumirá el sustrato. Partiendo de unas 14
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
melazas que contienen un 50% de
concentración final del sustrato sea del
sacarosa fermentable, las cuales se
5%, esto se realizó mediante el software
diluyen hasta una concentración de 20%
de simulación matemática Scilab 5.4.0,
en sacarosa ideal para el crecimiento del
(ver
microorganismo,
representación gráfica del proceso (ver
entonces
se
puede
determinar una concentración de partida
anexo
2)
obteniéndose
la
figura 2).
del sustrato de 200g/L. (12) Para un tiempo de fermentación de La reacción que ocurre en el fermentador
120h, la concentración final alcanzada de
es la siguiente: (12)
producto es de 258g/L. (12) Debido a que la disponibilidad de la melaza en la zona es la suficiente para una producción de 10000 ton/año de
Se evaluaron los parámetros y las constantes en el modelo empleado, para determinar la producción de ácido cítrico y el tiempo de fermentación, en el cual la
Figura 2 Modelo cinético
ácido cítrico se requiere implementar una planta que procese 7750 ton/año. Según datos de la bibliografía para producir 4000 ton/año se requieren 10 reactores
15
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
de 60 m3; entonces para la producción deseada
se
deben
implementar
25
coriolisis.
3
reactores de 60 m .
Fluidos con sólidos: medidor de
Sólidos: válvulas rotatorias con forma de cruz ubicadas en la
10. SISTEMA DE CONTROL Y
salida de las tolvas.
MEDIDA 10.1.
Temperatura 10.4.
Medidores de nivel
En el bio-reactor se utilizaran termopares tipo t, formados por aleación Cu-Ni, en rango de temperatura de -270ºC hasta 400ºC, con precisión de más o menos
Están diseñados según la naturaleza del fluido:
1ºC o 0,75%, con carcazas de acero
10.2.
instrumentación
adicional en los lazos de control en los siguientes puntos:
Aspiración e impulsión de las
Medidores de presión: líquidos
10.5.
Indicadores de pH
Se usaran sensores de electrodo de vidrio, mediante diferencias de potencial
10.6.
Concentración de
Oxigeno
Entrada y salida de evaporadores Se usara un sensor de conductividad
y serpentines.
y
de 0,03 o 0.1%. (12) (16) (13)
bombas.
cristales
limpios.
Presión
como
con
sólidos.
Los medidores de presión deberán ir colocados
eléctricos:
suspensiones
inoxidable, la señal de salida vendrá dada de 4 a 20 mA. (12)
Medidores
En
la
parte
superior
del
fermentador.
térmica que proporcionara la relación entre el oxígeno y el dióxido de carbono. (12) (16)
10.3.
Medidores de flujo 10.7.Medida de otros parámetros
Están dados en función de la naturaleza del fluido así:
Análisis de biomasa, para controlar que crecimiento
Fluidos limpios: rotámetro.
adecuado
del
microorganismo la proporción adecuada. Análisis de gases de salida, para evitar 16
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
contaminación. Detección de espumas, controla la acción de antiespumantes para evitar la proliferación de estas. 10.8.
Válvulas de control
De seguridad en los cuerpos de las bombas.
Para desconexión del proceso de los equipos.
De anti-retroceso.
Válvulas manuales en bypass y de regulación automática.
Válvulas
de
accionamiento
neumático.
10.9.
Controladores
Se utilizaran, según las operaciones consideradas, sistemas P.I.D. La señal de salida estará en función de la intensidad
de
corriente
y
será
transformada en presión para accionar las válvulas neumáticas.
11. ESQUEMA DE SEPARACIÓN
11.1.
Filtración
Luego del ciclo fermentativo se debe parar el microorganismo muerto de los productos producidos en el proceso. Es importante retirarlo en su totalidad y lo
FIGURA 3. Diagrama de flujo para la separación
más limpiamente posible.
17
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
FIGURA 4 Filtro al vacío
Se escoge un filtro rotatorio al vacío con
Esta reacción se conoce como apagado
pre-capa. Este filtro con un área de 55
de
m2 tratara un mínimo de 11 m3/h para un
aproximado de 6 horas, debido al
tiempo de operación máximo de 6 h. (4)
volumen de lechada requerido. (12)
cal,
la
cual
tiene
un
tiempo
(17) (9) La reacción de formación de citrato es la siguiente: 11.2.
Formación de Citrato
Para retirar el ácido cítrico se usa el
Se requieren 0.58 Kg de cal por cada
proceso denominado cal-sulfúrico, el licor
kilogramo de ácido cítrico. El rendimiento
post-fermentativo entra en un tanque
de la reacción está en torno al 95%.
agitado donde se mezcla con la lechada de cal paulatinamente. La lechada está formada en relación 2-1 (agua-cal), 33% de Ca(OH)2. (9) (12)
11.3.
Descomposición del
Citrato Luego del proceso anterior, se hace una filtración al vacío, para retirar el citrato del licor post-fermentativo. (12) 18
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Este
proceso
se
realiza
añadiendo
H2SO4, lo cual provoca que se forme un ácido cítrico libre y precipitación de calcio o yeso. (12)
con revestimiento interior de polietileno y fibra de vidrio (12) 11.4.Filtración y Celdas de Intercambio Iónico. Tras la descomposición del citrato, el
El ácido sulfúrico proviene de una disolución al 10% en peso y contendrá un exceso del 5% en ácido para
ácido cítrico queda en disolución, pero se debe retirar todo el sulfato de calcio formado. (12)
asegurarse de la conversión del citrato. Esta reacción es exotérmica por lo que
Para esto se usa un filtro de banda de
ha de mantenerse refrigerado el reactor
vacío con un sistema de lavado en
a temperatura no mayor de 60ºC. Se
contracorriente en un tiempo no mayor a
requiere de un tanque agitado en acero
6h (12)
FIGURA 5 FILTRO DE BANDA ROTATORIA AL VACÍO
19
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
En
las
celdas
son
removidas
las
impurezas solubles que producen color a la solución de Ácido Cítrico y en general sustancias orgánicas contenidas en el licor. Debido que a lo largo del proceso se añaden sustancias que aumentan la cantidad de iones contenidos en la solución de ácido cítrico, antes de cristalizarlo hay que retirar estos iones (Ca++ y SO4=) para estos se usan celdas de resinas de intercambio iónico. 11.5.
Evaporación
La disolución de ácido cítrico queda en baja concentración debido a la gran FIGURA 6 evaporador de red de flujo humedo
cantidad de agua usada durante la separación. Para que posterior mente se
Descomposición térmica.
formen
Presión y temperatura.
los
cristales,
es
necesario
concentrar la disolución. (12) (17) Inicialmente
la
concentración
El evaporador de película descendente, es
es el más común en este tipo de
aproximadamente del 10% y el objetivo
industria,
es llevarla a un 67%. Para esta tarea se
siguientes razones: (12) (17)
usa un evaporador. (12) (17)
según
una
serie
de
se
considera
por
las
Evaporación poco agresiva con cortos tiempos de residencia.
La elección del tipo de evaporador viene dada
y
Alta eficiencia energética debido a la distribución tubular y la
consideraciones: (12) (17)
posibilidad de acoplar múltiples
Concentraciones
de
la
efectos.
alimentación.
Solubilidad. 20
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Se pueden ajustar rápidamente a
proceso, se configura en modo de
variaciones de las condiciones del
limpieza,
proceso. (12) (17)
mantenimiento del equipo.
Dan
una
gran
facilidad
ahorrando
tiempo
y
de
limpieza, ya que terminado el
La alimentación entrara a 40ºC, no se ingresa a la temperatura de ebullición,
FIGURA 7 Cristalizador
21
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
evitando el coste de un intercambiador
que provee la circulación del
de calor previo y el control de la
magma.
movilización del material. (12) (17) 11.6. En
esta
una bomba tipo eyector de vapor
Cristalización etapa
es
Se trabaja en vacío por medio de
y la alimentación se ingresa a
importante
el
rendimiento en cristales y la pureza de los mismos, pero también el aspecto y el
temperatura superior a la de ebullición a esa presión. 11.7.
Centrifugación
tamaño. (12) (17) Utilizando Un tamaño uniforme es importante para que no se formen aglomeraciones. Por
una
fuerza
centrífuga de
varios G, se separa el sólido del licor madre, debido a la viscosidad de este.
esta razón se debe hacer un control de distribución del tamaño del cristal (CSD),
Se utiliza una centrífuga tipo canasta,
según la regla de tamizado americana.
con un tambor giratorio en el que se
(12) (17)
introduce la alimentación y el cual posee una serie de mallas para permitir el paso
Esta etapa depende dela disolución sobresaturada que se consiga, según el método utilizado. Con el ácido cítrico se
del líquido y retener los cristales, el tamaño de paso de la malla debe ser de 100 CSD. (12) (17)
utiliza un método adiabático, ya que su solubilidad
aumenta
poco
con
la
temperatura. (12) (17)
La velocidad de giro debe regularse entre 500 y 3600 rpm para poder manejar varios caudales de alimentación.
Características: 11.8.
Se
utiliza
flujo
de
circulante (mezcla bifásica entre
En la unidad de secado se pretende
el licor y los cristales). El magma
eliminar toda el agua posible que quede
circula a atravez de las etapas de
en los cristales tras la centrifugación.
cristalización y sobresaturación sin separar el líquido del sólido.
Secado
magma
El equipo debe poseer agitadores internos con tubo de aspiración, placas deflectoras y una bomba
Los cristales entran con una humedad máxima del 5% y perderán agua hasta contener un máximo del 0.5%. Esto es necesario para evitar que el producto se apelmace en los envases. 22
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
El secador es adiabático en el cual el gas
mallas en el interior. Aquí se separan en
circula a través de un lecho de cristales
tres presentaciones (cristal, granular y
soportados por una rejilla; la velocidad
granular fino). Es rechazado cualquier
FIGURA 8 secador de lecho fluidizado
del gas es baja a manera que el lecho se
material
fuera
de
los
tamaños
fluidiza y se arrastran los cristales.
estándares, es decir, los terrones y el polvillo. (12) (17)
Lo importante es secar la superficie del cristal, por lo que el tiempo de retención
Posteriormente se lleva el producto a un
esta entre 20 a 30 segundos y la
sistema de pesado que dosifique en
temperatura del aire que ingresa es de
cantidades de 25 Kg para llenar sacos de
60ºC. (12) (17)
polietileno. Finalmente estos sacos son
11.9. Clasificación y Empaque
sellados herméticamente. (12) (17)
Los cristales luego de ser secados son alimentados a un clasificador con 4 23
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
12. Relación de las etapas con
𝜗𝑆 =
fenómenos de transporte.
𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 1 𝑑𝑉 = ∗ 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝐴 𝑑𝜃
Al hacer los reemplazos correspondiente 12.1
la ecuación quedada
Filtración:
1 𝑑𝑉 ∆𝑃 ∗ =𝐾 𝐴 𝑑𝜃 𝜇∗𝐿
La filtración es una operación básica de ingeniería
química
que
se
puede
considerar como un caso especial del flujo
de
fluidos
atravez
de
Donde
lechos 𝐾=
granulares estáticos. Teniendo en cuenta
𝜖3 4,17 ∗ 𝑆02 ∗ (1 − 𝜖)2
que las partículas sólidas en suspensión son muy pequeñas; las cuales forman la
De acuerdo con esta ecuación,
torta filtrante, además se tiene en cuenta
velocidad referida al área de sección
que el flujo atravez del solido poroso
normal
suele ser laminar. En consecuencia
proporcional a la diferencia de presiones
podemos emplear la ecuación de Ergun.
entre la parte superior e inferior del
(18)
lecho, e inversamente proporcional a la
al
flujo
es
la
directamente
viscosidad del fluido y el espesor del 2
∆𝑃 (1 − 𝜖) ∗ 𝜇 ∗ 𝜗𝑆 = 150 𝐿 𝜖 3 ∗ 𝐷2
lecho. (18) En la práctica cuando el fluido que circula
a
atravez
del
lecho
lleva
Esta ecuación relaciona la perdida de
partículas sólidas en suspensión que son
presión atravez del lecho poroso en el
retenidas
espesor (L), la velocidad del fluido (𝜗𝑆 ) y
resistencia
la fracción hueca del lecho (𝜖), la
aumentando progresivamente a medida
densidad y viscosidad del fluido (𝜇, 𝜌) y
que se va acumulado las partículas
el diámetro equivalente (D) de las
sólidas sobre el lecho con lo cual ira
partículas que constituyen el lecho. (18)
disminuyendo el caudal del fluido. (18)
Teniendo en cuenta la definición de
Para aplicar las anteriores ecuaciones a
diámetro equivalente en relación a la
los cálculos de filtración es conveniente
superficie especifica de
modificarlas; en la ecuación el término
Además
la partícula.
la velocidad superficial se
por
el
por
ofrecida
el al
lecho flujo
la ira
(18)
puede expresar como sigue: (18) 24
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
𝜇𝐿 𝐾
contacto con otra fase insoluble, el sólido adsorbente,
y
Que expresa la resistencia constante al
distribución
de
flujo atravez del medio poroso ha de
originales entre la fase adsorbida en la
sustituirse
superficie (19) (20)
por
dos
términos:
uno
en
que los
la
distinta
componentes
sustituido por la resistencia del medio filtrante y otro que corresponde a la
Sólida y el fluido permite que se lleve a
resistencia ofrecida por la tota que se va
cabo una separación. Todas las técnicas
formando sobre el filtro (18)
que
previamente
se
consideraron
valiosas para el contacto entre fluidos 1 𝑑𝑉 ∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∗ = 𝐴 𝑑𝜃 𝑟𝑡𝑜𝑟𝑡𝑎 + 𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜
insolubles, también son útiles en la adsorción.
Por
tanto,
se
tienen
En general la resistencia del medio
separaciones por lotes en una sola
filtrante es una fracción de la resistencia
etapa, separaciones continuas en varias
total y representa la resistencia ofrecida
etapas y separaciones análogas a la
por
parcialmente
absorci6n y desorción a contracorriente
obstruidos; la resistencia de la torta
en el campo del contacto gas-líquido y a
aumenta con el transcurso de la filtración
la rectificación y extracción mediante
al ir aumentando el espesor. (18)
reflujo. (19) (20)
el
medio
12.2.
poroso
Adsorción e Intercambio
iónico:
Se debe distinguir para principiar entre dos tipos de fenómenos de adsorción: Físicos y Químicos.
Las operaciones de adsorci6n explotan
La adsorción fisca o adsorción de “van
la capacidad especial de ciertos sólidos
der
para hacer que sustancias específicas de
reversible, es el resultado de las fuerzas
una
la
intermoleculares de atracción entre las
superficie de la misma. De esta forma,
moléculas del sólido y la sustancia
pueden separarse unos de otros los
adsorbida. (19) (20)
solución
se
concentren
en
componentes de soluciones gaseosas o líquidas. (19) (20)
Todas estas operaciones son similares en que la mezcla por separar se pone en
La
Waals”,
Quimio
fenómeno
absorción,
fácilmente
o
adsorción
activada, es el resultado de la interacción química entre el sólido y la sustancia adsorbida.
La fuerza de la unión
química puede variar considerablemente 25
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
y puede suceder que no se formen
dependerá del equilibrio sólido-líquido y
compuestos químicos en el sentido
de las velocidades de transferencia de
usual; pero, la fuerza de adhesión es
materia. (19) (20)
generalmente
mucho
mayor
que
observada en la adsorción física.
la (19)
(20)
Las
resinas
pueden
de
intercambio
cumplir
varias
iónico
funciones.
Dependiendo de la aplicación a la que se
El intercambio iónico también
destinen;
existen
basado en la adsorción, que es un
Resinas
catiónicas
de
proceso
ciertos
Resinas
catiónicas
de
componentes de una fase fluida hacia la
Resinas
anódicas
superficie
Resinas aniónicas de base débil. (19)
de
separación
de
un
de
sólido
está
adsorbente.
Generalmente pequeñas partículas de
que
el
fluido
de
tipos:
ácido fuerte, ácido base
débil, fuerte,
(20)
adsorbente se mantienen en un lecho fijo mientras
diferentes
pasa
12.3
Evaporación:
objetivo
de
continuamente a través del lecho hasta que
el
sólido
está
prácticamente
El
la
evaporación
es
saturado y no es posible alcanzar ya la
concentrar una disolución consistente en
separación deseada, con lo cual el lecho
un soluto no volátil y un disolvente volátil.
se ha de regenerar. (19) (20)
En la mayor parte de las evaporaciones
La mayoría de los adsorbentes son resinas, compuestos orgánicos de gran peso molecular que tiene la propiedad de disponer de un residuo catiónico o anionico intercambiable, y gracias a su alta porosidad, la adsorción puede tener lugar fundamentalmente en el interior de las partículas, y aumentado así el área de contacto. La separación se produce debido a la diferente afinidad de las resinas con los cationes y aniones que se desean eliminar, y por tanto la buena elección
del
lecho
favorecerá
la
separación de los iones y la eficacia
el disolvente es agua. La evaporación se realiza
vaporizando
una
parte
del
Disolvente para producir una disolución concentrada. La evaporación difiere del secado en que el residuo es un líquido a veces altamente viscoso- en vez de un sólido; difiere de la destilación en que el vapor
es
generalmente
un
solo
componente y, aun cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporación no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalización en que su interés
reside
en
concentrar
una
disolución y no en formar y obtener cristales. En ciertas situaciones, por 26
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
ejemplo, en la evaporación de salmuera
12.4 Cristalización:
para producir sal común, la separación entre evaporación y cristalización dista
Cristalización
mucho de ser nítida. La evaporación
partículas sólidas a partir de una fase
produce a veces una suspensión de
homogénea. La formación de partículas
cristales
sólidas puede tener lugar a partir de un
en
unas
aguas
madres
saturadas. (17)
es
la
formación
de
vapor, como la nieve, mediante la solidificación de un líquido fundido, como
Normalmente,
el
ocurre en la formación de grandes mono
líquido
cristales, o bien como cristalización de
concentrado mientras que el vapor se
una disolución líquida. El tratamiento en
condensa y se desecha. Sin embargo, en
este libro está restringido al último caso.
algún caso concreto puede ocurrir lo
Los principios y conceptos que se
contrario. El agua salubre se evapora
exponen son aplicables tanto a la
con frecuencia para obtener un producto
cristalización de un soluto en el seno de
exento de sólido para la alimentación de
una disolución saturada como a la
calderas,
cristalización
producto
en
valioso
para
evaporación es
el
procesos
con
de
parte
del
propio
requerimientos especiales o para el
disolvente, en la formación de cristales
consumo
de hielo a partir de agua de mar o de
humano.
Esta
técnica
se
conoce con frecuencia con el nombre de
otras disoluciones salinas diluidas. (17)
destilación de agua, pero se trata en realidad
de
evaporación.
han
La cristalización de disoluciones es
desarrollado procesos de evaporación a
industrialmente importante dada la gran
gran
variedad
escala
utilizándose
Se
para
la
de
materiales
que
se
recuperación de agua potable a partir de
comercializan
agua de mar. En este caso el agua
amplia utilización se debe a dos razones:
condensada es el producto deseado.
un cristal formado a partir de una
Solamente se recupera una fracción del
disolución impura es esencialmente puro
agua
alimentación,
(excepto que se formen cristales mixtos),
mientras que el resto se devuelve al mar.
y la cristalización proporciona un método
(17)
práctico para la obtención de sustancias
contenida
en
la
en forma cristalina. Su
químicas
puras
adecuada
para
en su
una
condición
envasado
y
su
almacenamiento. (17) 27
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Los gases y líquidos que contienen pequeñas cantidades de agua pueden
12.5 Secado
secarse El término
secado se refiere a la
eliminaci6n
de
sustancia.
Se
humedad aplica
tan
en fácil
mediante
operaciones
de
adsorción. Este análisis limitará (20)
una e
Principalmente
a
la
eliminación
de
incongruentemente que es necesario
humedad de sólidos y líquidos por
restringir su significado en el análisis
evaporaci6n en una corriente gaseosa.
presente del tema. Por ejemplo, un
En la práctica, la humedad es con tanta
sólido húmedo, como madera, tela o
frecuencia agua y el gas con tanta
papel, puede secarse por evaporaci6n
frecuencia aire que esta combinación
de la humedad ya sea en una corriente
proporcionará las bases para la mayor
de gas o sin el beneficio del gas para
parte de este análisis. Sin embargo, es
acarrear
importante
el
vapor;
sin
embargo,
acentuar
que
el
equipo,
generalmente no se considera como
técnicas y relaciones son igualmente
secado la eliminación mecánica de esta
aplicables a otros sistemas. (20)
humedad
mediante
centrifugado.
Una
el
exprimido
solución
o
puede
La gran mayoría de las importantes
“secarse” esparciéndola en forma de
operaciones
pequeñas gotas en un gas caliente y
tienen su origen en el principio de
seco, lo que provoca la evaporación del
trasferencia de masa que es explicado
líquido; empero, la evaporación de la
por medio de la ley de Fick (21)
explicadas
anteriormente
solución mediante ebullición en ausencia de un gas para arrastrar la humedad por lo común se considera una operación de
𝑁𝐴 = 𝑥𝐴 (𝑁𝐴 + 𝑁𝐵 ) − 𝑐 ∗ 𝒟𝐴−𝐵 ∇𝑥𝐴
secado. Cualquier contenido pequeño de
= 𝑐𝐴 𝑣 − 𝑐 ∗ 𝒟𝐴−𝐵 ∇𝑥𝐴
agua presente en un líquido como benceno, puede “secarse” mediante una
13. MANEJO DE RESIDUOS.
operación que en realidad es una destilación; no obstante, la eliminaci6n de una pequeña cantidad de acetona mediante el mismo proceso, de ordinario no se llama secado.
13.1
Residuos sólidos.
Los residuos sólidos que se producen en la planta se conforman de dos clases, están los residuos urbanos tales como
28
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
envases de cartón y plástico y los aceites
El
control
de
las
emisiones
de
usados por la maquinaria. (12) (17)
compuestos orgánicos se puede prevenir de la siguiente manera: (12)
La segunda clase de residuo sólido, es el
sulfato de cálcico (yeso), proveniente de
Controlando
la descomposición del citrato cálcico.
la
cantidad
de
azucares en la melaza.
Este residuo puede usarse en la industria
Suministrando suficiente oxígeno
de la construcción como relleno y en la
en los fermentadores.
industria alimenticia como filtrante. (12)
Optimizando la distribución de
(17)
oxígeno en el fermentador.
Implementando un sistema de monitoreo
13.2.
y
control,
para
mantener el sistema controlado.
Emisiones gaseosas
(12) Las emisiones producidas por la planta se generan principalmente del proceso
13.3.
Vertidos líquidos
de fermentación. Estos subproductos se pueden formar como consecuencia del
En
poco suministro de oxígeno y exceso de
refrigeración, lavado y desinfección de
azucares. Es muy importante suprimir la
máquinas se les hará tratamiento de
formación de metanol ya que este es un
aguas
contaminante del producto. (12) (17)
evacuación. (12)
Otros
gaseosos
El efluente del licor proveniente del
producidos son alcoholes como butanol,
cristalizador no puede ser recirculado al
alcohol isopropilo, 2,3-butanodiol, ácidos
proceso,
orgánicos y acetatos. (12)
incrustarían en los cristales y estos
subproductos
primer
negras
crecerían Durante las primeras horas se producen 0,72
moles
CO2
y
0,73
moles
lugar,
para
porque
de
consiguiente
las
las
manera se
aguas
su
posterior
impurezas
irregular,
pueden
de
tomar
se
por las
siguientes acciones: (12)
polialcoholes, durante la fase intermedia se producen 1,33 moles CO2 y 0,55
Venderlo
como
un
producto
moles polialcoholes y en la fase final se
usado como cohesionante en la
producen 2,41 moles CO2. (12)
industria alimentaria.
29
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Recirculación lechado
o
a
la
etapa
intercambio
domésticas.
iónico.
(12)
las aguas de refrigeración y
de
Aprovechar al máximo la melaza.
contaminante y proceder a su
Reducir perdidas implementando
licor
la
mantenimiento de equipos.
post-fermentativo
debe
ser
tratado al contener una DQO moderada y
Realizar limpiezas en seco.
Optimizar el consumo de agua para limpieza. (12)
compuestos con nitrógeno, fosforo y sulfatos. (12) siguientes
Para el tratamiento de los efluentes hay medidas
pueden
minimizar la producción de residuos líquidos: (12)
aguas
carga
reducir
desecho. (12)
Las
de
utilizadas para refrigeración.
Utilizar un tratamiento adecuado para
El
Recirculación
Segregación
que diseñar un proceso de digestores anaerobios, seguido de un tratamiento aerobio
para
eliminar
la
DQO,
produciéndose un biogás útil para la de
los
residuos
producción
de
energía.
(12)
líquidos muy concentrados de
30
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Bibliografía 1.
EL PRISMA. Elprisma.com. [Online]. [cited 2014 Enero 24. http://www.elprisma.com/apuntes/quimica/acidocitrico/default10.asp.
2.
SUCROAL S.A. sucroal.com.co. [Online]. [cited 2014 Enero 24. Available from: http://sucroal.com.co/products/ingredientes-alimenticios/.
3.
Soccol CR, Vanderberghe LPS, Rodrigues C, Pandey A. New Perspectives for Citric Acid Production and Application. Food Technol. Biotechnol. 2006 Marzo; 44(2).
4.
Lopez Rios CA, Zuluaga M. A, Herrera P. SN, Ruiz C. AA, Medina de Perez VI. Produccion De Acido Citrico Con Aspergillus Niger Nrrl 2270 Apartir De Suero De Leche. DYNA. 2006 Noviembre; 73(150).
5.
INCODER. incoder.gov.co. [Online]. [cited 2014 Enero 24. Available from: http://www.incoder.gov.co/documentos/Estrategia%20de%20Desarrollo%20Rural/Pertiles %20Territoriales/ADR_HOYA%20RIO%20SUAREZ/Perfil%20Territorial/Productivo%20Texto %20ADR%20Hoya%20del%20Rio%20Suarez%20(1).docx.
6.
Direccion de industria alimentaria-S.AG.P. y A. Acido citrico el ingrediente que nos falta. Alimentos Argentinos. 2012 Diciembre; 1(12).
7.
Lopez Gonzalez L, De La Cruz Soriano R. Estudio De Diferentes Capacidades De Acido Citrico En La Region Central De Cuba. R. Universidad de EAFIT. 2009 Noviembre; 45(153): p. 62-69.
8.
FEDNA. Fundacion FEDNA. [Online]. [cited 2014 Enero 24. www.fundacionfedna.org/ingredientes_para_piensos/melazas-de-caña.
9.
Rivada Nuñez FJ. uca.es. [Online].; 2008 [cited 2014 Enero 24. Available from: http://rodin.uca.es/xmlui/bitstream/handle/10498/6411/34254675.pdf?sequence=1.
10.
EcuRed. EcuRed.com. [Online]. [cited 2014 http://www.ecured.cu/index.php/Sulfato_de_calcio.
11.
Monografias. Monografias.com. [Online]. [cited 2014 Enero 24. Available from: http://www.monografias.com/trabajos10/merce/merce.shtml.
12.
Rivada Nuñez FJ. Planta Industrial De Produccion De Ácido Cítrico A Partir De Melazas De Remolacha. Proyecto De Grado Para Obtener Titulacion En Ing. Quimica Universidad De Cadiz. 2008 Noviembre; 1(1).
13.
Sikander A, Ikram ul H, Qadeer MA, Javed I. Production Of Citric Acid By Aspergillus Niger Using Cane Molasses In A Stirred Fermentor. Electronic Journal Of Biotechnology. 2002
Enero
24.
Available
Available
Available
from:
from:
from:
31
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Noviembre; 5(3): p. 258-271. 14.
Priede M, Viesturs U. Effect Of Pulsing Mixing Interruptions On The Aspergillus Niger Morphology And Citricacidproduction. Chemical Biochem Eng. 2005 octubre; 19(4): p. 359366.
15.
Bekir SC, Ergin K, Ahmet Y, Mustafa Y. Influences Of Phenolic Compounds On Citric Acid Productivity By Aspergillus Niger In Stirred Fermentor. Electronic Journal Of Biotechnology. 2010 Noviembre; 13(1).
16.
Ashish K, Jain VK. Solid State Fermentation Studies Of Citric Acid. African Journal Of Biotechnology. 2008 Marzo; 7(5).
17.
McCabe WL, Smith JC, Harriott P. Operacionea Unitarias En Ingenieria Quimica. In Mccabe WL, Smith JC, Harriott P. Operacionea Unitarias En Ingenieria Quimica. Madrid: McGRAWHILL/INTERAMERICANA; 1991. p. 925-929.
18.
Ocon Garcia J, Tojo Barreiro G. Problemas De Ingenieria Quimica Tomo Ii. In Ocon Garcia J, Tojo Barreiro G. Problemas De Ingenieria Quimica Tomo Ii. Madrid España: Aguilar ; 1980. p. 340-343.
19.
PROCESOS BIO. procesosbio.wikispaces.com. [Online].; http://procesosbio.wikispaces.com/Intercambio+iOnico.
20.
Treybal E. Operaciones De Tranferencia De Masa. In Treybal Re. Operaciones De Tranferencia De Masa. Mexico: McGRAW-HILL p. 625-628.
21.
BIRD RB, Stewart WE, Lightfoot EN. Fenomenos De Transporte. In BIRD RB, Stewart WE, Lightfoot EN. Fenomenos De Transporte. Mexico: Limusa wiley; 2006. p. 600-626.
2014.
Available
from:
32
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
ANEXOS Anexo (1). Diagrama De Flujo De Obtención De Ácido Cítrico Por A. Níger Diagrama De Proceso
iv
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO
Anexo 2 script de Scilab para el modelamiento del proceso //modelamiento clear;clc K1=0.8772 K2=0.0033 K3=1.94 K4=0.003 K5=2.78 K6=0.017 Kc=0.0046 Kt=0.0112 Xo=0.1 u=0.00167 // t(1)=0 X(1)=0.1 P(1)=0 tm=0.001 Pm=0.4 //fase logaritmica for i=2:4 t(i)=t(i-1)+12 X(i)=(Xo/u)*(exp(u* t(i))-exp(u* tm)) P(i)=Pm+K1*(X(i)-X(2)+K2*X(i)) end //fase cúbica for i=5:7 t(i)=t(i-1)+12 X(i)=(1/4)*(Kc^3)*(t(i)^(4)tm^4)+(Xo^(1/3))*(Kc^2)*(t(i)^(3)tm^3)+(3/2)*(Xo^(2/3))*Kc*(t(i)^(2)-tm^2)+Xo*(t(i)tm) P(i)=Pm+K3*(X(i)-X(2)+K4*X(i)) end //fase lineal for i=8:11 t(i)=t(i-1)+12 X(i)=(1/2)*Kt*(t(i)^(2)-tm^2)+Xo*(t(i)-tm) P(i)=Pm+K5*(X(i)-X(2)+K6*X(i))
end plot(t,P,'*r-','linewidth',2.5) plot(t,X,'*g-','linewidth',2.5) T=t // title('Modelamiento Cinético Del Proceso') hl=legend('P','X',5) square(0,0,t(i)+1,P(i)+10) set(gca(),"auto_clear","off") a=gca(); a.y_ticks=tlist(["ticks" "locations" "labels"],0:20:P(i)+10,string(0:20:P(i)+10)); a.x_ticks=tlist(["ticks" "locations" "labels"],0:12:t(i)+1,string(0:12:t(i)+1)); a.grid=[1,1]; a.title.font_style=5; a.title.font_size=5; t=a.title; t.foreground=9; t.font_size=5; t.font_style=5; funcprot(0) xlabel=a.x_label; xlabel.text=" t [h]"; xlabel.font_style= 5; xlabel.font_size=3; ylabel=a.y_label; ylabel.text=" (P) (X) [g/L]"; ylabel.font_style= 5; ylabel.font_size=3; a.y_label.foreground = 1; a.x_label.foreground = 1; // M=[T,X,P]; disp(' t X P ') disp(M) // disp('End')
v
View more...
Comments
