Ciencias tcnicas y aplicadas

Artculo de investigacin

Evaluacin del proceso de produccin de cido ctrico por fermentacin con el uso de Aspergillus niger

Evaluation the process of the citric acid production fermentation with the use of Aspergillus niger

 

Avaliao do processo de produo de cido ctrico por fermentao com o uso de Aspergillus niger

Mara Augusta Guadalupe-Alcoser I
ma.guadalupea@uea.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-0547-215X
,Adrin Alejandro Rodrguez-Pinos III    
adrian.rodriguez@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-7157-1877
Karina Gabriela Salazar-Llangar II    
gabriela.salazar@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0003-0527-3289
,Hannibal Lorenzo Brito-Mona IV
hbrito@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-7536-857X
 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: [email protected]

 

*Recibido: 22 de mayo del 2021 *Aceptado: 20 de junio del 2021 * Publicado: 05 de julio del 2021

 

       I.            Magister en Ingeniera Qumica Aplicada, Mster Universitario en Sistemas Integrados de Gestin de la Prevencin de Riesgos Laborales, la Calidad, el Medio Ambiente y la Responsabilidad Social Corporativa, Ingeniera Qumica, Docente Investigador, Universidad Estatal Amaznica, Puyo, Ecuador.

    II.            Master Universitario en Qumica Sostenible, Ingeniera Qumica, Gestin Ambiental, Formacin de Formadores, Docente Investigador, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Sede Orellana, Ecuador.

III.            Master of Science in Chemical Engineering, Ingeniero Qumico, Docente Investigador, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

IV.            Especialista en Computacin Aplicada al Ejercicio Docente, Maestra en Proteccin Ambiental, Diploma Superior las Nuevas Tecnologas de la Informacin y Comunicacin y su Aplicacin en la Prctica Docente Ecuatoriana, Magister en Docencia Universitaria e Investigacin Educativa, Ingeniero Qumico, Docente Investigador, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

Resumen

La evaluacin del proceso de produccin de cido ctrico por fermentacin con el uso de Aspergillus niger, se realiz a travs de cuatro modelos de simulacin con el uso de un software para procesos, los parmetros de diseo fueron establecidos mediante estudios previos, que se ingresaron a la plataforma de clculo, posteriormente los resultados obtenidos en cada modelo se analizaron tcnica y econmicamente, lo que permiti determinar el modelo ptimo de produccin de cido ctrico (Modelo dos), que determina una cantidad de produccin de cido ctrico de 6 914. 69 ton/ao, una inversin 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 retribucin de 8 aos. Al modelo escogido se realiz un anlisis estadstico descriptivo, aplicando una t-sudent; lo que confirma la aceptacin de la hiptesis nula que quiere decir que el modelo dos es el ms viable al mostrar una gran relacin entre la media de produccin (19.72 ton/lote) y la produccin final del modelo (21.08 ton/lote), con una confiabilidad del 95%. El proceso consta de dos etapas: fermentacin y aislamiento, que deben realizarse bajo las condiciones de operacin (T= 25C y P= 1 atmsfera en la mayora de las operaciones) y las condiciones ptimas de fermentacin para el Aspergillus niger (T= 35C, pH= 5.8 y P= 1 atmsfera) 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 tcnicos sin la necesidad de recurrir a largos perodos de tiempo con anlisis experimentales en laboratorio, es decir, nos ahorra: tiempo, costos de pre-diseo y errores.

Palabras Clave: Ingeniera y tecnologa qumica; procesos industriales; simulacin/ superpro designer (software) / fermentacin/ modelos de simulacin/ variables/ parmetros de operacin.

Abstract

The production process of citric acid is evaluated through fermentation by using Aspergillus niger microorganism for Hetween Ca. Ltd company; This procedure was carried out through four simulation models with the use of a software for processes, the design parameters were provided by the company, which were entered into the calculation platform, subsequently the results obtained in each model were analyzed technically and economically, which allowed to determine the most optimal model of citric acid production (model two), which determines an amount of citric acid production of 6 914. 69 tons per year, a total investment of $ 31 460 000 together with a NPV (Net Present Value) of $165 000 and an IRR (Internal Rate of Return) of 8.05%, which indicates that the project can be conducted and it is profitable in an 8-year compensation period. To the selected model, a descriptive statistical analysis was carried out, applying a t- student; This confirms the acceptance of the null hypothesis which means that model two is the most viable, showing a great relationship between the production average (19.72 tons / lot) and the final production of the model (21.08 tons / lot)., with a 95% reliability. The process consists of two stages: fermentation and isolation, which must be carried out under the operating conditions (T= 25C and P= 1 atmosphere in most of the operations) and the optimal fermentation conditions for the Aspergillus niger (T=35C, pH= 5.8 and P= 1 atmosphere) that are adequate to obtain a quality product that can be offered in the national and international markets. Finally, it is verified that the use of computer software allows to develop technical studies without the need to resort to long working hours with experimental laboratory analysis, that is, it saves us: time, pre-design costs and trial errors.

Keywords: Chemical engineering and technology; industrial processes / simulation / superpro designer (software) / fermentation / simulation models / variables / operating parameters.

 

Resumo

A avaliao do processo de produo de cido ctrico por fermentao com o uso de Aspergillus niger, foi realizada atravs de quatro modelos de simulao com a utilizao de um software de processos, os parmetros de projeto foram estabelecidos atravs de estudos anteriores, os quais foram inseridos na plataforma de clculo, posteriormente os resultados obtidos em cada modelo foram analisados ​​tcnica e economicamente, o que permitiu determinar o modelo timo de produo de cido ctrico (Modelo dois), que determina uma quantidade de produo de cido ctrico de 6.914,69 ton / ano, um investimento total de $ 31.460.000 junto com um VPL (Valor Presente Lquido) de $ 165.000 e uma TIR (Taxa Interna de Retorno) de 8,05%, o que indica que o projeto pode ser executado e rentvel em um perodo de pagamento de 8 anos. Foi realizada anlise estatstica descritiva do modelo escolhido, aplicando-se um t-sudent; o que confirma a aceitao da hiptese nula de que significa que o modelo dois o mais vivel por apresentar uma tima relao entre a produo mdia (19,72 ton / lote) e a produo final do modelo (21,08 ton / lote), com 95% de confiabilidade . O processo consiste em duas etapas: fermentao e isolamento, que deve ser realizado em condies operacionais (T = 25C e P = 1 atmosfera na maioria das operaes) e as condies ideais de fermentao para Aspergillus niger (T = 35C, pH = 5,8 e P = 1 atmosfera) que so adequados para obter um produto de qualidade que pode ser oferecido no mercado nacional e internacional. Por fim, verifica-se que o uso de software permite o desenvolvimento de estudos tcnicos sem a necessidade de recorrer a longos perodos de tempo com anlises experimentais em laboratrio, ou seja, nos economiza: tempo, custos de pr-projeto e erros.

Palavras-chave: Engenharia qumica e tecnologia; processos industriais; simulao / superpro designer (software) / fermentao / modelos de simulao / variveis ​​/ parmetros operacionais.

 

Introduccin

El cido ctrico (cido 2-hidroxi-1, 2, 3-propanotricarboxlico), es un cido orgnico que se considera natural, sin embargo, tambin se puede sintetizar va laboratorio, es parte de casi todos los tejidos animales y vegetales, se presenta en forma de cido de frutas en el limn, mandarina, lima, toronja, naranja, pia, ciruela, guisantes, melocotn, as como en los huesos, msculos y sangre de animales. Es considerado un cido carboxlico verstil y se utiliza en el campo de la alimentacin, de los productos farmacuticos y cosmticos, entre otros (Muoz, Senz, Lpez, Cant, & Barajas, 2014).

En el laboratorio, el cido ctrico se sintetiza a partir de microorganismos en una base de azcar. Se aisl por primera vez a partir del zumo de limn mezclado con cal y disolviendo el precipitado con cido sulfrico (Snchez , Ortiz, & Betancourt, 2004).

Kumar & Jain (2008), manifiesta en su investigacin: Solid state fermentation studies of citric acid production, que alrededor del 99% de la produccin mundial de cido ctrico se obtiene por procesos microbianos. Se comercializa como un cido anhidro o monohidratado, se espera una produccin anual de 1.5 millones de toneladas de las cuales el 70% se destina a la industria de alimentos y bebidas como acidificante o antioxidante para preservar o mejorar los sabores y aromas de jugos de frutas, helados y mermeladas. 20% se usa, en la industria farmacutica como antioxidante para conservar las vitaminas, efervescentes, correctores de pH. El 10% restante se utiliza en la industria qumica como un agente de formacin de espuma para el ablandamiento y el tratamiento de los textiles. En la metalurgia, se usa para el abrillantado y eliminacin del xido en metales como el cobre y aleaciones como el latn. El cido ctrico tambin se utiliza en la industria de los detergentes como un sustituto de fosfato, debido al menor efecto eutrfico (Bischof, Flincec, Budimir, & Kalenic, 2011).

Las industrias en Ecuador no producen cido ctrico, este se exporta desde Alemania, Estados Unidos, China, Uruguay y otros pases lo cual eleva el costo de importacin, es por esto el desarrollo de una investigacin mediante el uso de un software que permita evaluar y disear un proceso de produccin industrial de cido ctrico a partir del hongo Aspergillus Niger.

 

Mtodos y Tcnicas

Ingeniera Conceptual del Proceso

La investigacin se desarroll de forma ordenada y sistemtica, se inici con la revisin de fuentes bibliogrficas especficas al tema, como libros, artculos cientficos, pginas web, para definir conceptos, teoras, condiciones y variables de proceso. Para la simulacin del proceso de produccin de cido ctrico con el uso de Aspergillus Niger, se emple el software SuperPro Designer; ste es un programa computacional que permite realizar la simulacin de procesos en estado estacionario. Existen procesos en los que se pueden alcanzar condiciones de estacionalidad gracias a la simulacin, esto facilita el estudio y operacin de los mismos, adems incluyen cambios en los parmetros y variables de operacin (Designer, 2019).

Para iniciar la simulacin de un proceso en el software, se siguen los pasos que se indican a continuacin en la Figura 1:


Figura 1: Modalidad de trabajo para un proceso en el simulador

Fuente: Elaboracin propia

 

Proceso de diseo y simulacin

El diseo y simulacin de un proceso de produccin sigue los pasos que se indican a continuacin.

Se inicia con la generacin de ideas sobre el proceso a disearse, en este caso la produccin de cido ctrico por medio de fermentacin, donde se realiza la ingeniera conceptual del proceso, se indican las etapas, adems de procesos y operaciones necesarias para cumplir con el objetivo propuesto. Una vez que se ha definido la ingeniera conceptual, se procede a realizar la planificacin estratgica del proceso de diseo y posterior simulacin. En segundo lugar, se desarrolla el proceso de acuerdo a la ingeniera conceptual y se evala las alternativas, para seleccionar la ms viable y ptima. Posterior a esto, se disean las facilidades y se realizan los ajustes al proceso, esto en primer lugar se lo puede realizar por medio de simulacin, esto nos dar como resultado la ingeniera de detalle. Finalmente, se procede a optimizar el proceso, analizar los tiempos de los ciclos y se puede programar la produccin a llevarse a cabo en la planta diseada.

 

Diagrama General del Proceso de Produccin de cido Ctrico

En la Figura 2, se indica el diagrama de flujo del proceso. El diseo del proceso se realiza para obtener 6 914 toneladas mtricas de cido ctrico por ao en forma cristalina, que se utiliza por la industria para preservar los alimentos y bebidas, as como mejorar su sabor.


 


Figura 2: Diagrama del proceso de produccin de cido ctrico

Fuente: SuperPro Designer

 

La fuente de carbono que se utiliza para la fermentacin es la melaza, misma que se diluye con agua hasta un 50% de azucares fermentables (V-101). El material particulado suspendido se elimina por medio de filtracin (PFF-101). Los iones metlicos, particularmente el in de hierro, son subsecuentemente removidos por una columna cromatogrfica de intercambio inico (C-101) y la solucin de materia prima purificada se esteriliza con calor en un pasteurizador (ST-101). Los nutrientes tal como zinc, fuentes de amonio, potasio, fsforo, magnesio y cobre, son disueltos en agua (V-104) y esterilizado al calor (ST-101).

Despus de la esterilizacin, los nutrientes y la fuente de carbono se transfieren a un fermentador (FR-101). La fermentacin ocurre de acuerdo a la siguiente reaccin:

Reaccin 1

 

El tiempo de fermentacin es de 5 das a una temperatura constante de 35 C, con un pH de 5.8 hasta tener un rendimiento de reaccin del 99%. El aire necesario para mantener las condiciones aerobias de la fermentacin se realiza por medio de un compresor (G-101). El agua de enfriamiento remueve el calor producido por el proceso exotrmico y mantiene la temperatura constante.

Para satisfacer la demanda de produccin, la fermentacin es llevada a cabo por 7 fermentadores que operan en modo alternado. Adems, la planta opera todo el da y un lote de fermentacin se inicia y otro se finaliza diariamente. Cada fermentador tiene un volumen de 150 m3. Luego de la fermentacin, el caldo se descarga dentro de un tanque de retencin (V-105), el cual acta como un tanque de regulacin buffer entre el lote que ingresa y la seccin de salida.

Con el aislamiento del cido ctrico, se obtiene este compuesto de forma pura, y su purificacin inicia con la remocin de la biomasa por un filtro al vaco rotatorio (RVF-101). Este lquido clarificado de la fermentacin subsecuentemente fluye dentro de un reactor agitado (V-106) donde se aade aproximadamente una parte de cal hidratada, Ca (OH)2, por 2 partes de licor; en donde se obtiene un precipitado de citrato de calcio. El citrato de calcio es entonces separado por medio de un segundo filtro rotatorio al vaco (RVF-102) y el filtrado libre de citrato (Desecho Acuoso-1) es enviado a un tanque de coleccin de desechos.

La torta de citrato de calcio se enva a otro reactor agitado (V-107), en donde se aade cido sulfrico para formar un precipitado de sulfato de calcio (yeso). Un tercer filtro (RVF-103) remueve el precipitado de yeso y una solucin de cido ctrico impuro. Es importante cuidar el control del pH y la temperatura en la precipitacin para maximizar el rendimiento de cido ctrico. La solucin resultante es concentrada y cristalizada mediante un cristalizador continuo (CR-101).

 

Descripcin del proceso de produccin de cido ctrico

Como se observa en la Figura 3, el proceso industrial de produccin del cido ctrico se divide en dos secciones: fermentacin y aislamiento. La primera, es donde se encuentran todos los procesos necesarios para llevar a cabo la obtencin del cido ctrico a partir de la fermentacin de la melaza utilizando Aspergillus Niger. La segunda seccin del proceso, corresponde a todas las operaciones necesarias, para obtener el cido ctrico puro en forma cristalina.


Figura 3: Secciones del proceso de produccin de cido ctrico

Fuente: Elaboracin propia

 

Seccin de Fermentacin

Para la obtencin del cido ctrico mediante fermentacin con Aspergillus Niger se utiliza como materia prima la melaza, que es la fuente de carbono. La melaza es diluida, para proceder a remover los slidos suspendidos, adems de separar los iones metlicos, especialmente el hierro, y finalmente esterilizarla mediante pasteurizacin con el fin de eliminar todos los microorganismos que produzca compuestos no deseados en la fermentacin. Se aade a la melaza sustancias que mejoraran el proceso de fermentacin y vuelve a ser esterilizada antes de realizarse la fermentacin respectiva. Una vez preparada la mezcla y aditivos se procede a realizar la fermentacin en condiciones aerbicas mediante inculo de Aspergillus Niger hasta obtener el producto final y almacenarlo, para que posteriormente este producto sea dirigido hacia la seccin de aislamiento.

 

Seccin de Aislamiento

En el producto final de la fermentacin se procede a eliminar la biomasa, obteniendo un producto totalmente lquido y sin slidos. En este producto se elimina los sub productos y aditivos residuales del proceso de fermentacin mediante precipitacin, resultando una corriente lquida de cido ctrico que por procesos de cristalizacin y secado se genera el producto final: cido ctrico en forma cristalina.

a.      Requerimiento de materias primas

Como materias primas se requiere: agua, melaza, sulfato de amonio, nutrientes, nitrgeno, hidrxido de sodio, hidrxido de calcio, nitrgeno, oxgeno, cal y cido sulfrico. Mientras que como productos se tiene: biomasa, cristales de cido ctrico, citrato de calcio, dixido de carbono, yeso, impurezas,

b.      Datos Generales del Proceso para el clculo

Los clculos de diseo requieren de los datos generales del proceso de produccin del cido ctrico, estos datos son referentes a como se opera la planta de produccin y el tiempo de operacin de la misma como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1: Datos generales del proceso

Tiempo de Operacin Anual

47.90

Semana

Tasa de Referencia de Unidad de Produccin

6 914 691.48

kg MP

Tamao del lote

21 081.38

kg MP

Tiempo de preparacin de ingredientes del lote

199.18

H

Tiempo del ciclo de preparacin de ingredientes

24.00

H

Nmero de lotes por ao

328.00

 

*MP: Flujo total de la corriente Producto final

Fuente: Elaboracin propia

 

MP hace referencia al Flujo Total de la Corriente 'Producto Final', el tiempo de operacin anual, se encuentra dado en nmero de semanas y su clculo se efecta acorde al tiempo de operacin de la planta, se tiene en cuenta que, la planta opera continuamente y las operaciones son una mezcla de procesos por lote, semicontinuos o continuos.

 

c.       Requisitos de partida de materia prima por seccin

En los requisitos de materia prima se presenta la seccin de produccin con la respectiva materia prima de partida como es la glucosa en el caso de la fermentacin y como producto activo al cido ctrico en fase acuosa. Mientras que, la seccin de aislamiento tiene como materia prima de partida el cido ctrico producido en la seccin de fermentacin y como producto activo el cido ctrico en forma de cristales.

 

Tabla 2: Requisitos de partida de materia prima por seccin

Seccin

Material de Partida

Producto Activo

Rendimiento Msico

(%)

Masa Bruta

Rendimiento (%)

Seccin de Fermentacin

Glucosa

cido Ctrico

84.53

84.53

Seccin de Aislamiento

cido Ctrico

Cristales de cido Ctrico

92.25

92.25

Fuente: Elaboracin propia

 

La cantidad necesaria representada en kg/kg, representa el mnimo requerido para que los procesos de produccin se ejecuten de forma eficiente. El rendimiento molar, rendimiento msico y rendimiento de masa bruta, corresponde al porcentaje de transformacin de materia prima a producto activo mediante los procesos de produccin, como se indican los valores en la Tabla 2.

 

d.      Total de materias primas

En un proceso de produccin es importante conocer las cantidades a ser utilizadas de cada materia prima que interviene en el proceso de produccin, para poder planificar el stock de las mismas.

En la Tabla 3, se presenta los kilogramos necesarios de cada materia prima por ao, lote y cantidad de producto final.

 

Tabla 3: Total de materias primas

Material

kg/ao

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

Nitrgeno

49 204

150.013

NaOH (1 M)

2 617 888

7 981.366

Air

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

Fuente: Elaboracin propia

 

e.       Balance general de masa del proceso de produccin de cido ctrico

En el balance general de compuestos se presentan cada una de las sustancias qumicas, impurezas y nutrientes intervienen en todo el proceso de produccin.

La melaza en este balance se encuentra representada como glucosa e impurezas, tambin se presencia un componente NFS, el cual es Nitrgeno, Fsforo y Azufre que es utilizado para efectuar la fermentacin.

 

 

 

f.       Condiciones y variables ptimas de operacin

         Identificacin de los equipos utilizados en el diseo

A continuacin, en la Tabla 4, se presentan los equipos utilizados en los procesos involucrados en la produccin de cido ctrico, con las caractersticas generales para las cuales sirve y el modo de operacin, pudiendo ser este ltimo: por lotes o batch, continuos y semicontinuos.

 

Tabla 4: Equipos utilizados en el diseo

Diagrama

Descripcin

Tanque de mezcla

Este proceso permite realizar mezclas o almacenamiento de lquidos que requieren ser agitados.

Filtro de Placa y Marco

Este proceso se utiliza en la industria qumica, alimentos e industrias ambientales, presenta la filtracin y formacin de la torta mediante remocin de los slidos suspendidos desde una lechada.

Cromatografa de adsorcin de lecho empacado

Este proceso se refiere a cualquier tipo de cromatografa de adsorcin, como es el intercambio inico, afinidad, fases reversas, etc., donde se encuentra una columna de lecho empacado.

Pasteurizacin

Este proceso consiste en la inactivacin de microorganismos y mide la cintica de degradacin de componentes alimenticios.

Fermentador por lote

Operacin tpica en un fermentador, mediante la cual se convierte la biomasa (fuente de carbono) en un producto ms simple, en este caso no necesariamente incluyen reacciones de fermentacin como estequiometria o cintica.

Almacenamiento de Lote en Tanque de Fondo plano

Este equipo permite almacenar productos lquidos, por lo que un sin nmero de procesos lo utilizan.

Filtro Rotario al Vaco

Este diagrama representa la filtracin con generacin de torta de forma continua, produce altos rendimientos.

Neutralizacin

Este equipo representa la neutralizacin de un compuesto cido o bsico.

Cristalizador Continuo

Equipo utilizado para la evaporacin de una capa fina de producto, provocando la cristalizacin de los compuestos de inters.

Secador Rotatorio

Equipo que maneja una gran eficiencia y se utiliza en la industria qumica y de alimentos. El proceso de secado se da directamente con uso de una corriente de gas caliente o indirectamente mediante la utilizacin de vapor en una chaqueta.

Fuente: SuperPro Designer

 

Diseo y simulacin del proceso de produccin de cido ctrico

Para el diseo y simulacin se selecciona el tipo de proceso, en este caso los fermentadores tienen una operacin por lotes, mientras que, el cristalizador opera de forma continua. Luego se debe ingresar todas las sustancias que intervienen en el proceso: materia prima y productos, adems de registrar las mezclas. Posterior a esto, se realiza el diagrama del proceso junto a la secuencia de operaciones para cada equipo. Seguido se procede a revisar los parmetros de los equipos, el costo de los mismos, las caractersticas mecnicas, los aditivos, el rendimiento y si existieran comentarios.

 

Resultados

Validacin de la simulacin

Para la validacin del proceso de produccin de cido ctrico se modelan cuatro procesos, en los que se varan las cantidades de materia prima como es melaza y agua, por tanto, se espera que la cantidad de cido ctrico (producto final) cambie. En las tablas a continuacin se muestran las variaciones para cada modelo.

a.      Modelo 1

Para el modelo 1 se toman cantidades pequeas de materia prima y se obtiene una cantidad razonable de cido ctrico, esto para una planta de produccin pequea, como se muestra en la Tabla 5.

 

Tabla 5: Datos modelo 1

Melaza

Agua

Cristales de cido ctrico

kg/lote

kg/lote

kg/lote

1 000

1000

391.85

Fuente: Elaboracin propia

 

b.      Modelo 2

Para el modelo 2 se toman como referencia las necesidades propuestas por la empresa, se plantean cantidades grandes de materia prima, por tanto, se obtiene una gran produccin de cido ctrico; como se muestra en la Tabla 6.

 

Tabla 6: Datos modelo 2

Melaza

Agua

Cristales de cido ctrico

kg/lote

kg/lote

kg/lote

53 800

42 000

21 081.38

Fuente: Elaboracin propia

 

c.       Modelo 3

Para el modelo 3, se incrementan las cantidades de materia prima de melaza y agua; la produccin de cido ctrico aumenta, como se muestra en la Tabla 7.

 

Tabla 7: Datos modelo 3

Melaza

Agua

Cristales de cido ctrico

kg/lote

kg/lote

kg/lote

67 000

100 000

26 253.76

Fuente: Elaboracin propia

 

d.      Modelo 4

Para el modelo 4, se duplica la cantidad de materia prima referente a los modelos 2 y 3, se mantiene la cantidad de agua a la entrada, la produccin triplica, como se muestra en la Tabla 8.

 

Tabla 8: Datos modelo 4

Melaza

Agua

Cristales de cido ctrico

kg/lote

kg/lote

kg/lote

139 841

100 000

54 796.30

Fuente: Elaboracin propia

 

En la Tabla 9, se muestran los principales valores que se obtienen en la simulacin de los cuatro modelos a evaluarse tanto tcnico como econmico. Se muestran cantidades de materia prima, produccin total de cido ctrico, total de residuos y el resumen de costos para el anlisis econmico.

 

Tabla 9: Datos tcnicos y econmicos de los cuatro modelos simulados

 

Modelo 1

Modelo 2

Modelo 3

Modelo 4

Melaza (kg/ao)

328 000

17 646 400

21 976 000

45 867 848

Agua (kg/ao)

9 465 022

56 701 804

68 777 005

132 331 029

Total de materias primas (kg/ao)

41 374 095

273 654 427

332 131 959

650 162 622

Tasa de produccin Ac. Ctrico (kg/ao)

128 526

6 914 691.48

8 611 233

17 973 185

Tasa de produccin de Ac. Ctrico (ton/ao)

0.128

6 914

8 611

17 973

Costos FOB de equipos ($)

3 505 000

7 018 000

9 693 000

11 436 000

Inversin total de capital ($)

15 592 000

31 460 000

43 171 000

51 872 000

Margen bruto (%)

- 1 417.11

16.09

14.36

35.40

Retorno sobre la inversin (%)

- 17.32

11.28

10.29

24.34

Tiempo de retribucin (aos)

N/A

8.86

9.72

4.11

TIR (%)

N/A

8.05

6.80

21.80

VAN (8%)

- 34 547 000

165 000

- 3 275 000

57 009 000

Fuente: Elaboracin propia

 

En base a la Tabla 9, se define el modelo de simulacin ms ptimo y factible para la produccin de cido ctrico por va de fermentacin con el uso de Aspergillus niger, este modelo es el nmero dos, desde el punto de vista tcnico y econmico, es el proceso ms factible al comparar con los otros tres modelos, porque se tiene una produccin acorde a las necesidades del mercado, la inversin es menor y la ganancia es en un tiempo aproximado de 8 aos.

 

Anlisis estadstico del proceso de produccin viable

Se define el modelo dos como el proceso de produccin ms viable, en base a ste se realiza un anlisis estadstico descriptivo a partir de 25 sub-modelos de simulacin en los que se varan las cantidades de fuente de carbono y agua a la entrada del proceso, que a la vez vara la cantidad final de cido ctrico, como se muestra en la Tabla 9.


Figura 5: Distribucin t-student para el modelo 2

Fuente: Elaboracin propia

 

La Figura 5, indica que el valor que se calcula con la distribucin t-student (-0.92) se encuentra en la zona de aceptacin, es decir, aceptamos la hiptesis nula (h0) en la que se define que la media de simulacin realizada en el rango (3.44 a 27.23) es igual a la media hipottica, que para este caso, se tom al dato de produccin de cido ctrico correspondiente al mejor modelo de simulacin que es de (21.08 Ton/ao). Adems, el anlisis estadstico es muy til para definir la relacin que existe entre la media de produccin y el mejor modelo tanto econmico como tcnicamente definido.

Se puede observar que el modelo escogido, se encuentra entre el nivel de confiabilidad del 95%, como se plante al inicio del estudio estadstico.

 

Estimacin de costos de las operaciones del proyecto

Base de costos

Los resultados de los costos presentados en esta seccin se encuentran en base a costos del ao 2012, en funcin al ao de los costos encontrados en bibliografa y proveedores de equipos. Adems, los costos se encuentran expresados en dlares y en precios FOB (Free On Board).

 

Resumen de costos

En este apartado se presenta el resumen de costos de toda la planta de produccin de cido ctrico, para lo cual cada tem tiene un valor y se encuentra expresado en sus unidades respectivamente.

 

Tabla 10: Resumen de costos

Inversin Total de Capital

31 460 000

$

Costo de Operacin

31 460 000

$/ao

Costo neto de Operacin

11 605 000

$/ao

Ingresos

13 829 000

$/ao

Tasa de Costo Base Anual

6 914 691

kg MP/ao

Costo unitario de Produccin

1.68

$/kg MP

Costo neto de Produccin Unitaria

1.68

$/kg MP

Ingresos de Produccin Unitaria

2.00

$/kg MP

Margen Bruto

16.09

%

Retorno sobre la inversin

11.28

%

Tiempo de retribucin

8.86

Aos

TIR (Despus de Impuestos)

8.05

%

VAN (con 8.0% Intereses)

165 000

$

Fuente: Elaboracin propia

 

En la Tabla 10, el flujo total de la corriente de producto final est representado por MP, mientras que el TIR corresponde a la Tasa Interna de Retorno que se refiere a la rentabilidad que genera un proyecto determinado cuando sus flujos de caja son peridicos. El VAN es el valor actual neto, que es el clculo a valor presente, el dinero que una inversin generar en el futuro.

 

Discusin de resultados

Se realizaron cuatro modelos de simulacin para la produccin de cido ctrico mediante fermentacin con el uso de Aspergillus Nger, en los cuales se varan cantidades de materia prima, tamao de equipos, lo que permite obtener diferentes costos de produccin y la inversin total de la planta.

El diseo del proceso de produccin incluye dos secciones: la seccin de fermentacin utiliza como materia prima la melaza, que es la fuente de carbono (53 800 kg/lote) para esta etapa. A continuacin, en un tanque de mezcla se diluye la melaza (42 000 kg/lote), con el fin de remover los slidos suspendidos (Filtro) y separar los iones metlicos (columna de intercambio inico), es necesario pasteurizar para eliminar los microorganismos no deseados y evitar la formacin de otros compuestos. Al fermentador ingresa tambin una mezcla de sulfato de amonio y nutrientes (nitrgeno, fsforo y azufre), con el fin de mejorar el producto para la siguiente seccin. Con esta mezcla que se prepara y los aditivos se realiza la fermentacin en condiciones aerbicas mediante inculo de Aspergillus Niger, bajo un pH ptimo de 5.8 y una temperatura de 35˚C durante cinco das, hasta obtener el producto final, almacenarlo y dirigirlo hacia la siguiente seccin: la de asilamiento.

En la seccin de aislamiento se elimina la biomasa, subproductos y aditivos residuales (Filtro al vaco rotatorio), obteniendo un lquido libre de slidos (cido ctrico), que por cristalizacin y secado permite obtener el cido ctrico en forma cristalina (21 081.38 kg/lote).

Segn Rivada (2008), en su estudio Planta industrial de produccin de cido ctrico a partir de melazas de remolacha la mejor cepa que permite el crecimiento de Aspergillus Niger es la ATTC 11414, en un pH cido de 5.8 y una temperatura de 30˚C, en la investigacin los fermentadores operan a 35˚C durante cinco das con el fin de producir la cantidad ideal de cido ctrico.

El simulador SuperPro Designer segn Cara, Gmez&Martnez en su estudio Aplicacin de SuperPro Designer en el anlisis de sensibilidad en instalaciones para la produccin de biocombustibles y bioproductos, considera a esta plataforma como una herramienta de anlisis de costes y emisiones, lo que la hace muy verstil para su utilizacin en diferentes asignaturas relacionadas con los procesos fermentativos, ambientales, energas renovables y de produccin qumica; este estudio evidencia el beneficio que representa el simulador al disear el proceso de produccin de cido ctrico por fermentacin con el uso del hongo Aspergillus Niger.

La simulacin permiti desarrollar cuatro modelos, de los cuales el modelo dos result ser el ms ptimo para la produccin de cido ctrico, a este modelo se le aplicaron sub-modelaciones, con estos datos se realiz el anlisis estadstico junto a una t-student (Figura 5), con una confiabilidad del 95% permiti afirmar la relacin existente entre la media simulada (19.72 ton/ao) y la media hipottica ( 21.08 ton/ao) , definiendo una vez ms al modelo dos como el ms factible, debido a que tcnica como econmicamente es el mejor en comparacin a los otros.

Luego de analizar la inversin total de la planta para el modelo dos que es de $ 31 460 000, el Van (Valor neto actual) que es de $ 165 000, el TIR (Tasa interna de retorno) de 8.05% en un tiempo de retribucin del capital de 8 aos. Segn Mete (2014), en su estudio Valor actual neto y tasa de retorno: su utilidad como herramientas para el anlisis y evaluacin de proyectos de inversin, manifiesta que el VAN y el TIR son necesarios para garantizar un correcto anlisis financiero con el fin de asegurar la estabilidad y proyeccin futura de las organizaciones, en este caso los valores del VAN y TIR al ser positivos, indican que el proyecto es rentable, debido a que se recupera el capital y existe ganancia en un tiempo estimado.

El impacto ambiental que produce el proceso es amigable con el medio ambiente, se tiene 141 959 226 kg/ao de residuos lquidos, orgnicos, acuosos y emisiones; los residuos provenientes de aguas de lavado son los que se encuentran en mayor cantidad (103 190 859 kg/ao), por esta razn es importante tratar los residuos previo a su descarga o se puede considerar reusarlos y de esta manera disminuir la contaminacin leve que provocan, el costo total para el tratamiento de residuos es de $ 629 648, que se incluyen en la inversin total.

 

Conclusiones

El diseo del proceso de produccin de cido ctrico por va de fermentacin con el uso de Aspergillus Nger consta de dos secciones: fermentacin y aislamiento. En la seccin de fermentacin se encuentran trece operaciones entre filtracin, mezcla, intercambio inico y fermentacin en s; La seccin de asilamiento cuenta con diez operaciones entre filtracin al vaco, mezcla, cristalizacin y secado.

Se hizo la simulacin del proceso de produccin en cuatro modelos, de los cuales dos no son viables acorde al anlisis econmico (modelo 1 y 3), al reflejar el VAN (valor actual neto) negativo. El modelo cuarto requiere una inversin muy alta, es por esta razn que la mejor opcin es el modelo 2, ms factible y viable, se asemeja ms a un proyecto real que a nivel tcnico y econmico se podra llevar a cabo.

Para que el proceso de produccin de cido ctrico se realice de manera adecuada se debe controlar las condiciones y variables de operacin; para la seccin de fermentacin, las variables a tener en cuenta son: temperatura constante para la mayora de operaciones de 25◦C y a 1 atmsfera de presin. La fermentacin del hongo (Aspergillus Niger), se da a un pH de 5.8; a una temperatura ptima de 35◦C, durante cinco das; se recomienda usar 7 fermentadores para evitar cuellos de botella y lograr que el proceso sea continuo. Para la seccin de aislamiento, la temperatura opera entre un rango ms elevado respecto al anterior (25-110◦C), y la presin es de 1 atmsfera.

La inversin total de capital para el modelo ptimo es de $ 31 460 000; los ndices 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 retribucin de 8 aos, estos valores indican que el proyecto es rentable y es factible invertir.

 

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