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MODELADO Y SIMULACIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO LÁCTICO JUNTO CON EL ANÁLISIS FÍSICO-QUÍMICO Y MICROBIOLÓGICO DEL LACTOSUERO COMO MATERIA PRIMA
Luis Álvaro Barrientos Carvajal
Centro de Estudio de Posgrado e Investigación
I
2024
Español
Español -
Bolivia
Código: DB-08-24
Ubicación Física: B291m/DB-08-24
Carrera: libro.carrera
Título: MODELADO Y SIMULACIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO LÁCTICO JUNTO CON EL ANÁLISIS FÍSICO-QUÍMICO Y MICROBIOLÓGICO DEL LACTOSUERO COMO MATERIA PRIMA
Autor Institucional:
ÍNDICE DE CONTENIDO CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 1.1. ANTECEDENTES........................................................................................................... 1 1.2. OBJETIVOS. .................................................................................................................... 3 1.2.1. Objetivo General. ............................................................................................................. 3 1.2.2. Objetivos Específicos. ..................................................................................................... 3 1.3. JUSTIFICACIÓN. ........................................................................................................... 3 1.4. METODOLOGÍA. ........................................................................................................... 4 1.4.1. Tipo de Investigación. ...................................................................................................... 4 1.4.2. Métodos y Técnicas. ........................................................................................................ 5 1.4.3. Diseño Experimental. ....................................................................................................... 5 1.4.4. Población y Muestra. ....................................................................................................... 6 1.4.5. Criterios de Inclusión y Exclusión. ................................................................................ 6 1.4.6. Instrumentos de Investigación. ....................................................................................... 6 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1. MARCO CONCEPTUAL. .............................................................................................. 7 2.1.1. Lactosuero. ........................................................................................................................ 7 2.1.1.1. Definición.......................................................................................................................... 7 2.1.1.2. Tipos de Lactosuero. ........................................................................................................ 8 2.1.1.3. Obtención del Suero por medio de Coagulación Enzimática. ..................................... 8 2.1.1.4. Especificaciones Fisicoquímicas y Microbiológicas. ................................................... 9 2.1.1.5. Composición Química del Lactosuero. ........................................................................ 10 2.1.2. Ácido Láctico. ................................................................................................................ 12 2.1.2.1. Propiedades Físicas y Químicas del Ácido Láctico. .................................................. 13 2.1.2.2. Producción de Ácido Láctico. ....................................................................................... 14 2.1.2.3. Ventajas y Desventajas de Métodos de Producción de Ácido Láctico. .................... 15 ii 2.1.3. Producción Biotecnológica de Ácido Láctico. ............................................................ 15 2.1.3.1. Fermentación Láctica. .................................................................................................... 16 2.1.3.2. Bacterias Ácido Lácticas. .............................................................................................. 17 2.1.3.3. Bacterias Utilizadas en la Producción de Ácido Láctico. .......................................... 21 2.1.4. Los Microorganismos Productores de Ácido Láctico. ............................................... 23 2.1.4.1. Lactobacillus. .................................................................................................................. 26 2.1.4.2. Streptococcus. ................................................................................................................. 28 2.1.5. Parámetros Importantes durante la Fermentación. ..................................................... 28 2.1.6. Producción de Ácido Láctico con Sustratos Agroindustriales. ................................. 30 2.1.7. Separación y Purificación del Ácido Láctico. ............................................................. 32 2.1.7.1. Métodos de Separación y/o Purificación. .................................................................... 33 2.1.7.1.1. Precipitación. .................................................................................................................. 33 2.1.7.1.2. Extracción con Solvente o Extracción Líquido - Líquido. ........................................ 35 2.1.7.1.3. Separación con Membranas. ......................................................................................... 37 2.1.7.1.4. Destilación Reactiva. ..................................................................................................... 39 2.1.8. Usos Actuales y Aplicaciones del Ácido Láctico. ...................................................... 40 2.1.9. Modelos de Simulación. ................................................................................................ 43 2.1.9.1. Crecimiento Microbiano (X). ........................................................................................ 44 2.1.9.2. Formación de Producto (P). .......................................................................................... 45 2.1.9.3. Consumo de Glucosa (S). .............................................................................................. 45 2.1.10. Simulación del Proceso de Producción. ....................................................................... 46 2.1.10.1. Simuladores Comerciales. ............................................................................................. 47 2.1.10.1.1. Tipos de Simuladores. .................................................................................................... 47 2.1.10.1.2. Logos de los Diferentes Simuladores. .......................................................................... 47 2.1.10.3. Simulador Aspen Hysys. ............................................................................................... 48 2.1.10.3.1. Características Generales. ............................................................................................. 48 2.1.10.3.2. Ventajas y Desventajas. ................................................................................................. 48 2.2. MARCO CONTEXTUAL. ........................................................................................... 50 2.2.1. Instituto de Tecnología de Alimentos ITA. .................................................................. 50 iii 2.2.2. Datos Históricos. ............................................................................................................ 50 2.2.3. Misión. ............................................................................................................................. 50 2.2.4. Visión. .............................................................................................................................. 51 2.2.5. Objetivos Institucionales. .............................................................................................. 51 2.2.6. Objetivos Estratégicos. .................................................................................................. 52 2.2.7. Generalidades de la Unidad Receptora. ....................................................................... 53 2.2.8. Ubicación. ....................................................................................................................... 53 2.2.9. Organización General de la Unidad Receptora. .......................................................... 55 2.2.10. Identificación y Descripción del Departamento y/o Sección en que se realizó las Pruebas Experimentales. ................................................................................................ 56 2.2.10.1. Área de laboratorio de Química de Alimentos, Nutrientes y Toxicología. .............. 56 2.2.10.2. Análisis de Parámetros. ................................................................................................. 57 CAPÍTULO III DESARROLLO 3.1. DEFINICIÓN DEL PRODUCTO ESPECÍFICO. ...................................................... 59 3.1.1. Ácido Láctico. ................................................................................................................ 59 3.1.1.1. Propiedades del Ácido Láctico. .................................................................................... 59 3.2. CARACTERIZACIÓN ESPECÍFICA DE LAS MATERIAS PRIMAS. ................ 61 3.2.1. Lactosuero. ...................................................................................................................... 61 3.2.2. Ácido Láctico Crudo. ..................................................................................................... 61 3.2.3. Metanol. ........................................................................................................................... 62 3.2.4. Agua. ................................................................................................................................ 62 3.3. PROCESO DE ELABORACIÓN DEL PRODUCTO ESPECÍFICO...................... 63 3.3.1. Síntesis Química. ............................................................................................................ 63 3.3.2. Fermentación Microbiana.............................................................................................. 63 3.3.3. Proceso de Producción Industrial de Ácido Láctico................................................... 65 3.3.3.1. Producción de Ácido Láctico Crudo. ........................................................................... 65 3.3.3.2. Esterificación con Metanol. .......................................................................................... 65 3.3.3.3. Purificación del Lactato de Metilo: .............................................................................. 65 iv 3.3.3.4. Hidrólisis del Lactato de Metilo. .................................................................................. 66 3.3.3.5. Refinamiento del Ácido Láctico. .................................................................................. 66 3.3.3.6. Control de Calidad. ........................................................................................................ 66 3.4. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO. ........................................................ 67 3.4.1 Descripción del Proceso por Etapas. ............................................................................ 68 3.4.1.1. Modelado del Biorreactor. ............................................................................................. 68 3.4.1.1.1. Modelo Básico de Crecimiento Exponencial. ............................................................. 68 3.4.1.1.2. Modelo de Crecimiento Logístico. ............................................................................... 69 3.4.1.1.3. Modelo de Crecimiento Logístico en su Forma Integrada. ....................................... 72 3.4.1.1.4. Modelo para la Formación de Producto. ...................................................................... 72 3.4.1.1.5. Modelo de Consumo de Sustrato (Glucosa). ............................................................... 75 3.4.1.2. Modelado del Biorreactor en MATLAB. ..................................................................... 77 3.4.1.2.1. Código en MATLAB para el Crecimiento Logístico. ................................................ 77 3.4.1.2.2. Código de MATLAB para la Formación de Producto. ............................................... 78 3.4.1.2.3. Código de MATLAB para el Consumo de Sustrato. .................................................. 79 3.4.1.3. Caracterización de Equipos. .......................................................................................... 83 3.4.1.3.1. Consideraciones utilizadas por Aspen Hysys. ............................................................. 83 3.4.1.3.2. Entorno de Simulación. ................................................................................................. 83 3.4.1.3.3. Reactor CSTR. ................................................................................................................ 83 3.4.1.3.4. Separador Flash (Separator). ......................................................................................... 84 3.4.1.3.5. Enfriadores y Calentadores (Cooler / Heater). ............................................................ 85 3.4.1.3.6. Bloque de Ajuste (Adjuster). ......................................................................................... 85 3.4.1.3.7. Columna de Destilación. ............................................................................................... 86 3.4.1.3.7.1. Parámetros Básicos de Columna. ................................................................................. 87 3.4.1.3.8. Columna de Destilación Reactiva. ............................................................................... 87 3.4.1.3.8.1. Parámetros Básicos de la Columna de Destilación Reactiva. ................................... 88 3.5. CONTROL DE CALIDAD. .......................................................................................... 89 3.5.1. Materias Primas. ............................................................................................................. 89 3.5.1.1. Análisis Físico-Químico. ............................................................................................... 90 v 3.5.1.2. Análisis Microbiológico. ............................................................................................... 90 3.5.1.3. Técnicas para la Determinación de los diferentes Parámetros y Pruebas. ................ 91 3.5.1.3.1. Proceso de Determinación de Acidez como Ácido Láctico. ..................................... 91 3.5.1.3.2. Proceso de Determinación de pH. ................................................................................ 91 3.5.1.3.3. Proceso de Determinación de Densidad relativa a 20 ºC. .......................................... 92 3.5.1.3.4. Proceso de Determinación de Solidos Totales – Humedad. ...................................... 92 3.5.1.3.5. Proceso de Determinación de Grasas. .......................................................................... 93 3.5.1.3.6. Proceso de Determinación de Proteínas....................................................................... 94 3.5.1.3.7. Proceso de Determinación de Cenizas. ........................................................................ 96 3.5.1.3.8. Proceso de Determinación de Minerales. .................................................................... 97 3.5.1.3.9. Proceso de Determinación de Fosforo. ........................................................................ 97 3.5.1.3.10. Proceso de Determinación de Cloruros. ...................................................................... 99 3.5.2. Productos en Proceso. .................................................................................................. 100 3.5.3. Producto Final............................................................................................................... 101 3.6. PRUEBAS EXPERIMENTALES. ............................................................................. 102 3.6.1. Tablas. ............................................................................................................................ 102 3.6.2. Figuras. .......................................................................................................................... 105 3.6.3. Cálculos. ........................................................................................................................ 108 3.6.3.1. Cálculo de la Lactosa. .................................................................................................. 108 3.6.3.2. Cálculo del Fosforo (P)................................................................................................ 109 3.7. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Y REFERENCIAS. .................................. 111 3.7.1. Interpretación de Resultados de la Simulación en Aspen Hysys. ........................... 111 3.7.1.1. Temperatura (ºC). ......................................................................................................... 111 3.7.1.2. Presión (Atm). .............................................................................................................. 112 3.7.1.3. Flujo Másico (kg/h). ..................................................................................................... 112 3.7.1.4. Flujo Molar (kmol/h). .................................................................................................. 112 3.7.1.5. Fracción Molar – Agua. ............................................................................................... 113 3.7.1.6. Fracción Molar - Ácido Láctico. ................................................................................ 113 3.7.1.7. Fracción Molar - Lactato de Metilo. .......................................................................... 113 vi 3.7.1.8. Fracción Molar – Metanol. .......................................................................................... 114 3.7.2. Interpretación General del Proceso. ........................................................................... 114 3.7.3. Interpretación de la Viabilidad Económica del Proceso. ......................................... 115 3.7.3.1. Consumo de Recursos.................................................................................................. 115 3.7.3.2. Indicadores Económicos. ............................................................................................. 115 3.7.3.3. Utilidades (US$/Año). ................................................................................................. 116 3.7.3.4. Valor Presente Neto (VPN) (US$).............................................................................. 116 3.7.3.5. Recuperación del Costo de Capital. ........................................................................... 117 3.7.4. Interpretación de Resultados del Análisis Bromatológico y Microbiológico. ....... 117 3.7.4.1. Acidez Expresada como Ácido Láctico (%). ............................................................ 117 3.7.4.2. pH. 118 3.7.4.3. Densidad (g/mL). ......................................................................................................... 118 3.7.4.4. Sólidos Totales. ............................................................................................................. 118 3.7.4.5. Cenizas. ......................................................................................................................... 119 3.7.4.6. Lactosa........................................................................................................................... 119 3.7.4.7. Grasa. ............................................................................................................................. 119 3.7.4.8. Proteína. ......................................................................................................................... 120 3.7.4.9. Calcio. ............................................................................................................................ 120 3.7.4.10. Fósforo........................................................................................................................... 120 3.7.4.11. Cloruros. ........................................................................................................................ 121 3.7.4.12. Microbiología. .............................................................................................................. 121 3.7.5. Interpretación de Parámetros Físico-Químicos y Microbiológicos del Lactosuero con Normas en Vigencia. ............................................................................................. 122 3.7.5.1. Acidez Expresada como Ácido Láctico (%). ............................................................ 122 3.7.5.2. pH. 122 3.7.5.3. Densidad (g/mL). ......................................................................................................... 123 3.7.5.4. Sólidos Totales (g/L). ................................................................................................... 123 3.7.5.5. Cenizas (%) ................................................................................................................... 123 3.7.5.6. Lactosa (g/L). ................................................................................................................ 124 vii 3.7.5.7. Grasa (g/L). ................................................................................................................... 124 3.7.5.8. Proteína (g/L). ............................................................................................................... 124 3.7.5.9. Calcio (mg/L). .............................................................................................................. 125 3.7.5.10. Fósforo (mg/L). ............................................................................................................ 125 3.7.5.11. Cloruros (g/L). .............................................................................................................. 125 3.7.5.12. Aerobios Mesófilos Totales (UFC/mL). .................................................................... 126 3.7.5.13. Coliformes Totales (UFC/mL). ................................................................................... 126 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ....................................................................... 127 CONCLUSIONES. ......................................................................................................................... 127 RECOMENDACIONES. .............................................................................................................. 128 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. ...................................................................................... 130 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Propiedades Fisicoquímicas y Microbiológicas del Lactosuero Pasteurizado .......... 10 Tabla 2: Composición Química y Nutricional del Lactosuero ................................................ 10 Tabla 3: Propiedades Físicas y Químicas del Ácido Láctico ................................................... 13 Tabla 4: Ventajas y Desventajas de los distintos Métodos de Producción de Ácido Láctico .. 15 Tabla 5: Principales Enzimas y Mecanismos Metabólicos durante la Fermentación Láctica . 20 Tabla 6: Microorganismos utilizados para Investigaciones Recientes de la Producción Biotecnológica de Ácido Láctico .............................................................................. 22 Tabla 7: Algunos Sustratos diferentes a la Lactosa para la Producción de Ácido Láctico ...... 31 Tabla 8: Ventajas y Desventajas de diversos métodos utilizados para la Separación y Recuperación de AL del Caldo Fermentado ............................................................. 32 Tabla 9: Especificaciones de Calidad del Ácido Láctico ........................................................ 43 Tabla 10: Simuladores más Utilizados en la Actualidad .......................................................... 47 Tabla 11: Datos del Instituto Tecnológico de Alimentos .......................................................... 53 Tabla 12: Propiedades del Ácido Láctico ................................................................................. 59 Tabla 13: BALANCE DE MATERIA DE LAS CORRIENTES .............................................. 81 viii Tabla 14: BALANCE DE ENERGÍA Y UTILITIES ............................................................... 82 Tabla 15: Parámetros Experimentales de las Muestras de Lactosuero ................................... 102 Tabla 16: Datos de la Curva de Calibración para el Fosforo (P) ............................................ 103 Tabla 17: Indicadores Económicos ......................................................................................... 103 Tabla 18: Parámetros Fisicoquímicos y Microbiológicos del Lactosuero con Normas en Vigencia .................................................................................................................. 104 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Estructura Química del Ácido Láctico .................................................................... 12 Figura 2: Estereoformas del Ácido Láctico............................................................................. 12 Figura 3: Álbum Filogenético de Bacterias Ácido Lácticas (LAB) y Bacterias Relacionadas ........................................................................................................... 23 Figura 4: Rutas Metabólicas en LAB para obtener Ácido Láctico. Homofermentación (A), Heterofermentación (B), Fermentación Ácida Mezclada (C), P = Fosfato, BP = Bifosfato, LDH = Lactato Deshidrogenasa, PFL = Liasa Piruvato Formato .......... 25 Figura 5: Diagrama de Usos y Aplicaciones Comerciales del Ácido Láctico ........................ 41 Figura 6: Ubicación del ITA .................................................................................................... 53 Figura 7: Vista General del ITA .............................................................................................. 54 Figura 8: Vista Principal del ITA............................................................................................. 54 Figura 9: Organización General del ITA ................................................................................. 55 Figura 10: Laboratorio de Bromatología .................................................................................. 57 Figura 11: Estéreoformas del Ácido Láctico ............................................................................ 60 Figura 12: Reactor CSTR ......................................................................................................... 83 Figura 13: Separador Flash (Separator) ................................................................................... 84 Figura 14: Enfriadores y Calentadores (Cooler / Heater) ........................................................ 85 Figura 15: Bloque de Ajuste (Adjuster) ................................................................................... 85 Figura 16: Columna de Destilación .......................................................................................... 86 Figura 17: Columna de Destilación Reactiva ........................................................................... 88 Figura 18: Gráfica en MATLAB para el Crecimiento Logístico ........................................... 105 ix Figura 19: Gráfica de MATLAB para la Formación de Producto .......................................... 106 Figura 20: Gráfica de MATLAB para el Consumo de Sustrato ............................................. 107 Figura 21: Gráfica de la Curva de Calibración para el Fosforo (P) ....................................... 107 ÍNDICE DE DIAGRAMAS Diagrama 1: Diferentes Vías de Producción de Ácido Láctico .............................................. 14 Diagrama 2: Ruta Metabólica de la Fermentación Homoláctica ............................................ 19 Diagrama 3: Parámetros Importantes durante la Fermentación Homoláctica ........................ 29 Diagrama 4: Reacciones Químicas Involucradas y el Diagrama General de Proceso de la Separación Mediante Precipitación .................................................................... 34 Diagrama 5: Diagrama del Proceso de Separación mediante Extracción Liquido-Liquido ... 36 Diagrama 6: Diagrama General de Proceso de la Separación mediante Membranas ............. 38 Diagrama 7: Diferentes Vías de Producción de Ácido Láctico .............................................. 63 Diagrama 8: Métodos de Producción de Ácido Láctico. (a) Síntesis Química, (b) Fermentación Microbiana. (SSF) Sacarificación y Fermentación Simultánea ......................... 64 Diagrama 9: Proceso de Producción de Ácido Láctico........................................................... 67 Diagrama 10: SIMULACIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO LÁCTICO - ASPEN HYSYS V 14.2 ..................................................................................... 80 ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 1: Forma Diferencial del Modelo de Crecimiento Logístico .................................... 44 Ecuación 2: Forma Integrada de la Ecuación de Crecimiento Logístico ................................. 44 Ecuación 3: Modo Diferencial de la Ecuación de Luedeking-Piret ......................................... 45 Ecuación 4: Ecuación de Consumo de Glucosa ....................................................................... 46
Este proyecto tiene como objetivo modelar y simular el proceso de producción de ácido láctico utilizando lactosuero como materia prima, con un enfoque en la evaluación físico-química y microbiológica del lactosuero. Para ello, se seleccionó un proceso basado en la esterificación del ácido láctico con metanol, seguido de etapas de separación y purificación. Se desarrollaron modelos cinéticos para describir el crecimiento de biomasa, el consumo de sustrato y la producción de ácido láctico en un biorreactor, y se simularon las etapas del proceso en Aspen Hysys utilizando parámetros optimizados. Los resultados de la simulación indicaron que es posible obtener ácido láctico en concentraciones del 99% tras las etapas de purificación, destacando la importancia de variables operativas como la temperatura y el flujo de metanol para la eficiencia del proceso. A nivel de materias primas, se evaluaron dos tipos de lactosuero, el Lactosuero A y el Lactosuero B, desde una perspectiva físico-química y microbiológica. Ambos resultaron viables para la producción de ácido láctico; sin embargo, el Lactosuero B, con mayor contenido de lactosa, sólidos totales y nutrientes esenciales, cumple con las normas vigentes, lo que permite mejorar el rendimiento de la fermentación, llegando a ser la opción más prometedora. Desde el punto de vista económico, el proceso muestra viabilidad financiera, proyectando ingresos anuales y una rápida recuperación de la inversión. Además, el uso de lactosuero no solo reduce los costos de materia prima y mejora la sostenibilidad ambiental del proceso, sino que también ofrece una solución a la problemática de los residuos en la industria láctea. Este proyecto establece las bases para una producción industrial eficiente y sustentable de ácido láctico, promoviendo el aprovechamiento de recursos locales y la reducción del impacto ambiental, alineándose con las tendencias actuales de la economía circular en la industria.