Diseño de un proceso continuo para la obtención de lactoproteinas

Enviado por ROLANDO GONZALEZ VILLA

LISTA DE ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

Símbolo o Abreviatura Significado

% Porcentaje

°CGrados Celsius

T. Temperatura

°BxPorcentaje Grados Brix

L. Lactobacillus

pHPotencial de Hidrogeno

μ Micrones

Gr.Gramos

Mg.Miligramos

DBODemanda Bioquímica de Oxigeno

Mg/Lt Miligramos por Litro (Unidad de Medida)

DtDaltons

NaClCloruro de Sodio

InPulgadas

RNúmero de Reynolds

NTKCantidad de Nitrógeno

NaOH Hidróxido de Sodio

STSólidos Totales

H2SO4Ácido Sulfúrico

VVolumen

PPresión

HAltura

DDiámetro

mmHg Milímetros de Mercurio

∫Densidad

g Gravedad

NNormalidad

GLOSARIO

Deflector: Mecanismo utilizado para desviar la dirección de un fluido.

Digestor Bucher : Aparato usado para la determinación del porcentaje de proteinas en un alimento.

Flora Intestinal: Cantidad natural de microorganismos presentes en el tracto intestinal.

Heterofermentación: Obtención de varios productos del proceso de fermentación.

Homofermentación: Obtención de un solo producto del proceso de fermentación.

Medrar: Proceso de crecimiento de microorganismos y plantas.

Microaerofilo: organismo que requiere poca cantidad de oxigeno para su metabolismo.

Pleomorfismo: Formas irregulares de un microorganismo.

Serpentín: sistema de tuberías que transporta alguna clase de liquido o gas.

INTRODUCCION

La utilización de la leche siempre ha sido una de las formas más antiguas para el ser humano, ya que se obtiene directamente de las glándulas mamarias de las hembras de los mamíferos.

A partir del procesamiento de la leche se obtienen una gran variedad de productos y subproductos dentro de los cuales encontramos el suero dulce de quesería. Este elemento a pesar de ser rico en nutrientes para el ser humano, no se ha desarrollado una tendencia muy marcada para su utilización y aprovechamiento en pos de la salud, desperdiciando entonces los altos niveles de proteínas que en ellos se guarda, por el contrario esta siendo desechado de manera descontrolada, causando además una contaminación ambiental.

Estos factores influyeron en la realización del proyecto, utilizando una técnica de obtención de proteínas llamada Biotecnología, los cuales son utilizados primordialmente para procesos dentro de la industria farmacéutica y tratamiento de aguas residuales.

La combinación de procesos con bioreactores y las facultades fermentativas de algunos microorganismos como el Lactobacillus Acidophillus permitirá obtener el máximo rendimiento en la producción de lactoproteínas encontradas en el suero dulce de quesería, proteínas como Lactoalbumina y la Lactoglobulina cuyo contenido de aminoácidos esenciales azufrados (cisteina y metionina) las hacen un factor importante para la nutrición humana.

Por otra parte, los bioreactores son un sistema que permite realizar un intercambio de masa entre los productos que van a mezclarse y la biomasa que se encuentra dentro del bioreactor. Estos bioreactores pueden ser tanques o recipientes de acero inoxidable, conformados por un eje vertical que produce una mezcla completa y homogénea de los elementos dentro del mismo, bien sea con flujos radiales, axiales o rotativos (este factor depende del tipo de reacción que se busque dentro del proceso).

El bioreactor puede ser diseñado acorde a las necesidades establecidas para la reacción, se puede incluir elementos para el mezclado, termostatización, suministro de oxigeno, entrada para adición de nutrientes, control de pH, etc. Para el diseño de los birreactores se debe tener en cuenta además de la velocidad de reacción, la tasa de transferencia de oxigeno, debido a las características de baja solubilidad del oxígeno en un medio liquido. Este factor puede convertirse en un limitante para el desarrollo y crecimiento de los microorganismos.

Los microorganismos que utilizaremos son del genero Lactobacillus y particularmente de la especie Lactobacillus Acidophillus. Los lactobacillus son bacillos microaerofilos, positivos a la tinción de Gram y negativos ante la prueba de la Catalasa, estos organismos son formadores de ácido láctico al momento de fermentar los azucares presentes en el medio, pueden ser de dos tipos:

Los homofermentativos que solo producen ácido láctico como resultado de su metabolismo dentro de los cuales encontramos el Lactobacillus Caucasicus, Lactobacillus Bulgaricus, Lactobacillus Lactis, Lactobacillus Acidophillus y Lactobacillus Delbruekii.

Los heterofermentativos que, además de ácido láctico, producen dióxido de carbono, etanol y otra serie de productos volátiles, tienen la facultad de crecer a temperaturas elevadas mayores de 45 °C, entre los Bacilos heterofermentativos tenemos al Lactobacillus Fermenti

MARCO TEORICO

GENERALIDADES DE LA LECHE.

La leche es un alimento que contiene una serie de nutrientes necesarios para el desarrollo y crecimiento tanto de los animales como de los seres humanos y primordialmente para los recién nacidos. La leche en si es una emulsión de aceite en agua que contiene de 3.5 a 4 % de grasa y dentro de la fase grasosa podremos encontrar vitaminas liposolubles, fosfolípidos, carotenoides y colesterol, mientras que en la fase acuosa se albergan las proteínas, sales minerales, el azúcar de la leche y las vitaminas hidrosolubles. La composición exacta de la leche puede variar de acuerdo a factores como la raza del animal, la alimentación e inclusive el momento del ordeño.

De los componentes de la leche, la grasa se presenta en forma de gotitas con diámetros entre 5 y 10 μ, y esta emulsión, que es estable, confiere a la leche una mayor viscosidad, los triglicéridos de la grasa de la leche contiene varios ácidos grasos combinados, sin embargo, relativamente pocos están presentes en cantidades significativas, entre los cuales tenemos el Acido Butílico, Acido Laurico, Acido Linoleico y Acido Linolenico presentes como ácidos grasos poliinsaturados.

De las proteínas de la leche podemos decir que se dividen en dos grupos principales: el complejo caseinico que se encuentra en la leche en estado coloidal y las proteínas séricas. En una leche normal el contenido medio de proteínas es de 30-35 gramos por litro, lo que representaría el 95 % del Nitrógeno Total de la leche

La caseína es el compuesto proteico de mayor abundancia en la leche, que esta constituida por cadenas de aminoácidos que forman una molécula de ella. Una molécula de caseína esta formada aproximadamente por el 40 % de -caseína, un 35 % de ß-caseína, el 15 % de caseína κ y el 10 % restante esta conformado por componentes minoritarios.

La caseína presenta cuatro variantes cuyas funcionalidades son utilizadas en la elaboración de quesos y producción de los olores y sabores característicos de este, gracias a la capacidad de hidrolización de las cadenas de aminoácidos que la conforman.

Características del Suero Dulce de Quesería.

La composición del suero dulce de quesería varía de acuerdo con el tipo de queso elaborado, y por lo tanto el contenido de proteínas, sales, ácidos grasos, etc. Los sueros procedentes de la elaboración de quesos blandos son mas ácidos que los sueros obtenidos durante el corte de la cuajada de los quesos texturizados.

El suero de leche es un subproducto que contiene muchos de los componentes de la leche lo que lo convierte en un elemento altamente contaminante para los cuerpos de agua cercanos a la planta de producción, la demanda bioquímica de oxigeno, DBO5 es de 107.708 mg/Lt (resultado de una prueba realizada en el laboratorio) causada principalmente por la lactosa o azúcar de la leche. Como el tratamiento de este subproducto no es económico se han desarrollado técnicas para su procesamiento tales como su deshidratación, producción de refrescos, alcoholes y conversión del azúcar en ácido láctico, el cual es un valioso producto tanto para la industria alimenticia como para la industria farmacéutica.

Proteínas del Suero Dulce.

Las sustancias nitrogenadas que encontramos en el suero dulce son principalmente la β lactoglobulina y la α lactoalbumina. Estas proteνnas constituyen aproximadamente un 20 % del total de la proteína láctea, son mas hidratadas que la caseina y su composición en aminoácidos es muy diferente a estas, contiene menos ácido glutámico y prolina pero son mas ricas en aminoácidos azufrados (cisteina y metionina), además la α lactoalbumina contiene importantes cantidades de triptofano. La molécula de β lactoglobulina no sufre modificaciones en su conformación estructural cuando varia el pH, lo que denota una estructura compacta, globular, estable en la cual están incluidos los grupos ionizados, un estudio similar arrojó los mismos resultados sobre la α lactoalbumina.

β Lactoglobulina.

Esta proteína posee una estructura tridimensional cuya secuencia esta conformada del 10 al 50 % por hélices α, del 20 al 30 % por dobles enlaces β, del 50 al 60 % de curvas β y de estructuras no ordenadas. La reparticiσn de los residuos no polares, polares e ionizados es uniforme, los residuos hidrófobos están ubicados en el seno de la molécula, lo que limita su interacción con otras moléculas proteicas. Sin embargo, las moléculas de β lactoglobulina pueden asociarse con otras dependiendo del pH del medio así: A pH 6.6 se convierten en dímeros, estos se polimerizan en octameros cuando el pH varia de 5.2 a 3.5; cuando el pH es muy bajo la proteína se monomeriza.

La β lactoglobulina esta conformada por 162 aminoαcidos y una masa molar de unos 18.000 Dt, con 5 Cisteinas que le permiten crear puentes disulfuros ( s-s- ) intra o intermoleculares, que permiten la estabilidad de los dimeros. La presencia simultánea de dos uniones disulfuros y de un grupo Tiol libre genera una estructura espacial rígida, este grupo tiol puede estar ubicado entre los residuos 119 y 121; uno de los enlaces disulfuro estaría ubicado entre los residuos Cis 66 y Cis 16, y el segundo entre los residuos Cis 106 y Cis 119.

Esta proteína hace parte de los nutrientes esenciales para la salud humana que contribuyen a un mejor desempeño de los procesos metabólicos que tiene lugar dentro del organismo.

En la Figura No. 1 se muestra la estructura primaria de la β Lactoglobulina.

α Lactoalbumina.

Esta proteína presente en una cantidad aproximada de 0.7 gr/Lt en el suero dulce, al igual que la β lactoglobulina, es una proteína globular, posee 123 aminoacidos de los cuales ocho (8) son Cisteinas que forman cuatro uniones o puentes disulfuros que la asemeja a la estructura tridimensional de la lisosima.

Su papel esencial es el de intervenir en la síntesis de la lactosa al modificar la actividad de la enzima galactosiltransferasa que une la U.D.P.-Galactosa a la glucosa, como no existe un grupo Tiol libre, laα lactoalbϊmina es poco susceptible para participar en cambios de enlaces disulfuros, salvo a altas temperaturas como continuación de la ruptura de enlaces naturales. La figura No. 2 muestra la estructura básica de la  Lactoalbumina.

Esta proteína tiene un valor biológico importante para el desarrollo de todas las funciones primordiales de desarrollo del ser humano dentro de su nutrición.

DETERMINACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS

Definitivamente para el procesamiento de productos lácteos los mejores organismos existentes son los Lactobacillus gracias a sus características de usar la lactosa presente en la leche o sus derivados como su principal fuente de carbono para producir energía en su metabolismo. Las bacterias lácticas usan la energía para transferir la lactosa o azúcar de la leche a través de su membrana celular, la lactosa es metabolizada en ácido láctico y algunas especies también en ácido acético, etanol y dióxido de carbono.

Lactobacillus

Son bacilos microaerófilos, gram positivos y catalasa negativos, estos organismos forman ácido láctico como producto principal de la fermentación de los azúcares. Los lactobacillus homofermentativos dan lugar a ácido láctico como producto principal de fermentación. Este grupo está integrado por Lactobacillus Caucasicus, Lactobacillus Bulgaricus, Lactobacillus Lactis, Lactobacillus Acidophilus y Lactobacillus Delbrueckii. Los Lactobacillus heterofermentativos producen además de ácido láctico, dióxido de carbono, etanol y otros productos volátiles; Lactobacillus Fermenti es heterofermentativo y es capaz además, de dar buen crecimiento a temperaturas elevadas (45 ºC,).

Morfológicamente, algunos bacilos son bastones delgados y largos; otros son algo parecidos al colibacilo, pero, al contrario de este, todos son grampositivos. Casi todos son inmóviles, pero se han señalado excepciones.

Muchos cultivos muestran una forma diplobacilar característica. Frecuentemente los cultivos viejos muestran un considerable pleomorfismo.

Los lactobacillus son microaerófilos o anaerobios, pero después de cultivos continuos, algunas cepas pueden desarrollarse en presencia de aire. Sus necesidades nutritivas son complejas, y la mayor parte de las cepas no puede cultivarse en los medios nutritivos ordinarios, a menos que se enriquezcan con glucosa y suero. Las necesidades individuales de aminoácidos varían de 2 a 15; en general, se requiere piridoxina, tiamina, riboflavina, biotina, ácido fólico y ácido nicotínico, variando las necesidades en cada caso. Estos requerimientos nutritivos variados tienen aplicación práctica en técnicas de dosificación microbiológica de vitaminas y de algunos aminoácidos, para los cuales son mas sensibles que los métodos químicos disponibles. En concentración adecuada, hay cierta relación definida, incluso lineal, entre la concentración de vitamina en un medio de cultivo adecuado, pero exento de vitamina, y el desarrollo de la cantidad de ácido producido.

Algunos bacilos forman parte de la flora intestinal normal y pueden predominar en lactantes e individuos con ingestión elevadas de azúcares, especialmente lactosa. Se supuso que la flora intestinal de lactobacillus era preferible a una flora proteolítica de coliformes, ya que tendía a inhibir los trastornos degenerativos aumentando la vitalidad en personas de edad avanzada, y que esa flora podía establecerse consumiendo leches fermentadas o leches búlgaras y acidófilos.

De esta manera puede alterarse la composición de la flora intestinal, y también mediante el consumo de cantidades equivalentes de leche azucarada, pero el cambio es pasajero, y no está demostrado que esa flora intestinal por sí misma favorezca la salud Aunque se han encontrado raros casos de relación de lactobacillus con procesos patológicos como endocarditis y enfermedad febril, estas bacterias esencialmente no son patógenas, excepto las raras veces que pueden relacionarse con caries dentales. Son fundamentalmente interesantes en la industria de derivados lácteos y de fermentación, donde tienen importancia considerable. La Figura No. 3 muestra varias clases de Lactobacillus

La clasificación de los Lactobacillus se ha basado en la fuente de donde se aislaron.

Los Lactobacillus según los productos de la fermentación del azúcar, se dividen en dos grupos. El grupo homofermentativo que es el mayor y convierte casi completamente el azúcar fermentada existente en el medio en ácido láctico y el grupo heterofermentativo que está constituido por formas que producen cantidades importantes de otros productos de fermentación, incluyendo dióxido de carbono, etanol y ácido acético.

En tanto el estudio de aglutinógenos es complicado, por la neta tendencia del lactobacillus a la aglutinación espontánea en solución salina, entre los lactobacillus heterofermentativos son demostrables diez diferentes aglutinógenos, junto con algunos antígenos menores compartidos junto con la especie Leuconostoc. Existen una gran variedad de Lactobacillus que se presentan en la tabla No 4. Entre las especies más diferenciables por reacciones fisiológicas mencionamos solo dos: Lactobacillus Acidophillus y lactobacillus Bulgaricus

Lactobacillus Bulgaricus.

Este nombre se asignó a un organismo aislado por Grigoroff, en 1905, de leche búlgara fermentada. Ganó importancia por los trabajos de Metchnikoff quien creía que la putrefacción intestinal podía reprimirse bebiendo leche fermentada por este microorganismo.

Esta especie consiste en bacilos potentes que miden de 2 a 5 micras de largo, que se encuentran aislados o en cadenas. Al ser teñidos con azul de metileno, los bacilos presentan gránulos de volutina, por lo cual la bacteria también recibe el nombre de la "bacteria granulosa". La temperatura óptima es de 40 – 45 ºC, la máxima 52 ºC y la mínima 22 ºC.

El ácido láctico formado es levógiro. La lactosa casi es el único azúcar fermentado por esta bacteria en el sustrato C + Y; fermenta la fructosa, glucosa y manosa en el sustrato 2C. La sacarosa y maltosa no son fermentadas en ningún sustrato. La bacteria medra bien en leche y es capaz de producir hasta un 2 % de ácido.

En contraposición a L. Acidophilus, L. Bulgaricus no es bacteria intestinal, sino una típica bacteria de la leche. Por ello, no precisa adición de autolisado de levadura a la leche; el autolisado de levadura., llega a inhibir incluso el crecimiento, lo cual se desprende también de los resultados de cultivos en los substratos C + Y.

Cuando más tarde se demostró que L. Bulgaricus no se implantaba en el intestino, se utilizó en terapéutica experimental el L. Acidophilus. Es mas difícil de cultivar que este, ligeramente mas voluminoso y algo diferente en la fermentación de azúcares; sin embargo, se relacionan estrechamente.

Se ha señalado que L. Bulgaricus raramente se desarrolla a 15 ºC, muere en cultivos repetidos en caldo de lactosa – peptona – levadura, es incapaz de desarrollarse en medio que contengan 2.5 por 100 de NaCl y no crece en caldo a pH de 7.8, en tanto que L, acidophilus puede crecer en todas estas condiciones. El bacilo de Boas – Oppler, visto por primera vez en 1895 en jugo gástrico de pacientes con carcinoma gástrico, es miembro de este grupo, semejante, sino idéntico, a L. Bulgaricus.

Lactobacillus Acidophillus.

Este organismo, cultivado por primera vez por Moro en 1900, a partir de heces de lactante, ha sido aislado del intestino de casi todos los mamíferos, muchos otros vertebrados y algunos invertebrados. Su cantidad aumenta en el intestino cuando aumenta el contenido de carbohidratos en la dieta; pueden ser predominantes cuando se ingiere una dieta láctea.

Estos bacilos, bastante gruesos y de longitud variable, se disponen aislados, a pares frecuentemente algo flexionados en la unión, y en empalizadas. Las cadenas largas, las formas filamentosas y las formas en maza no son raras. Los cultivos jóvenes se tiñen uniformemente grampositivos; los cultivos viejos, a menudo muestran coloración listada o bipolar y pueden decolorarse fácilmente.

Las colonias, generalmente pequeñas, pueden variar en su forma: de la opaca, redonda y lisa a la aplanada, translúcida e irregular, frecuentemente con aspecto de cristal. Las reacciones de fermentación son variables, pero la mayor parte de cepas producen ácido pero no gas, a partir de glucosa, lactosa, maltosa y sacarosa y coagulan la leche en 48 horas. El bacilo de Döderlein (1892), miembro común de la flora vaginal, que se cree ayuda a las defensas naturales contra la infección por contribuir a la acidez de las secreciones vaginales, parece ser idéntico a L. Acidophillus.

Desde el punto de vista morfológico, L. Acidophillus tiene semejanzas con la especie precedente. Los bacilos son, en esencia, del mismo tamaño, miden unas 2 – 6 micras de largo, y a veces están algo redondeados en los extremos. Se encuentran aislados o en cadenas cortas. La temperatura óptima es de unos 37 ºC, la máxima de unos 43 – 48 ºC. Por debajo de los 20 º C no se registra crecimiento alguno.

Esta especie fermenta la sacarosa, y por regla general, la rafinosa en el substrato C + Y (por lo cual se diferencia de L. Helveticus). En leche con autolisado de levadura se produce hasta un 2 % de ácido.

L. Acidophilus es una bacteria intestinal típica, que se encuentra en las heces fecales del hombre (casi siempre de los niños y muy escasamente en los adultos) y también de algunos mamíferos. A partir de las heces de niño se puede aislar mediante el método de enriquecimiento.

CONCENTRACIÓN DEL SUERO DULCE

Los procesos de concentración del suero dulce de quesería se llevan a cabo a través de la técnica de evaporación del agua presente en el producto sometiéndolo a una temperatura que permita su conversión a vapor de agua, sin dañar las proteínas presentes en el suero y sobre todo la calidad de ellas, por lo tanto se hace necesario la utilización de un sistema de vacío para alcanzar este objetivo.

La concentración del suero dulce debe realizarse sobre los parámetros mas convenientes para lograr el objetivo principal de la obtención de las proteínas del suero dulce, para eso primeramente es necesario conocer lo mayor posible sobre las técnicas de evaporación y los equipos que para ello existen.

Sistemas de Evaporación.

La evaporación es el proceso por el cual se logra concentrar una solución consistente en un soluto no volátil y un solvente volátil, el cual en la mayoría de las ocasiones es agua. La evaporación se realiza convirtiendo una parte del solvente en vapor para producir una solución concentrada de soluto. La evaporación difiere del secado en que el resultado del proceso es un líquido y no un sólido como en este ultimo; la diferencia con la destilación es que el vapor es generalmente un solo componente, incluso cuando este sea una mezcla al principio.

Cuando se va a evaporar un liquido se debe tener en cuenta algunos de los aspectos mas relevantes de la propiedades de la sustancia con respecto al proceso como por ejemplo la concentración, la formación de espuma, la sensibilidad, la temperatura y las reacciones de este con los materiales de construcción del equipo.

El principio de funcionamiento de los evaporadores esta basado en un sistema de transferencia de calor a través de las tuberías en contacto con el producto. La mayoría de los evaporadores trabajan con vapor de agua que condensa sobre los tubos, el líquido a concentrarse fluye dentro de los tubos optimizando así el intercambio de calor.

Si este proceso se aplica solo una vez el vapor procedente del líquido en ebullición se condensa y es desechado, este método se denomina de simple efecto y es muy sencillo de utilizar pero su rendimiento con respecto al vapor no es el máximo que este puede dar ya que estaría perdiéndose una gran capacidad de absorción de calor.

Si el vapor procedente de este evaporador se utiliza para concentrar un producto en un segundo evaporador se estaría ahorrando el 50 % del vapor de agua necesario para alcanzar los objetivos de concentración del aparato, este método se conoce como evaporación de doble efecto. Si este procedimiento se repitiera varias veces mas se denominaría evaporación de múltiple efecto y serviría para economizar mucho más el gasto de utilización de vapor de agua para tal fin.

Tipos de Evaporadores.

Los evaporadores tubulares calentados por vapor de agua son los más utilizados en la actualidad y existen de dos tipos, evaporadores de tubos largos verticales bien sean de flujo ascendente, flujo descendente o de circulación forzada; y evaporadores de película agitada. Estos evaporadores se pueden operar como unidades con un paso o como aparatos de circulación continua.

En los sistemas de evaporación de un solo paso el líquido de alimentación circula solo una vez a través de la tubería, libera el vapor y sale de la unidad con una concentración mayor a la inicial, esto significa que para alcanzar las concentraciones requeridas del liquido de alimentación se debe utilizar una mayor temperatura de evaporación lo que conllevaría a un maltrato térmico del producto, sin embargo, este método puede ser satisfactoriamente aplicado en los evaporadores de múltiple efecto donde la concentración final puede ser conseguida a través de dos o mas efectos.

Este tipo de evaporadores de un solo paso son ideales para productos con cierta sensibilidad al calor o con productos que se quieran conservar en sus características básicas iniciales, al operar estos evaporadores a vacío se puede lograr que las temperaturas necesarias para la concentración no sean tan elevadas.

En los evaporadores de circulación se mantiene una masa de líquido dentro del equipo, la cual se combina con el líquido alimentador del sistema lo que origina una mezcla de las concentraciones existentes en ella. El liquido no evaporado se descarga de los tubos, retorna al equipo de forma que en cada paso ocurre solamente una parte de la evaporación total, lo que constituye el principio básico del método de múltiple efecto donde en cada efecto se logra la concentración necesaria para que al final se alcance el objetivo inicial.

Evaporador de Tubos con Flujo Ascendente.

Este tipo de evaporadores tiene una estructura sencilla que consta de un intercambiador de calor tubular con vapor de agua en el lado de la coraza y el liquido que se desea concentrar circulando por el interior de los tubos, un separador o espacio de vapor para quitar el liquido arrastrado por el vapor y si se necesita se puede adaptar un sistema de recirculación para el liquido.

Existen entradas para el líquido de alimentación y el vapor de calentamiento y salidas para el vapor, la solución concentrada, el vapor condensado y los gases no condensables procedentes del vapor de calentamiento. Estas tuberías generalmente están diseñadas en acero inoxidable con un diámetro de dos pulgadas (2 In) que permite la circulación del producto a utilizar hacia arriba a medida que se va evaporando. Un diseño promedio se muestra en la Figura No 4.

Evaporadores de Película Descendente

Este tipo de evaporadores es funcional para productos sensibles al calor que requieran un tiempo de exposición al calor relativamente corto. En este tipo de evaporadores el líquido entra por la parte superior del equipo, desciende por el interior de los tubos calentados con vapor de agua como una película y sale por el fondo con una concentración mayor. En estos equipos, los tubos son largos y con un diámetro entre dos y diez pulgadas (2 – 10 In).

El vapor proveniente del liquido generalmente es arrastrado hacia abajo con el mismo y salen por el fondo del aparato. Para lograr que el producto descienda en forma de película se colocan una serie de placas perforadas metálicas sobre una placa tubular en la parte superior del equipo. Para una máxima transferencia de calor, el Numero de Reynolds (R) de la película descendente debe ser superior a dos mil (2.000) en todos los puntos de los tubos.

Evaporadores de Circulación Forzada.

Estos evaporadores trabajan con el mismo principio de los anteriores solo que las velocidades lineales con que se trabaja no permiten una tasa de transferencia de calor global muy alta por lo tanto al adaptar una bomba centrifuga que impulse el liquido a través de los tubos para que entre con una velocidad mayor existirá un mayor coeficiente global de transferencia de calor que económicamente sea satisfactorio. Las tuberías están sometidas a una carga estática que asegura que no se produzca ebullición dentro de ellos.

El liquido comienza a sobrecalentarse a medida que se reduce la carga estática con el flujo desde el calentador hasta el espacio de vapor generando una mezcla de vapor y liquido a la salida del intercambiador antes de entrar al cuerpo del evaporador donde se ubica un placa deflectora que manda el liquido a la entrada de la bomba y el vapor hacia la parte superior del equipo que lo dirige hacia el siguiente efecto.

Evaporadores de Película Agitada.

Debido a que la principal resistencia a la transferencia de calor global la proporciona el líquido se ha diseñado este sistema de evaporación que utiliza la agitación mecánica par reducir esta resistencia. Este tipo de evaporadores funcionan de manera similar al evaporador de película descendente con un solo tubo enchaquetado que contiene el agitador interno.

El liquido entra por la parte superior de la sección enchaquetada y se dispersa en forma de película altamente turbulenta mediante las palas verticales del agitador, el concentrado sale por la parte inferior de esta sección, el vapor asciende hasta un separador no enchaquetado donde las palas del agitador dirigen el liquido arrastrándolo hacia afuera haciéndolo chocar con unas placas estacionarias. Este tipo de evaporadores es usado para concentrar líquidos moderada y altamente viscosos. Podemos observar el diseño en la Figura No. 5.

DISEÑO DEL PROCESO

El diseño teórico del proceso es basado principalmente en la consecución del modelo del bioreactor a ser utilizado. El bioreactor es sin duda alguna uno de los equipos mas fundamentales e importantes de la microbiología industrial, es el lugar donde se realizan procesos biológicos y su diseño debe asegurar unas condiciones adecuadas para el desarrollo de los microorganismos.

Los objetivos del bioreactor son los de mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen del cultivo a fin de prevenir la sedimentación o la flotación, mantener constante la temperatura, suministrar oxigeno a una velocidad precisa con el microorganismo y conservar el cultivo puro, es decir que una vez que sea esterilizado el equipo y sembrado el microorganismo, no permita contaminación, para cumplir esto objetivos, el bioreactor debe ser hermético, con un sistema de agitación y un sistema de inyección de aire.

Generalmente en el diseño de un bioreactor con agitación mecánica este esta provisto de un eje con turbinas accionado por un motor, el aire se inyecta por la parte inferior del tanque y es distribuido por una corona que tiene pequeños orificios espaciados regularmente. El chorro de aire es golpeado por las paletas de la turbina inferior generándose de este modo miles de pequeñas burbujas de aire desde las cuales difunde el oxigeno hacia el seno del liquido.

El sistema de agitación se completa con cuatro o seis deflectores que tienen por finalidad cortar o romper el movimiento circular que imprimen las turbinas al líquido, generando mayor turbulencia y mezclado.

Existe otro tipo de diseño de bioreactor llamado "bioreactor del tipo Air Lift" que utiliza la turbulencia generada por el aire inyectado para lograr una agitación que permita la uniformidad de la mezcla de los microorganismos con el suero. Este sistema esta constituido por un cilindro con dos placas deflectoras a los lados cerca de la pared, el aire es inyectado por la parte inferior de este creando una circulación de líquido ascendente en el compartimiento interno y una circulación descendente en el lado externo de las placas, lo que favorece el mezclado.

Estos reactores van acompañados por un serpentín que regula la temperatura de trabajo, la presión del flujo de aire debe ser lo suficientemente fuerte para vencer la presión ejercida por la columna de liquido sobre la base del cilindro.

RESULTADOS

Luego de realizar satisfactoriamente todas las pruebas, análisis y procesos que se hicieron necesarios para el desarrollo del proyecto se obtuvieron los resultados y con base a ellos se formularon las conclusiones y se plantearon las recomendaciones necesarias a futuro.

Características Del Suero Dulce De Quesería

La muestra que se utilizó es el derivado del proceso de elaboración del queso llamado suero dulce de quesería. Los análisis bromatológicos de este suero fueron realizados en el laboratorio de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas de la Universidad de Cartagena.

A un litro fresco de suero dulce de quesería, con una temperatura de 10°C y pH de 6.5 se le realizaron análisis de DBO5 para determinar cuan contaminante podría ser para los cuerpos de agua; análisis de NKT, Nitrógeno Total para determinar la cantidad de proteína existente; análisis de Fósforo Total; Humedad; Grasa; Hierro con el fin de conocer los valores nutricionales del suero. Luego de realizados los análisis anteriores se obtuvieron los siguientes resultados:

DBO5 mg/L: 107.708.08

NKT, Nitrógeno Total %: 1.4

Fósforo Total mg/L: 579.50

Humedad % : 93.54

Grasa mg/L: 979.25

Hierro mg/L : 0.078

De estos resultados cabe destacar la cantidad de proteína expresada en porcentaje que se obtuvo de la muestra inicial.

Determinación De Microorganismos.

En este punto se hizo una comparación entre los dos microorganismos lácticos mas reconocidos en la industria de alimentos cuyas características fisiológicas fueron las apropiadas para lograr los objetivos propuestos, es así como se hace un estudio del Lactobacillus Bulgaricus y Lactobacillus Acidophillus.

Para este proyecto es necesaria una bacteria ácidoláctica, homofermentativa y termofila. Ambas cepas cumplen con las anteriores características mencionadas, ya que fermentan la lactosa produciendo solamente ácido láctico en su proceso.

Son prácticamente iguales en la mayoría de sus funciones metabólicas y requerimientos nutricionales, sin embargo se escogió el Lactobacillus Acidophillus gracias a la disponibilidad de las cepas en el mercado, gracias a que este es un microorganismo que no ha sido profundamente estudiado y principalmente fue escogido por sus características y funciones probioticas ya que estos se encuentran como flora innata en el tracto intestinal humano, contribuyendo así al mejoramiento de la salud.

Para verificar el funcionamiento del microorganismo se activo en cuatro litros de leche reconstituida pasteurizada a 85°C por 30 minutos, posteriormente se bajo la temperatura a las condiciones de crecimiento del microorganismo (40°C), en este instante se inoculó la mitad del sobre con las cepas en polvo y se incubó a baño maría hasta que alcanzó las condiciones de pH 4.6 y Acidez titulable 0.7. Este cultivo fue sometido a pruebas microbiológicas como recuento de coliformes totales, coliformes fecales, hongos y levaduras en cajas de petri con siembra en profundidad, empleando agar Ogy para la prueba de hongos y levaduras y agar VRBA para los coliformes fecales y totales.

Los resultados de estas siembras fueron de cero Unidades Formadoras de Colonias (0 UFC) dentro del recuento en placas.

Gracias a que estos resultados obtenidos fueron óptimos para el cultivo este será utilizado dentro del proyecto.

Concentración del Suero Dulce de Quesería.

Para la versatilidad del proyecto se trabajaron con cuatro muestras de suero dulce a diferentes concentraciones utilizando procesos de evaporación del agua con inclusión de vacío.

La temperatura utilizada para evaporar el agua fue alrededor de 50°C con el fin de no desnaturalizar las proteínas presentes y gracias a que el vacío permite disminuir el punto de ebullición del agua. Para el montaje de la evaporación se empleo una estufa, un balón de destilación con capacidad de 500 ml, un condensador, un erlenmeyer, una bomba de vacío, un termómetro y por ultimo para conocer los grados Brix se utilizó un refractómetro.

Las concentraciones escogidas fueron de 6 % ST; 8% ST; 10% ST y 12% ST y a través de un balance de materia se conoce la cantidad de agua a retirar.

Datos:

ST Iniciales: 6%

ST Finales: 8%

Cantidad inicial: 500 ml

Formulación:

Balance General

A = B + C

500 ml = B + C

C = 500 ml – B (1)

Ahora balance de ST

A(%ST) = B(%ST) + C(%ST)

500ml (6%) = B (8%) + C (0%)

ml = B (0.08) + 0

30 ml

B = ———— = 375 ml (2)

0.08

Reemplazando (2) en (1) obtenemos

C = 500ml – 375 ml

C = 125 ml

Este procedimiento se repite con las demás muestras:

Datos:

ST Iniciales: 6%

ST Finales: 10%

Cantidad inicial: 500 ml

Formulación:

Balance General

A = B + C

500 ml = B + C

C = 500 ml – B (1)

Ahora balance de ST

A(%ST) = B(%ST) + C(%ST)

500ml (6%) = B (10%) + C (0%)

30 ml = B (0.10) + 0

30 ml

B = ———— = 300 ml (2)

0.10

Reemplazando (2) en (1) obtenemos

C = 500ml – 300 ml

C = 200 ml

Y ahora con la concentración de 12 % tenemos

Datos:

ST Iniciales: 6%

ST Finales: 12%

Cantidad inicial: 500 ml

Formulación:

Balance General

A = B + C

500 ml = B + C

C = 500 ml – B (1)

Ahora balance de ST

A(%ST) = B(%ST) + C(%ST)

500ml (6%) = B (12%) + C (0%)

30 ml = B (0.12) + 0

30 ml

B = ———— = 250 ml (2)

0.12

Reemplazando (2) en (1) obtenemos

C = 500ml – 250 ml

C = 250 ml

Después de obtener las cuatro muestras de suero dulce se procede a inocular el microorganismo en cada uno de ellos. Con el fin de igualar las cantidades a utilizar en las cuatro muestras se tomaron solo 280 ml para cada una, las cuales fueron inoculadas con 8.4 ml de cultivo de Lactobacillus Acidophillus, estas muestras fueron pasteurizadas previamente a 85°C x 30 min. para eliminar cualquier posible contaminante bacteriológico que fuera a dañar el proceso.

Luego de inocular el microorganismo, las cuatro muestras fueron colocadas en baño maría a temperatura de 40°C (temperatura óptima de crecimiento del microorganismo) para su seguimiento y evolución hasta alcanzar un pH cercano a los 4.6, las diferentes concentraciones se comportaron como se muestra en las graficas de tiempo vs pH al final de este documento.

Los resultados de esta experiencia son la determinación de la rapidez con que se alcanza el pH alrededor de 4.6 requerido gracias a la mayor concentración de soluto, es así como en la concentración al 10 % de ST y al 12 % de ST se logra en menor tiempo, el pH ideal de trabajo. Sin embargo, a los resultados de las cuatro muestras de suero se les realiza la prueba de % de proteína, la cual arroja los siguientes resultados:

Muestra No 1 (12% ST): 1.62 %

Muestra No 2 (10% ST): 1.50 %

Muestra No 3 (8% ST): 1.25 %

Muestra No 4 (6% ST): 0.98 %

Muestra No 5 (10 % Repe.): 1.46 %

Muestra No 6 (6% Repe.): 0.98 %

El siguiente paso es tomar las dos muestras con mayor porcentaje de proteínas y someterlas a un proceso de filtrado en seco al vacío, las muestras No 1 y No 2 fueron las escogidas para filtración. Esta filtración se hace utilizando un papel filtro, un erlenmeyer y una bomba de vacío. El contenido de la muestra se vierte sobre el papel filtro y hasta que termine de destilar el contenido liquido.

Después de filtrar durante tres horas se obtuvieron una muestra pastosa y un residuo liquido cuya cantidad fue de 45 ml, a esta cantidad se le realizo análisis de DBO5 para determinar el nivel de contaminación que este desecho aporta al medio ambiente después del proceso y compararlo con los resultados iniciales, con el fin de determinar si el método de obtención de proteínas contribuye a evitar fuertes impactos ambientales a la hora de su desecho. Los resultados fueron los siguientes:

Muestra No 1 (12 %ST): 84.000

Muestra No 2 (10 %ST): 46.500

Claramente se nota la disminución de la cantidad de DBO5 que se encuentra en el suero dulce que a la larga va a contribuir a disminuir la contaminación ambiental causada por el desecho de este producto en los cuerpos de agua de la ciudad y aportando al medio ambiente una sustancia de fácil biodegradación.

Diseño Teórico del proceso.

En este punto se plantean las condiciones mínimas necesarias para el diseño teórico del proceso de obtención de lactoproteinas utilizando bioreactores, cabe anotar que este diseño es planteado con base en las condiciones y resultados que se obtuvieron en las pruebas piloto especificadas en los puntos anteriores.

En las grandes empresas productoras de queso se desechan alrededor de 25.000 litros por día de suero dulce de quesería, dicha cantidad servirá de base para el diseño del proceso. Tomando como referencia este caudal se procede a plantear el diseño y las condiciones de funcionamiento de los diferentes equipos necesarios.

Tanques de Almacenamiento.

Para el proceso es necesario utilizar dos tanques de almacenamiento de 15. Metros Cúbicos cada uno, construidos en acero inoxidable y con un serpentín como sistema de refrigeración que mantenga la temperatura del suero a 10°C en ambos tanques, esto debido a que el suero dulce de quesería es muy perecedero y debe permanecer refrigerado a la misma temperatura de la leche cruda.

Estos dos tanques están unidos por tuberías que permiten la circulación del suero, el primer tanque sirve para recibir los baches de suero producidos cada 8 horas y el segundo tanque realizará las funciones de tanque de alimentación permanente para el proceso. Las dimensiones de los tanques están determinadas por las siguientes formulas:

V = (π /4)(D2)(h) (1)

h = 3 (2)

D 2

Donde:

V : Volumen del Tanque

D : Diámetro del Tanque

h : Altura del Tanque

Y el resultado es:

D = 2/3 h (3)

Reemplazando (3) en (1)

V = (π/4)(2/3 h)2 (h)

15 m3 = (3.1416/4)(4/9h2)(h)

15 m3 = 12.57 / 36 h3

15 m3 = h3

0.35

√42.85 = √ h3

h = 3.5 mts

Reemplazando h en (3)

D = 2 /3 h

D = 2/3 (3.5)

D = 2.34 mts

Del Segundo tanque, el suero se dirige con una temperatura de 10°C hacia el evaporador, pasando antes por un pequeño intercambiador de calor con el fin de precalentar el liquido hasta +/- 35°C.

Evaporador.

La forma del evaporador escogido es cilíndrica, en acero inoxidable con dos efectos y de película descendente. Este evaporador esta diseñado para alcanzar un suero con 12 % ST al final del equipo utilizando vapor de agua a través de los tubos externos dentro del cilindro, a este equipo se le acopla un sistema de vacío.

En este diseño, el suero entra con un caudal de 25 m3/dia a una temperatura inicial de 35°C y una concentración de 6 % ST, las condiciones de trabajo dentro del evaporador deben ser de 55°C de temperatura y una presión de vacío de 120 mmHg, a la salida del evaporador debe haber 12.850 kg/dia de suero dulce concentrado al 12 % ST y 12.850 kg/dia de vapor de agua eliminado que va a combinarse con el vapor usado para generar el vacío.

Este vacío es creado por un ejector por donde circula vapor de agua de alta presión (150Lbf/pg2) y extrae el vapor generado en el aparato.

Luego que el suero dulce haya sido concentrado, se dirige hacia el intercambiador de calor ubicado a la salida del tanque de alimentación con el fin de bajar la temperatura de este mas o menos a 40 °C que será la temperatura de trabajo optima para el microorganismo en el bioreactor y al mismo tiempo ahorra dinero en el calentamiento inicial del suero.

Bioreactor.

El bioreactor que se implementa es del tipo "air lift", es decir, que la inyección del aire va a servir como mecanismo impulsor de la mezcla dentro del tanque. El suero dulce deberá estar a una temperatura de 40°C a través de las tuberías de conducción, con un caudal de 12.5 m3/día, según los experimentos el tiempo de retención apropiado para que se realice la fermentación es de al menos 4 horas.

Este reactor es calentado con un serpentín interior por donde circula agua caliente a 50°C para permitir que la temperatura de trabajo en el suero dulce y con los microorganismos sea la optima, a este sistema se le puede adecuar un censor electrónico de temperatura que permita regular la entrada de agua por el serpentín cuando la temperatura de trabajo varíe mas de 5°C.

El volumen del bioreactor se calcula a partir del caudal y el tiempo de retención así:

V = (Caudal) x (t)

V = 12.500 L/dia (1 día/24 horas) (4 horas)

V = 2.084 L ≈ 2.500 L

Y la altura y el diámetro del mismo esta determinado por la ecuación

V = (π /4)(D2)(h) (1)

h = 3 (2)

D 2

Donde :

V : Volumen del Tanque

D : Diámetro del Tanque

h : Altura del Tanque

Y el resultado es:

D = 2/3 h (3)

Reemplazando (3) en (1)

V = (π /4)(2/3 h)2 (h)

2.5 m3 = (3.1416/4)(4/9h2)(h)

2.5 m3 = 12.57 / 36 h3

2.5 = h3

0.35

√7,15 = √ h3

h = 1.9 mts ≈ 2 mts

Reemplazando h en (3)

D = 2 /3 h

D = 2/3 (2 mts)

D = 1.34 mts

La inyección de aire en el tanque se realiza desde abajo para permitir una mayor facilidad en el mezclado a través de las dos placas deflectoras ubicadas en la parte interna del equipo. Este flujo de aire debe tener una presión superior a la generada por la columna de suero dulce dentro del tanque, es decir:

Paire = Psuero x 1.50

PA = (r )(g)(h) x 1.50

Donde:

PA = Presión del Aire

r = Densidad del suero

g = Gravedad

h = Altura del Tanque

Entonces,

PA = 1,028g/L ( 9.8m/seg2) ( 2 mts) x 1.50

PA = 20.15 Pascales x 1.50

PA = 30.23 » 30.5 Pascales

Luego de ser sometido a la acción del Lactobacillus Acidophillus, el suero es filtrado para separar la parte sólida del líquido generando así la parte proteica que podría ser utilizada como materia prima para muchos más procesos.

CONCLUSIONES

Después de realizar todos los procedimientos necesarios para lograr los objetivos del proyecto y analizar todos los resultados que a través de la experimentación se obtuvieron, se concluyen varios aspectos importantes.

El suero dulce de quesería es un factor altamente contaminante de los cuerpos de agua que se encuentran en los alrededores de plantas productoras de queso debido a su elevada DBO; este suero es un alimento rico en proteínas y aminoácidos esenciales que pueden contribuir a evitar la mala nutrición que existe en nuestro país, estas proteínas pueden ser extraídas por medios biológicos utilizando ciertos microorganismos lácticos como el Lactobacillus Acidophillus que utilizando el azúcar presente en el mismo suero, lo convierte en ácido láctico y así bajar el pH hasta el punto isoelectrico de la proteína y de esta forma poder separarla en una masa sólida.

Para favorecer este proceso hay que someter dicho suero a una concentración de sus sólidos solubles a través de un sistema de evaporación al vacío, este sistema al vacío contribuye a cuidar la calidad de la proteína de la leche, trabajar a temperaturas relativamente bajas y a ahorrar tiempo de proceso lo que finalmente se traduce en ahorro de dinero. Gracias a la experiencia se observó que la concentración a la que mejor se obtiene resultados es al 12 % de ST, lo que significa que a mayor cantidad de sólidos haya en el suero, el microorganismo producirá mayor cantidad de proteína en un tiempo determinado.

La utilización de un evaporador tubular de película descendente es la mejor opción para poder alcanzar las concentraciones adecuadas de trabajo del suero dulce de quesería y así favorecer la agilidad del proyecto planteado.

De los tipos de bioreactores existentes se escogió el bioreactor tipo air lift por sus condiciones de trabajo y su versatilidad económica de no incluir equipos mecánicos de rotación dentro de su diseño que permitan ahorrar en energía e incluso evitar posibles focos de contaminación cruzada dentro del proceso. Este tipo de reactor es útil al momento de trabajar con microorganismos y permite adicionarle todas las condiciones de temperatura, aireación y esterilidad que este requiera para su funcionalidad biológica y fisiológica.

En general, el proceso de obtención de lactoproteinas a partir del suero dulce de quesería utilizando bioreactores es factible gracias a las facultades fermentativas del Lactobacillus Acidophillus, la cantidad de nutrientes en el suero dulce y la funcionalidad de los equipos involucrados, obteniéndose un mayor volumen de proteína que puede favorecer la nutrición humana.

Además este proceso contribuye notablemente a la disminución del DBO en el suero dulce y por ende a evitar una mayor contaminación de los lugares donde generalmente se desecha este elemento.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

García, Mariano. Biotecnología Alimentaría
R, Scott. Fabricación de Queso, Ed. Acribia S.A.
J.C. Cheftel-S.L. Cuy D Lorient. Proteínas Alimentarías. Ed. Acribia S.A.
Zaagen, Demeter & Elbert. Elementos de Microbiología Lactológica.
Madigan, Martinko, Parker. Biología de los Microorganismos. Ed. Prentice Hall.
Rojas Romero, Jairo A. Tratamiento de Aguas Residuales. Ed. Escuela Colombiana de Ingeniería.
R.A. Sing, M. Prescott, J. Harley. Microbiología. Ed. Mc GrawHill.
Fox, Brian, Cameron Allan. Ciencias de los Alimentos. Nutrición y Salud. Ed. McGraw Hill.
Operaciones Unitarias en Ingeniería Química.
Chemical Engineering Magazine. How Geometry Influence Mixing, Vol. 111, No 2 .February, 2004.
Transferencia de Masa en Procesos Fermentativos, Revista de la Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia. No 35, Agosto, 2004
Fermentación Láctica en Continuo con Lactobacillus Bulgaricus. Revista de la Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia No 17. Noviembre, 1998.
Procesadores de Leche en América Latina. Revista Alimentos Procesados. No 12, Febrero, 2005.
Profesor Merchuk, José. Microbiología Industrial. Ed. Acribia S.A.
McCabe, Warren L; Smith, Julian; Harriott, Peter. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Ed. Mc Graw Hill.
Walstra, P; Geurts T.S. y Otros. Ciencias de la Leche y Tecnología de los Productos Lácteos. Ed. Acribia S.A.
Dr. Vessisey, Roger. Lactología Técnica. Ed. Acribia S.A.
Brennan, J. G. ; Butters, J.R. Las Operaciones en la Ingeniería de los Alimentos. Ed. McGraw Hill.

ANEXOS

TABLA

CARACTERÍSTICAS DE ALGUNOS LACTOBACILLUS

	Crecimiento a		Ácido de						NH3 arginina	Crecimiento en caldo 4 % NaCl
	15 ºC	45 ºC	la	su	sal	mn	so	xi	NH3 arginina	Crecimiento en caldo 4 % NaCl
*L. ACIDOPHILUS*	–	+	+	+	+	–	–	–	–	–
*L. BULGARICUS*	–	+	+	–	–	–	–	–	–	–
*L. CASEI*	+	V	+/-	+/-	+	+	+	–	–	+
*L. PLANTARUM*	+	V	+	+	+	+	–	–	–	+
*L. DELBRUCKII*	–	+	–	+	–	–	–	–	–	–
*L. LEICHMANII*	–	+	+/-	+	+	–	–	–	+/-	–
*L. BREVIS*	+	–	+/-	+	+/-	+/-	–	+	+	+
*L. FERMENTI*	–	+	+	+/-	–	–	–	+/-	+	–