Optimización del proceso de enriquecimiento proteico del bagazo de caña de azúcar

ARTÍCULO ORIGINAL Optimización del proceso de enriquecimiento proteico del bagazo de caña de azúcar Process optimization of protein enrichment of sugar cane bagasse Dra. C. María Caridad Julián-Ricardo, Dr. C. Luís Beltrán Ramos-Sánchez Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Camagüey Agramonte Loynaz". Camagüey. Cuba. "Ignacio RESUMEN La importancia de los procesos de fermentación en estado sólido que se desarrollan en el presente hace indispensable la aplicación de la optimización en el diseño de sistemas nuevos y para la toma de decisiones en los ya existentes. El proceso tecnológico para una capacidad productiva de 100 t/d de producto seco, incluye la preparación del medio de cultivo, el enriquecimiento proteico en biorreactores de lecho fijo y el acondicionamiento y terminación del producto. El objetivo de este trabajo es optimizar el proceso de enriquecimiento proteico del bagazo de caña de azúcar a partir de la determinación de los valores de las variables de operación en el biorreactor: tiempo de residencia y flujo específico de aire que minimizan el costo de producción unitario. La optimización del proceso se programó de forma modular sobre MATLAB 7.8 (2009). La solución óptima dio un tiempo de residencia en el biorreactor de 11,8 horas y un flujo específico de aire de 1,3 L kg -1 min-1. El costo de producción unitario mínimo en estas condiciones fue de 746,73 $/t PV. El análisis de sensibilidad permitió determinar que el proceso es estable alrededor del óptimo. Palabras claves: optimización, enriquecimiento proteico, fermentación en estado sólido, biorreactores. ABSTRACT 98 The importance of the processes of solid state fermentation taking place in this indispensable application of optimization in the design of new systems and for decision-making in the existing ones. The technological process have a production capacity of 100 t/d of dry product, including the preparation of the culture medium, the protein enrichment in fixed bed bioreactors, packaging and product completion. The main goal of this work is to optimize the process of protein enrichment of sugar cane bagasse from the determination of the values of the variables in the bioreactor operation: residence time and specific air flow, minimizing the cost of production unit. The process optimization was programmed modular lyon MATLAB 7.8 (2009). The optimal solution gave a residence time in the bioreactor of 11,8 hours and a specific air flow of 1,3 L kg-1 min-1. The minimum unit cost of production in these conditions was 74673 $/t PV. Sensitivity analysis allowed us to determine that the process is stable around the optimal. Keywords: optimization, protein enrichment, solid state fermentation, bioreactors. INTRODUCCIÓN La optimización en la solución de un problema surge por la necesidad de minimizar recursos y esfuerzos. La necesidad y sobre todo la posibilidad de optimizar se hace patente cuando se procede a diseñar tecnológicamente un proceso. El objetivo de la optimización en el diseño de una instalación de procesos de la industria química es encontrar la mejor solución basada en algún criterio de efectividad o comportamiento [1]. Se puede definir como optimización al proceso de seleccionar, a partir de un conjunto de alternativas posibles, aquella que satisfaga el o los objetivos propuestos. Para resolver un problema de optimización se requieren dos etapas principales: la formulación del modelo y la resolución y validación [2]. Los objetivos típicos para diseño de procesos incluyen el costo de inversión, el costo de operación, el rendimiento de los productos y la ganancia total. Los problemas de optimización que tienen objetivos y/o restricciones no lineales de las variables se denominan problemas de programación no lineal [3].Un diseño óptimo se basa en las mejores o más favorables condiciones del proceso. Generalmente las condiciones óptimas se reducen a consideraciones de costo-beneficio. De esta manera, un diseño económico óptimo puede estar basado en las condiciones para obtener un mínimo costo por unidad de tiempo o un máximo beneficio por unidad de producción [4].Pero pueden darse diferentes situaciones, por ejemplo, puede encontrarse un menor costo inicial y mayores costos de operación o un costo inicial más alto y en luego menores costos de operación. Por lo que resulta indispensable efectuar la evaluación económica. Muchos estudios indican que los modelos básicos de ingeniería económica del Flujo de Caja, Valor Actual Neto y Tasa Interna de Retorno son los más utilizados [5]. El biorreactor es el centro de los procesos fermentativos. La maximización de la velocidad de formación y el rendimiento de productos dentro del biorreactor es una parte importante en la optimización de los procesos productivos. En contraste con la fermentación sumergida, la fermentación en estado sólido (FES) está aún en la búsqueda de un alto grado de desarrollo, principalmente por los problemas que se presentan en las camas de sólidos, dados fundamentalmente, por el pobre 99 mezclado, las características de la transferencia de calor y el manejo del material [6]. Los procesos de FES durante años han sido poco estudiados. Los avances más notables en relación con la optimización de procesos son recientes y han llegado hasta la modelación matemática, que como se ha reiterado en las últimas publicaciones "Los modelos matemáticos son una importante herramienta en la optimización del diseño y operación de los biorreactores para fermentación en estado sólido" [7].Se dan pasos en la aplicación de la modelación para la simulación de los procesos de FES y establecer estrategias de mejoras que se han validado sólo a pequeña escala, que aparecen recogidas en las referencias mencionadas, pero aún no se ha trabajado en la optimización de procesos de FES. La importancia de los procesos de FES que se desarrollan en el presente hace indispensable la aplicación de la optimización en el diseño de sistemas nuevos y para la toma de decisiones en los ya existentes. El modelo técnico-económico desarrollado en este trabajo permitió optimizar el proceso de enriquecimiento proteico del bagazo de caña de azúcar a partir de la determinación de los valores de las variables de operación: tiempo de residencia y flujo específico de aire, que minimizan el costo de producción unitario. MATERIALES Y MÉTODOS El flujo tecnológico se planteó teniendo en cuenta los resultados del trabajo experimental y de simulación [8] y los pasos propuestos para el diseño de productos químicos y de procesos [9]. Descripción del Flujo Tecnológico En la figura 1 aparece un diagrama de bloques que representa las principales etapas del proceso. En la primera etapa se mezclan las materias primas y se inoculan con levadura fresca, producida in situ mediante fermentación sumergida. La mezcla se alimenta a los biorreactores de lecho fijo, donde el medio de cultivo permanece dentro del equipo durante todo el tiempo de residencia y se le suministra un (...truncated)