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CAPÍTULO 4:

INGENERÍA DEL PROCESO

Capítulo 4: Ingeniería del proceso

54

ÍNDICE

1. PROGRAMA PRODUCTIVO ............................................................................ 56

1.1. Balance de materia ......................................................................................... 56

1.2. Balance de energía ......................................................................................... 65

2. PRODUCTO FINAL ............................................................................................ 68

2.1. El producto final ............................................................................................ 68

2.2. Pruebas de Diseño .......................................................................................... 68

3. SUBPRODUCTOS ............................................................................................... 71

3.1. Materia Prima de origen vegetal. ................................................................. 71

3.2. Fluidos con carga microbiana. ...................................................................... 71

4. DESCRIPCIÓN DE ACTIVIDADES DEL PROCESO Y TECNOLOGÍA DE

FABRICACIÓN............................................................................................................ 73

4.1. Recepción de la materia prima ..................................................................... 73

4.2. Preparación de cultivos ................................................................................. 73

4.2.1. Activación de los cultivos......................................................................... 73

4.2.2. Fermentación y crecimiento ..................................................................... 73

4.2.3. Centrifugación y lavado............................................................................ 75

4.2.4. Adición del material de recubrimiento ..................................................... 75

4.3. Mezclado ......................................................................................................... 79

4.4. Envasado ......................................................................................................... 79

4.5. Almacenamiento y distribución .................................................................... 79

5. DIAGRAMA PRODUCTIVO ............................................................................. 80

6. FLUJO DEL PROCESO...................................................................................... 81

7. TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN Y MAQUINARIA DEL PROCESO .. 82

7.2. Biorreactor...................................................................................................... 82

7.3. Centrífuga ....................................................................................................... 87

7.4. Atomizador ..................................................................................................... 89

7.5. Balanza digital ................................................................................................ 92

7.6. Mezclador ....................................................................................................... 93

7.7. Silo de almacenamiento ................................................................................. 95

7.8. Envasadora ..................................................................................................... 96

7.9. Maquinaria auxiliar ....................................................................................... 97

8. RESUMEN MAQUINARIA ................................................................................ 98

9. NECESIDADES DE MANO DE OBRA ............................................................ 99


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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 4. 1. Mezclado 1 .................................................................................................. 57

Figura 4. 2. Mezclado 2 .................................................................................................. 58

Figura 4. 3. Sistema balance de materia ......................................................................... 59

Figura 4. 4. Curva de crecimiento bacteriano ................................................................. 60

Figura 4. 5. Pruebas de diseño ........................................................................................ 70

Figura 4. 6. Viabilidad en el laboratorio ......................................................................... 70

Figura 4. 7. Logotipo propuesto por la UE para las etiquetas de alimentos irradiados .. 73

Figura 4. 8. Micrografías SEM, capsula de alginato (a), alginato-quitosano (b) y

alginato con relleno de almidón (c) ................................................................................ 77

Figura 4. 9. Estructura de microesferas y microcápsulas ............................................... 77

Figura 4. 10. Tipo de microcapsulas............................................................................... 78

Figura 4. 11. Siembra a nivel de laboratorio en agar MRS y micrografía de bacterias .. 82

Figura 4. 12. Reactor batch de escala industrial ............................................................. 84

Figura 4. 13. Hélice axial................................................................................................ 85

Figura 4. 14. Esquema de un biorreactor ........................................................................ 85

Figura 4. 15. Sorvall LYNX6000 ................................................................................... 89

Figura 4. 16. Esquema de un secadero en spray ............................................................. 92

Figura 4. 17. Balanza digital ........................................................................................... 93

Figura 4. 18. Mezclador horizontal de bandas................................................................ 95

Figura 4. 19. Silo descarga por gravedad ....................................................................... 96

Figura 4. 20. Carretilla elevadora ................................................................................... 97

ÍNDICE TABLAS

Tabla 4. 1. Fórmula del producto ................................................................................... 56

Tabla 4. 2. Necesidades de materia prima ...................................................................... 57

Tabla 4. 3. Asignación de cepas en los fermentadores ................................................... 59

Tabla 4. 4. Necesidades de producción de biomasa ....................................................... 60

Tabla 4. 5. Nutrientes del medio de cultivo MRS .......................................................... 61

Tabla 4. 6. Nutrientes del caldo para B. lactis ................................................................ 63

Tabla 4. 7. Disolución salina .......................................................................................... 63

Tabla 4. 8. Nutrientes del medio de cultivo TSB ........................................................... 64

Tabla 4. 9. Resumen de características y condiciones de los biorreactores ................... 65

Tabla 4. 10. Necesidades energéticas de los biorreactores ............................................. 67

Tabla 4. 11. Clases de material de recubrimiento........................................................... 76

Tabla 4. 12. Características técnicas ............................................................................... 86

Tabla 4. 13. Tabla resumen ............................................................................................ 87

Tabla 4. 14. Características de la carretilla ..................................................................... 97

Tabla 4. 15. Resumen de la maquinaria.......................................................................... 98


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1. PROGRAMA PRODUCTIVO

1.1. Balance de materia

La industria producirá 10.000 kg de Procacao al día. La planta se dimensiona con el

objetivo de satisfacer esta demanda y para posibles cambios futuros de crecimiento.

Para calcular la cantidad necesaria de cada ingrediente es preciso conocer la fórmula

del producto.

Al ser un producto que lleva microorganismos vivos, aunque estos estén reconocidos

por la EFSA como seguros, debe estar asegurado como producto total y esto llevaría

varios meses de pruebas por la comunidad de científicos. Como no es posible realizar

estas pruebas formalmente se ha elegido una fórmula (Tabla 4.1) basada en otros

productos similares con la única intención de poder hacer un balance de materia

aproximado a la realidad.

Tabla 4. 1. Fórmula del producto

INGREDIENTES PORCENTAJE

Cacao Polvo

Extracto nuez de Cola

Crema de cereal kolamalteado

Harina de trigo

Leche en polvo

Azúcar

67%

4%

9%

9%

8%

2%

0.5%

0.2%

0.1%

0.12%

0.08%

Aditivos

Sal

Calcio

Fósforo

Alginato de Sodio

Microorganismos

TOTAL 100%

Fuente: Elaboración propia

(La materia prima se recibe cada semana suministrada por las empresas proveedoras.

Vendrán en camiones y empaquetadas en sacos.)

Una vez conocida la fórmula del producto podemos obtener las necesidades (Tabla

4.1) de materia prima de la industria (Tabla 4.2). Se estima que el procesado de la materia

prima tenga un índice de pérdidas del 3% originado en las fases de mezclado y envasado.

Para lograr fabricar 10.000 kg de producto hay que aumentar todas las necesidades un 3%

del total.


57

Tabla 4. 2. Necesidades de materia prima


Para realizar un control exhaustivo del balance de materia se estudian aquellas

operaciones unitarias que comprende el proceso productivo de Procacao donde pueden

cambiar las propiedades del producto y su comportamiento.

La expresión de la ecuación de balance general de materia se sintetiza con la siguiente

expresión:

A = E – S + G – C

Donde:

A: Acumulación

E: Entrada

S: Salida

G: Generación

C: Consumo

El balance se aplica sobre la etapa de mezclado donde se obtiene un producto diferente

al producto inicial.

Mezclado 1

Figura 4. 1. Mezclado 1

INGREDIENTES PORCENT

AJE

NECESIDADES

DIARIAS (kg)

CONSIDERANDO

EL ÍNDICE DE

PÉRDIDAS (kg)

CANTIDADES

COMPRA

SEMANALES (kg)

Cacao Polvo

Extracto nuez de

Cola

Crema de cereal

kolamalteado

Harina de trigo

Leche en polvo

Azúcar

67%

4%

9%

9%

8%

2%

0.5%

0.2%

0.1%

0.1%

0.1%

6.700

400

900

900

800

200

6.901

412

927

927

824

206

207030

12360

27810

27810

24720

6180

Aditivos

Sal

Calcio

Fósforo

Alginato de Sodio

Microorganismos

50

20

10

10

10

52

21

10

10

10

1545

618

309

370,8

247,2

TOTAL 100% 10.000 10.300 309000

MEZCLADO 1

Ingredientes

(E1)

Mezcla sin

microorganismos

(S1)


58


En el mezclador se produce un proceso en estado estacionario todas las variables del

proceso (temperaturas, presiones, volúmenes, velocidades de flujo) no cambian con el

tiempo, excepto, por fluctuaciones pequeñas alrededor de los valores promedio

constantes, donde no existe reacción química alguna y la expresión del balance de materia

queda simplificada.

E1 – S1 = 0

Se deduce entonces que los términos de entrada y salida son iguales.

Mezclado 2

Figura 4. 2. Mezclado 2


En el mezclador 2 se produce un proceso de estado estacionario al igual que en el

mezclador 1, donde tampoco existe reacción química alguna y la expresión del balance

de materia es la siguiente:

E2 – S2 = 0

Donde:

E2 = E1 + E3

Se deduce entonces que los términos finales de entrada y salida son iguales.

Reactor biológico.

Esta fase del proceso es de estado estacionario, las propiedades del sistema:

temperatura, concentración, volumen y masa no varían con el tiempo, y discontinuo

porque se opera en un sistema cerrado, donde toda la materia se añade al sistema al

principio del proceso y los productos se recogen únicamente cuando el proceso ha

finalizado.

Al igual que en los procesos físicos, los procesos químicos también están gobernados

por la Ley de conservación de la materia.

(Acumulación) = (Generación Por Reacción)+ (Flujo Entrada)- (Flujo Salida)

= - + -

Mezcla sin

microorganismos (E1) MEZCLADO 2

PROCACAO

(S2) Cápsulas de

microorganismos (E3)

Masa

acumulada

dentro del

sistema

Masa

generada

dentro del

sistema

Masa

consumida

dentro del

sistema

Masa que entra

a través de los

límites del

sistema

Masa que sale

a través de los

límites del

sistema


59

Para entender el balance en el reactor se simplificará en un diagrama de flujos general

destacando qué materias entran y los principales factores que influyen. (Figura 4.3).

También se aplicará en un sistema más pequeño, en la fermentación que realizan los

microorganismos y posteriormente se extrapolarán los resultados a un sistema de mayor

escala, el cual coincide con el de la fábrica.

Se estudiará en cada tipo de cepa el balance de materia en sistemas más pequeños del

orden de gramos, miligramos y kilogramos. Y se considerará el balance en las reacciones

biológicas para conocer la cantidad de sustrato que debe entrar en el biorreactor.

CHmOn + a0 2+ bNH3cCHαOβNδ + dH20 + eCO2

Figura 4. 3. Sistema balance de materia

Fermentador

Fuente: Pauline M. Doran. Bioprocess Engineering Principles. Academic Press. 2013

Se tiene que tener en cuenta que las bacterias se comercializan en paquetes sellados

totalmente estancos y envasados al vacío. Como se especificaba anteriormente en la

descripción de la materia prima, este tipo de producto se encuentra liofilizado para

mantenerse estable durante largos periodos de tiempo y posteriormente se debe activar el

inóculo para su uso. Antes de su aplicación industrial se debe subcultivar al menos una

vez. Cada cepa de microorganismos tiene un procedimiento diferente de activación que

es especificado por la casa proveedora. Su crecimiento se obtendrá en un reactor biológico

o fermentador, al cual se le ha asignado un código (Tabla 4.4), por cada cepa y así

mantener, en cada caso, las condiciones óptimas para su crecimiento.

Tabla 4. 3. Asignación de cepas en los fermentadores

Fermentador Cepa bacteriana

A Lactobacillus rhamnosus HN001

B Lactobacillus acidophilus NCFM

C Bifidobacterium lactis Bb12

D Streptococcus thermophilus Th4


Las condiciones que cada cepa exige incluirán el procedimiento de activación, el

medio de cultivo, la temperatura, el pH óptimo para su crecimiento y agitación. Se debe

asegurar la esterilidad en todo el proceso y de todos los nutrientes y materiales empleados

Sustrato (kg)

Gas de salida (kg)

Gas de entrada (kg)

Producto (kg)

Límite del sistema


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para minimizar la probabilidad de contaminación de agentes externos y sobretodo de

microorganismos patógenos que pongan en riesgo la salud del consumidor.

Para lograr un dimensionamiento optimizado de los biorreactores se debe ajustar el

balance de materia a las necesidades de cada cultivo. Cada cepa bacteriana tiene una fase

de crecimiento (Figura 4.4) característica que depende del propio microorganismo y de

las condiciones en las que se encuentra. De éstas depende la velocidad de crecimiento y

al mismo tiempo de los nutrientes requeridos.

Figura 4. 4. Curva de crecimiento bacteriano

Fuente: Microbiología de agua. Conceptos básicos María C. Apella y Paula Z. Araujo

En esta figura se distinguen cuatro fases: fase de latencia(a), fase exponencial o fase

logarítmica (b), fase estacionaria (c) y fase de muerte (d). Entre cada una de estas fases

existe un periodo de transición que representa el tiempo requerido para que todas las

células entren en una nueva fase.

El producto obtenido de los biorreactores es una población de bacterias de

aproximadamente 5kg diarios por cada uno de los biorreactores en medio de cultivo que

se purificará con centrifugaciones y lavados. El producto se recoge cuando se encuentra

en fase exponencial de crecimiento. Posteriormente se mezclarán con el resto de

poblaciones de los otros biorreactores y se creará una disolución en agua esterilizada con

una concentración de 1010 ufc/ml. El balance se puede observar en la Tabla 4.5 en la que

aparece la producción diaria de biomasa.

Tabla 4. 4. Necesidades de producción de biomasa

Fermentador Cepa bacteriana Producción diaria

biomasa (kg)

A Lactobacillus rhamnosus

HN001 5

B Lactobacillus

acidophilus NCFM 5

C Bifidobacterium lactis

Bb12 5

D Streptococcus

thermophilus Th4 5



61

Cada fermentador tiene un rendimiento de producción diferente ya que depende del

tipo de cepa la velocidad con la que ésta crece. A continuación se define la curva de

crecimiento de cada una de las cepas y las condiciones que influyen en ellas.

FERMENTADOR A

En el fermentador A se cultiva Lactobacillus rhamnosus HN001 en un medio MRS

que se utilizará no solo para la activación del inóculo sino también para el crecimiento en

el fermentador guardando las mismas proporciones. El medio de cultivo se compone de

los siguientes nutrientes:

Tabla 4. 5. Nutrientes del medio de cultivo MRS

NUTRIENTE gramos % Necesidades

(kg)

Peptona 10,00 0,95 12,5

Extracto de carne 10,00 0,95 12,5

Extracto de

levadura 5,00 0,47 6,25

Glucosa 20,00 1,90 25

Citrato de

amonio 2,00 0,19 2,5

Acetato sódico 5,00 0,47 6,25

MgSO4.7H2O 0,20 0,02 0,25

MnSO4.H2O 0,05 0,00 0,0625

K2HPO4 2,00 0,19 2,5

Agua destilada 1000(1L) 94,85 1250 (L)

TOTAL 1054.25 100 1317,81

Fuente: www.uv.es

El medio deberá mantener un pH de 6.2 para asegurar un crecimiento óptimo, al igual

que la temperatura deberá ser de 37 ºC y se incubará durante 24h en anaerobiosis y en

agitación para obtener el inóculo en las mejores condiciones para su crecimiento.

El balance de materia se aplicará sobre el cultivo de Lactobacillus rhamnosus HN001

cuya composición molecular general es CHαOβNδ, la principal fuente de C, la glucosa

cuya fórmula es C6H12O6 y sobre el principal producto derivado de la fermentación

anaerobia, ácido láctico, de fórmula C3H6N3. Suponiendo que se consumen todos los

nutrientes y los únicos productos obtenidos son la biomasa y el ácido láctico se aplica la

conversión biológica y se obtiene:

CHmOn + bNH3cCHαOβNδ + dCHxOyNz

Para averiguar cuántos nutrientes se necesita para cultivar una concentración de

1010ufc/ml en medio MRS se usa el coeficiente de rendimiento de crecimiento (YX/S) en

el que se relaciona la cantidad de biomasa producida (X) a partir de la principal fuente de

carbono del caldo de cultivo (S). En este caso el sustrato es la glucosa y el coeficiente de

rendimiento (YX/S) es 0.20 g biomasa g-1 glucosa. Su tasa de crecimiento nos informa de

su crecimiento por unidad de tiempo, (µ) 0.05 h-1 y su rendimiento de producción de ácido

láctico (YP/S) 0.78 g g-.


62

Conociendo que 5x109 ufc pesa 1 mg se puede decir que por cada gramo de glucosa

se obtiene 1012ufc, (0.20 g de biomasa). Si queremos obtener 5 kg de biomasa el sistema

requiere 25 kg de glucosa. Esta relación permite averiguar la cantidad de medio cultivo

necesario.

El tiempo que se emplea para obtener los 5 kg (N) de biomasa se calcula a partir de la

tasa de crecimiento (µ) 0.05 h-1.La tasa de producción de biomasa volumétrica (rx) es 0.25

kg m-3h-1 en la fase de crecimiento exponencial (rx= µN). Por lo tanto, se necesitan

aproximadamente 20 horas en producir la cantidad de biomasa demandada.

FERMENTADOR B

Para este fermentador donde crece Lactobacillus acidophilus NCFM se utilizará el

mismo procedimiento de activación del inóculo que en el anterior, el fermentador A, con

el único cambio del incremento del tiempo de incubación a 48 horas.

La producción industrial de este tipo de bacterias utiliza un medio de cultivo MRS con

las mismas proporciones y condiciones que las de activación del inóculo.

Su curva de crecimiento informa de que en 18 horas se obtiene un caldo de cultivo con

una población de 109ufc/ml.

El coeficiente de rendimiento (Yx/s) de Lactobacillus acidophilus NCFM es 0.19 g

biomasa g-1 glucosa muy similar al de Lactobacillus rhamnosus HN00. Este dato indica

que se puede utilizar la misma cantidad de caldo de cultivo para su producción (Tabla

4.5).

Sin embargo, su tasa de crecimiento (μ) es muy diferente, 0.42 h-1 en 48 horas. Con

este valor se halla la tasa de producción de biomasa volumétrica (rx) 2.27 kg m-3h-1 y se

deduce que se necesitan 2 horas desde que se alcanza la fase exponencial de crecimiento

para obtener los 5 kg de biomasa.

En su fermentación se produce entre un 1.461% y 1.761% de ácido láctico residual.

FERMENTADOR C

Bifidobacteriumlactis Bb12 es una bacteria anaeróbica por lo tanto no se suministra

oxígeno a este cultivo en su activación ni en su posterior producción. Se activará a pH 6.8

con una temperatura de 37 ºC durante 24h y en agitación en un caldo de cultivo con los

siguientes nutrientes (Tabla 4.6).


63

Tabla 4. 6. Nutrientes del caldo para B. lactis

Medio de

Bifidobacterium

Activación

(Gramos) %

Necesidades

(kg)

Peptonatripticaseína 7.5 0,97 100,00

Extracto de levadura 15 0,49 200,00

Glucosa 7.5 0,49 100,00

Peptona vegetal 4.5 0,49 60,00

Cisteína 0.5 0,19 6,67

Tween 80 1 0,10 13,33

Disolución salina 40(ml) 3,89 533,33

Resazurin (25 mg/100ml) 4(ml) 0,39 53,33

Agua destilada 950(ml) 92,43 12666,67

TOTAL 1027,75 100 13703,33

Composición de la disolución salina:

Tabla 4. 7. Disolución salina

Compuesto Activación

(Gramos) %

CaCl2 x 2 H2O 0,25 0,025

MgSO4 x 7 H2O 0,5 0,049

K2HPO4 1 0,099

KH2PO4 1 0,099

NaHCO3 10 0,985

NaCl 2 0,197

Distilled water 1000 98,546

TOTAL 1014,75 100

Fuente: www.uv.es

En su producción en el fermentador se guarda la misma proporción de nutrientes que

el caldo de cultivo de activación del liofilizado.

El balance de materia del cultivo de BifidobacteriumlactisBb12cuya composición

molecular general es CHαOβNδ que se aplica tiene de principal fuente de C, la glucosa

cuya fórmula es C6H12O6 y sobre los productos derivados de la fermentación anaerobia

que son varios y se representarán como CHxOyNz. Suponiendo que se consumen todos

los nutrientes y los únicos productos obtenidos son la biomasa y los subproductos se

puede expresar como:


El coeficiente de rendimiento (Yx/s) deBifidobacteriumlactis Bb12 es 0.05 g biomasa

g-1glucosa, por lo tanto para obtener 5 kg de biomasa son necesarios 100 kg de glucosa

como nutriente (Ec), la principal fuente de carbono del caldo de cultivo. Se calcula las

cantidades necesarias de nutrientes para la producción para más tarde dimensionar el

fermentador (Tabla 4.7). Su rendimiento de producción (YP/S) es 0.78 g g-, aunque crea

http://www.uv.es/


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muchos productos ninguno de ellos es ácido láctico y no se tendrá en cuenta en los

subproductos generados.

La tasa de crecimiento (μ) de esta cepa es, 0.2 h-1 en la fase exponencial. Se halla la

tasa de producción de biomasa volumétrica (rx) 2.27 kg m-3h-1 y se deduce que se

necesitan 2 horas desde que se alcanza la fase exponencial de crecimiento para obtener

los 5 kg de biomasa.

FERMENTADOR D

En este fermentador crecerá Streptococcusthermophilus Th4 en un caldo de triptona

de soja (TSB) con los nutrientes (Tabla 4.8) que aseguran un crecimiento óptimo de la

bacteria. Su proceso de activación se realizará con un caldo de los mismos nutrientes y

en las mismas condiciones durante 48 horas y en agitación. Las condiciones son

microaerofílicas y de pH 7.3 y se recomienda estudiar la posibilidad de estimular el

crecimiento con una atmósfera 5% de CO2.

Tabla 4. 8. Nutrientes del medio de cultivo TSB

NUTRIENTE gramos % Necesidades

(kg)

Peptona de caseina 17 1,65 142,8

Peptona de harina de

soja 3 0,29 25,2

D(+)-Glucosa 2,5 0,24 21

NaCl 5 0,49 42

K2HPO4 2,5 0,24 21

Agua destilada 1000 97,09 8400(L)

TOTAL 1030 100 8652

Fuente: www.uv.es

Streptococcus thermophilus Th4 tiene de composición molecular general CHαOβNδ y

su principal fuente de carbono, la glucosa, con fórmula C6H12O6 y tiene varios productos

derivados de la fermentación anaerobia que se representarán como CHxOyNz. Suponiendo

que se consumen todos los nutrientes y los únicos productos obtenidos son la biomasa y

los subproductos se puede expresar como:


Este microorganismo tiene de coeficiente de rendimiento (YX/S) 0.24 g biomasa g-1

glucosa y de tasa de crecimiento (µ) 0.07 h-1 con el rendimiento del producto a partir del

sustrato (YP/S) 1.79 µ g producto g- glucosa (Seyed Sadegh Mousavi et al. Research in

Biotechnology 2013). Para conseguir 5 kg de biomasa se necesitan 21 kg de glucosa. Con

esta referencia se calculan el resto de nutrientes que deben utilizarse en el caldo de cultivo

(Tabla 4.8).

Con la tasa de crecimiento (μ) 0.07 h-1 se halla la tasa de producción de biomasa

volumétrica (rx) 0.35 kg dm-3h-1. Para obtener 5 kg de biomasa serán necesarias 14.3 horas

en la fase exponencial del crecimiento de la población.

Cultivo discontinuo, batch.


65

Se empleará en todos los biorreactores un sistema de cultivo discontinuo (batch). Se

podrán asegurar las condiciones asépticas durante todo el proceso de reacción. No existe

corrientes de entrada y salida sólo habrá entrada y salida de gases (oxígeno, dióxido de

carbono) y se adicionará antiespumantes y reguladores del pH en el reactor.

Es un tipo de sistema donde se debe tener en cuenta la pérdida de rendimiento debido

a los periodos de arranque y parada y la falta de homogeneidad del producto conseguido

en cargas consecutivas.

Todos los cultivos necesitan mantener su temperatura en 37ºC y por este motivo es

necesario implementar un sistema energía que asegure esta temperatura.

Tabla 4. 9. Resumen de características y condiciones de los biorreactores


1.2. Balance de energía

Los bioprocesos que se dan en los fermentadores operan a temperaturas y presiones

cercanas a las ambientales. Pero en este caso se quiere llevar a los reactores a una

temperatura de 37ºC, la óptima para la fermentación de la glucosa, y se necesitará un

sistema de calentamiento.

Se llevará a cabo un sistema indirecto, el paso de agua por la camisa del reactor a una

temperatura tal que haga que en el interior se encuentre a la temperatura correspondiente.

Para ello se deberá considerar la transferencia de calor entre las paredes del reactor con

el agua circulante de la camisa.

El balance de energía está regulado por la Ley de conservación de energía:

Cepa Caldo de

cultivo

T

(ºC)

p

H

Agitaci

ón

Vol.

dm3

Lactobacillus

rhamnosus HN001 MRS 37

6.

2 Sí

1317,8

1

Lactobacillus

acidophilus NCFM MRS 37

6.

2 Sí

1317,8

1

Bifidobacterium

lactis Bb12

Medio

Bifidobacterium 37

6.

8 Sí

13703,

33

Streptococcus

thermophilus Th4 TSB 37

7.

3 Sí 8652


66

Hay varias formas de energía: energía cinética (Ek), energía potencial (Ep) y energía

interna (U). Mientras las dos primeras formas de energía se despreciarán, la energía

interna se relaciona al balance de energía de nuestro sistema por estar asociada a la

materia. Interviene también el trabajo de flujo (pV) que controla la entrada y salida de la

materia en el sistema.

La energía se transforma en forma de calor (Q), cuando abandona el sistema, y de

trabajo mecánico (Ws) que se realiza en el sistema desde los alrededores.

La ecuación general de la conservación de energía puede simplificarse en los procesos

de flujo en estado estacionario, cuando ∆E=0, como el que se da en este caso.

∑ (Mh) entrada - ∑ (Mh) salida – Q + Ws= 0

Donde:

M: masa

h: entalpía específica

La entalpía (H) no puede conocerse en valores absolutos, por lo tanto, se evalúa en

función de un estado de referencia que se define antes del cálculo. Al ser una función de

estado se puede calcular a través de una serie de etapas hipotéticas o recorridos del

proceso partiendo del estado inicial y alcanzando el estado final.

Existen diferentes métodos para calcular los cambios de entalpía, uno de ellos es con

la variación de temperatura dentro de un sistema, o también llamado la variación del calor

sensible. Es estas variaciones interviene una propiedad de la materia denominada

capacidad calorífica a presión constante (Cp). Cuando Cp es constante el cambio de

entalpía de una sustancia debido al cambio de temperatura a presión constante es:

∆H = mCp∆T =mCp(T2- T1)

Y la variación correspondiente en la entalpía específica es:

∆h = Cp∆T =Cp(T2- T1)

Para simplificar el cálculo y formar una estimación general se aplica la expresión sobre

el agua por ser el elemento mayoritario en el fermentador. El calor específico del agua

(Cp) es 4.18 kJ·kg-1·K-1. Suponiendo que la temperatura inicial es la temperatura

ambiental 25ºC, se puede decir:

∆h=Cp(T2- T1) = 4.18 (310 – 298) = 50.16 kJ kg-1

El consumo de energía de cada fermentador se halla multiplicando la entalpía

específicapor la masa de agua correspondiente (la densidad del agua es de 1,00 kg/dm3,

por lo que el balance en litros es igual al balance en kilogramos):

Fermentador A y B: Mh = 1250 (50.16) = 62700 kJ

Fermenador C: Mh= 12700 (50.16) = 637032 kJ

Fermentador D: Mh= 8400 (50.16) = 421344 kJ


67

Se especifica que en el balance se despreciará el trabajo mecánico del sistema de

agitación por ser una agitación suave que no requiere gran aporte energético. Igualmente

se omiten las pérdidas de calor del sistema hacia los alrededores.

Una vez estimada la energía que necesita cada fermentador se calcula la potencia que

que se debe suministrar para que funcione el equipo, conociendo que 1 kJ son 2,78×10-

4kWh. (Tabla)

Tabla 4. 10. Necesidades energéticas de los biorreactores

Fermentador Energía necesaria Potencia suministrada

A y B 62700 kJ 17.43 kWh

C 637032 kJ 177 kWh

D 421344 kJ 117 kWh

TOTAL 1183776 kJ 328.86 kWh



68

2. PRODUCTO FINAL

2.1. El producto final

Procacao se diseña con el objetivo de crear un nuevo producto funcional enriquecido

y probiótico, con mayor vida útil que los productos probióticos ya existentes.

2.2. Pruebas de Diseño

Antes de hacer cualquier prueba microbiológica para confirmar la viabilidad y la

estabilidad del producto final se consideran diferentes alternativas que existen para

obtener un producto de larga vida útil y económicamente asequible para las familias

actuales. Para conseguirlo se parte de un producto deshidratado en el que los

microorganismos se encuentran en un entorno más protegido y controlado.

Posteriormente se considera a qué tipo de consumidor estaría dirigido el producto.

Considerando las ventajas de los productos funcionales probióticos se piensa en el sector

infantil, ya que es en esta etapa donde se forma y se fortalece la flora intestinal por

naturaleza y más favorable puede resultar una incorporación de probióticos. Igualmente

se deja la opción abierta de un producto que también pueda consumir un público con más

edad y con problemas gastrointestinales.

Otro factor a tener en cuenta es la presentación del producto. Éste podría mostrarse

como una bebida de consumo directo o como una mezcla deshidratada que necesita

incorporarse a la leche. Teniendo en cuenta que se pretende conseguir un producto de

larga vida útil y contiene microorganismos vivos los cuales actúan como factor limitante

en la caducidad del producto, se decide la opción de una mezcla deshidratada como

preparado alimenticio.

Desde este punto, se abren varias alternativas de procesado; secado por spray o

liofilización. (Posteriormente en el capítulo de ingeniería se hablará más detalladamente

de ambos procesos). Finalmente se selecciona el secado por liofilización como mejor

opción para el producto a fabricar.

Finalmente se define un diseño claro como es el de Procacao, producto funcional

enriquecido que consiste en un preparado alimenticio a base de cacao en polvo soluble

con microorganismos probióticos encapsulados conservados con liofilización.

Pruebas de Viabilidad y Estabilidad

Una vez esbozado el tipo de producto que se quiere fabricar se probó si era posible

llevar a cabo los objetivos a la realidad a nivel de laboratorio.

El preparado alimenticio sin adición de microorganismos ya se encuentra en el

mercado, un claro ejemplo puede ser Cola Cao o Nesquik. Sin embargo, queda comprobar

que método es útil para incorporar a un producto de este tipo los microorganismos que

interesan.

Las pruebas de viabilidad se hicieron una vez elegidas las cepas de microorganismos.

Como ya ha sido dicho se eligió la liofilización como técnica de secado y para ello

previamente se debían proteger los microorganismos para que no murieran en el proceso.

Se decidió encapsularlos por medio de una técnica llamada extrusión. El elemento

encapsulador sería alginato de sodio alimenticio, un polisacárido formado por dos


69

monosacáridos (Los dos con un grupo ácido; el ácido gulurónico y el ácido manurónico).

Éste tiene la propiedad de formar geles y soluciones altamente viscosas.

El alginato en forma de sal sódica es soluble en soluciones acuosas a pH por encima

de 3.5. También es soluble en mezclas de agua y solventes orgánicos miscibles con ella,

como el alcohol, pero es insoluble en leche por la presencia de calcio. Las soluciones de

alginato tienen un comportamiento no newtoniano, con una viscosidad que disminuye

mucho al aumentar la velocidad del movimiento. En presencia de calcio, el alginato puede

formar una estructura donde los iones de calcio se sitúan como puentes entre los grupos

con carga negativa del ácido gulurónico.

Para obtener una encapsulación correcta inicialmente se tuvo que añadir a la disolución

acuosa de los microorganismos seleccionados con una concentración de109ufc/ml

alginato sódico alimenticio concentración máxima 3% p/v, (a partir de esta concentración

la disolución se vuelve demasiado viscosa).

Después de conseguir una disolución entre los microorganismos y el alginato de sodio

se encapsularon por medio de la caída de gotas de esta misma disolución en una

disolución de cloruro de calcio. Las gotas conseguidas a través de una pipeta caían en la

disolución y quedaban rodeadas por una película encapsuladora, protectora y que las

diferenciaba perfectamente dentro de la disolución de cloruro de calcio. La difusión de

iones de calcio desde el exterior del alimento funciona especialmente en materiales de

pequeño tamaño, o cuando la velocidad no es importante.

A continuación se especifica el procedimiento para comprobar la viabilidad de la

encapsulación.

- Aislamiento de bacterias seleccionadas.

- Crecimiento de las bacterias seleccionadas en caldos de cultivo estériles.

- Obtención de una disolución de 100 ml con 109ufc/ml en la que se

encuentra un coctel de bacterias seleccionadas.

- Preparar la disolución de alginato de sodio acuosa con una concentración

máxima de 3%.

- Mezclar ambas disoluciones obtenidas

- Preparar una disolución de cloruro de calcio para endurecer las cápsulas.

- Con una pipeta (Modelo p1000 de Eppendorf de rango 1000-100 µl) gotear

cantidades de 1ml de la disolución mezcla sobre la disolución endurecedora.

- Separar las capsulas con un filtro

- Congelar las cápsulas -20ºC

- Liofilizar durante 24 horas por debajo de 610 Pascal (o punto triple).

- Obtención del producto deshidratado

- Dividir dos cantidades iguales; Una permanecerá durante 30 días

almacenada en las siguientes condiciones: sin humedad, temperatura ambiente y

sin luz (éstas coinciden con las condiciones en las que se almacena cualquier

producto deshidratado). La segunda cantidad separada se mezclará con un

producto alimenticio de cacao en polvo soluble. Ambas estarán en condiciones

estériles.

- Analizar ambas cantidades comprobando si los microorganismos

continúan vivos y realizar un conteo por densidad óptica.


70

Después de realizar el protocolo diseñado, resultaron viables ambas cantidades

deshidratadas. El conteo que se realizó resultó positivo y proporcionó la información

necesaria para asegurar la viabilidad del producto con todas las características que se

había propuesto.

Figura 4. 5. Pruebas de diseño


Figura 4. 6. Viabilidad en el laboratorio



71

3. SUBPRODUCTOS

El proceso productivo está diseñado para que se utilice toda la materia prima requerida.

Pero una fábrica siempre tiene residuos y es importante valorar la calidad de éstos como

subproductos. Así se podría disminuir el volumen de los residuos obtenidos que plantean

un problema medioambiental y un gasto económico por transporte y/o tratamiento

considerable.

Como principales residuos se obtienen todas las entregas de materia prima defectuosas

o que no cumple con un mínimo de calidad y los fluidos con carga microbiana

provenientes del cultivo de microorganismos probióticos.

3.1. Materia Prima de origen vegetal.

Este subproducto engloba a todos los residuos orgánicos procedentes del procesado de

la materia prima empleada y de las posibles entregas que no superen los niveles de calidad

necesarios. La cantidad generada de este subproducto puede estar entre el 70% del total

de los residuos orgánicos.

Este subproducto será aprovechado como ingrediente de valor en alimentación animal

y que pueden ser aprovechados para ser transformados en harinas para piensos.

Para que tenga viabilidad como subproducto habría que realizar un estudio sobre sus

características nutricionales, sustancias indeseables, microbiología, todo aquello

relacionado con la calidad de la alimentación animal.

Hay ciertas empresas (Ej: AZTI- Tecnalia) que siguen el proyecto europeo de Clean

Feed cuyo objetivo es el de prevenir la generación de residuos vegetales mediante su

aprovechamiento como ingredientes de valor en alimentación animal. A partir de restos

de frutas, cáscaras y hollejos producen harinas que posteriormente incluyen en los piensos

para animales.

Los residuos vegetales podrían utilizarse como subproducto para añadirse a este tipo

de harina, siempre y cuando se superen los análisis sanitarios y nutricionales necesarios

y presenten condiciones adecuadas para su instrucción en piensos.

3.2. Fluidos con carga microbiana.

Este subproducto se obtiene de los residuos producidos por el cultivo de

microorganismos a gran escala. Al tener una carga microbiana controlada se puede

estudiar la opción de utilizar estos mismos microorganismos para el tratamiento biológico

de residuos sólidos como los urbanos (humano-basuras), agrícolas (estiércol), ganaderos

(mataderos) o líquidos como los urbanos (Humano – aguas residuales) y agrícolas

(purines).

Para el tratamiento de aguas residuales urbanas se suelen emplear cultivos mixtos de

microorganismos biodescomponedores para acelerar procesos de descomposición de

residuos en forma natural. En el proceso de depuración de aguas residuales se tiene lugar


72

una fermentación anaerobia. Y entre los cultivos mixtos se pueden encontrar cuatro

grupos microbianos: bacterias hidrolíticas (Clostridium, Streptococos, Lactobacillus,

Peptococcus…), bacterias acidogénicas (Acetovibrio, Butyrivibrio, Lactobacillus…),

bacterias acetogénicas (Acetogenicum, Acetobacterium…) y las bacterias metanogénicas

(Methanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum) todos ellos complementarios e

imprescindibles para el proceso. Las bacterias ácido lácticas que se pueden suministrar

como subproducto de la industria producirían ácido láctico a partir de los azúcares de la

materia orgánica y otros carbohidratos generados por otras bacterias. Otra ventaja es que

pueden suprimir otros microorganismos patógenos con el aumento de concentración del

ácido láctico en el medio, como Fusarium. Y ayudan a solubilizar la cal, la

descomposición de la lignina o la celulosa y el fosfato de roca fosfórica. (Sustainable

Community Development, 2001)

También, es posible utilizar este tipo de residuos en el método de ensilaje de pescado

que se consigue a base de la pesca acompañante y residuos de pescado, conservados con

ácidos orgánicos o inorgánicos (ensilado químico) o mediante fermentación láctica

(ensilado biológico) de un sustrato de carbohidratos que se les añade. Aunque en el

ensilaje de pescado se produce cierta hidrólisis de las proteínas para formar péptidos y

aminoácidos, el valor nutritivo de la materia prima se mantiene y se puede utilizar para

sustituir fuentes tradicionales de proteínas en la alimentación de los animales domésticos,

en particular los monogástricos. Los fluidos con carga microbiana se pueden destinar a

crear ensilados biológicos para alimentación animal de mayor calidad sin requerir de

equipos o infraestructuras especiales ni instrumentales sofisticadas. Para ello se pueden

utilizar microorganismos del género Lactobacillus y Streptococcus para que actúen sobre

sustratos ricos en carbohidratos procedentes de harinas de distintos cereales, creando así

un ensilado bilógico y económico. Además presentan ciertas ventajas sobre los tipos de

ensilados químicos como es una sencilla manipulación, sin los riesgos que presentan los

químicos, sus costos reducidos porque no hay necesidad de importar el ácido orgánico, la

posibilidad de adicionar diversas cepas de bacterias acido-lácticas, el uso de melaza es

fácilmente obtenida en el país a un costo razonable, el tiempo de proceso reducido y un

producto, incluyendo sabor y olor, más apetecible. (Tratamiento y utilización de residuos

de origen animal, pesquero y alimenticio en la alimentación animal, Estudio FAO

producción y sanidad animal, Manuel Sánchez)


73

4. DESCRIPCIÓN DE ACTIVIDADES DEL PROCESO Y

TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN

El proceso de elaboración del producto cuenta con las siguientes fases.

4.1. Recepción de la materia prima

La materia prima se recibirá en una amplia zona de recepción, teniendo en cuenta la

naturaleza de los diferentes ingredientes, los proveedores los envían en sacos y se

transporta por medio de camiones. Se almacenará en distintas salas dependiendo del tipo

de ingrediente. Todas las materias primas exceptuando las de sector microbiológico se

destinarán a almacenamiento o a la sala de dosimetría. Sin embargo, los paquetes de

microorganismos se almacenarán en una cámara frigorífica para asegurar unas

condiciones estables en su conservación.

Toda la materia prima que no sea de índole microbiológico será comprada ya

esterilizada y con el certificado correspondiente. Por lo tanto, el producto final en el que

la mayor parte de sus ingredientes han sido irradiados deberá contener en su etiquetado

el logotipo de productos irradiados que certifica la UE.

Fuente: Aecosan. Ministerio de salud.

4.2. Preparación de cultivos

4.2.1. Activación de los cultivos

Los cultivos se activarán siguiendo las instrucciones de la casa donde se haya

comprado, realizando verificaciones con todas las cepas y luego repicadas en un medio

de cultivo líquido alternativo. Se incubarán durante 48 horas a 37ºC (primera siembra) y

tras ese tiempo se realizará una segunda siembra durante 24 horas bajos las mismas

condiciones que la anterior, en un caldo de 1 litro de cada cepa de microorganismos. La

realización del segundo repique a partir del primer inóculo para todas las cepas tiene como

objetivo evaluar el escalamiento del proceso, además de obtener un inóculo joven en fase

exponencial para ser adicionado posteriormente a los biorreactores y obtener una

fermentación más rápida en un tiempo menor.

4.2.2. Fermentación y crecimiento

Esta operación se lleva a cabo en la sala de fermentación donde se encuentran los

biorreactores donde crecen las cuatro cepas. Es un proceso batch, es decir, discontinuo.

Figura 4. 7. Logotipo propuesto por la UE para las etiquetas de alimentos irradiados

http://www.google.es/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCMrF8PWin8cCFcNAGgodukYDVw&url=http://www.kontestator.eu/artykuly_z_nexusa/nexus_019_napromieniowywanie_zywnosci.php&ei=l_7IVYqeAsOBabqNjbgF&bvm=bv.99804247,d.d2s&psig=AFQjCNHdivCN5BXd_LylCHOUMp7eIkIGKA&ust=1439322130915232


74

Este asegura mejor las condiciones asépticas, se introducen el caldo de nutrientes y la

cepa en el instante inicial y, a partir de ahí, no existen corrientes de entrada ni salida del

reactor.

Todos los biorreactores deben permanecer a una temperatura de 37ºC para optimizar

el crecimiento microbiano.

Todos los días se recoge la población bacteriana crecida, y todos los días se repone

esos mismos fermentadores una vez desinfectados, con nuevo caldo de cultivo para la

siguiente fermentación.

Cada cepa tiene una velocidad de crecimiento diferente y se debe tener en cuenta

cuantas horas necesita cada una para lograr la cantidad necesaria para el procesado del

producto. Por ello, las cepas con la velocidad más lenta de crecimiento utilizarán más de

un fermentador y disponer así de tiempo para producir la biomasa suficiente todos los

días.

Todos los biorreactores contarán con un sistema de agitación que incrementará la

velocidad de crecimiento de las bacterias al tener mejor acceso a los nutrientes y la

concentración de células estará más repartida.

Se dimensionarán los biorreactores dependiendo de los cálculos realizados en el

balance de materia:

Fermentadores A y B

- Necesidades volumétricas: 1317.81 litros

- Las dimensiones del biorreactor serán de 2 m3 (2000 litros)

- Velocidad del agitador: 100 rpm

Fermentador C

- Necesidades volumétricas: 13703.33 litros



Fermentador D

- Necesidades volumétricas: 8652 litros



Como la producción de la biomasa se realiza en todos los biorreactores a 37º todos

deberán contar con un sistema de camisas de agua que mantenga esa temperatura estable.

También estarán bajo las condiciones de pH especificados en el apartado del Balance de

Materia.

La limpieza de estos equipos es esencial para el mantener la seguridad alimentaria e

impedir la contaminación microbiana. La asepsia se consigue con un lavado del

biorreactor y de las tuberías, después se llena con el caldo de cultivo correspondiente y


75

se lleva a cabo la esterilización. Se logrará manteniendo una presión positiva para impedir

la entrada de nuevos microorganismos y un buen funcionamiento del sello mecánico.

4.2.3. Centrifugación y lavado

La biomasa se recoge por decantación de los mismos reactores biológicos y

posteriormente se centrifuga para purificar la población bacteriana. El producto

decantado se centrifuga varias veces eliminando el sobrenadante y recogiendo el pellet

generado en la centrifugación. Este pellet es lavado en varias ocasiones con agua

esterilizada y de nuevo centrifugado hasta conseguir un pellet considerado como biomasa

purificada. En cada centrifugado se separan los residuos del caldo de cultivo que

permanecen junto a la biomasa y ser consecutivamente eliminados o recogidos para su

uso como subproducto.

Cada uno de los cuatro fermentadores debe proporcionar un mínimo de 5kg de biomasa

purificada.Para que el proceso sea más rápido y no retrase el resto de actividades se

dispondrá de tres centrífugas cada una asignada a uno de los fermentadores.

Después de conseguir la biomasa de cada fermentador purificada se mezclarán con el

resto de biomasas de los otros fermentadores logrando los 20kg necesarios para la

producción.

Se estima que la cantidad de materia decantada que se debe centrifugar no tiene que

superar los 30 kg, ya que la población de bacterias será aproximadamente de 5 kg. Por lo

tanto, las centrífugas se dimensionarán teniendo en cuenta la cantidad de producto

decantado.

Una vez que están todas las cantidades de biomasa necesarias centrifugadas y

depuradas se mezclan los 4 tipos de cepas junto a los biopolímeros comerciales que les

protegerán dentro de la cápsula, dejándolas listas para su recubrimiento.

El equipo soporta la limpieza CIP (Clean In Place) tras la finalización de la separación.

Los líquidos de lavado circularán a través de la centrífuga y del resto del sistema para que

ningún punto que pueda estar en contacto con el producto quede sin lavar.

Todo el equipo (centrífuga más sistemas auxiliares) es esterilizable por vapor. La

esterilización se hace en paro, con vapor saturado a una presión de 2,5 bar y temperatura

de 137ºC. El proceso dura unos 60 minutos, tras los cuales la centrífuga y todos sus

equipos auxiliares son enfriados y presurizados con aire estéril para evitar

contaminaciones hasta el momento del siguiente trabajo.

4.2.4. Adición del material de recubrimiento

Una vez purificadas los cuatro tipos de bacterias se mezclan en una disolución de agua

estéril y polímeros microbianos comerciales preparados previamente según las


76

indicaciones de la casa comercial. A continuación, se adiciona el material de

recubrimiento, con a una concentración entre el 2% y el 3% (los porcentajes varían

dependiendo del material de recubrimiento que se utilice) sobre el volumen total de la

disolución. Este material permite la microencapsulación de las bacterias probióticas

reteniéndolas bajo una matriz que protege y mejora la biodisponibilidad del

microorganismo dentro del tracto intestinal.

En el marcado actualmente hay muchas alternativas (Tabla 4.11.) que ofrecen estas

características y se deben estudiar detenidamente para conocer cuales el material protector

que reune las mejores propiedades en sus características químicas como material

encapsulado, aplicación, condiciones de almacenamiento y proceso al cual será expuesto.

Tabla 4. 11. Clases de material de recubrimiento

CLASES DE MATERIAL DE

RECUBRIMIENTO

TIPOS ESPECÍFICOS DE

RECUBRIMIENTO

Gomas Goma arábiga, agar, alginato de sodio,

carrangenina

Carbohidratos Almidón, Maltodextrinas, Sacarosa, jarabe de

maíz, ciclodextrinas

Celulosas Carboximetil celulosa, metil celulosa, etil celulosa,

nitrocelulosa, acetilcelulosa

Lípidos Cera, parafina, triestarina, ácido

esteárico,monoglicéridos, diglicéridos, cera de abejas,

aceites, grasas

Materiales inorgánicos Sulfato de calcio, Silicato

Proteínas Gluteína, caseína, gelatina, albúmina

Fuente: J. Yáñez Fernández, J.A. Salazar Montoya, L. Chaires Martínez, J. Jiménez

Hernández, M. Márquez Robles y E. G. Ramos Ramírez. Aplicacionesbiotecnológicas de la

microencapsulación. (2002)

Entre todas las opciones disponibles se elige la goma alginato de sodio por ser

insoluble y no reactivo con el material central y porque proporciona máxima protección

al material central contra condiciones adversas como la luz, el pH, el oxígeno, la humedad

y otros ingredientes reactivos. También permite la liberación completa de los solventes

durante el proceso de encapsulación, tiene un sabor insípido, bajo costo y puede mejorar

sus propiedades físicas cuando se mezcla con otros polímeros creando matrices más

resistentes y con una porosidad muy inferior a la normal (Tecnologías para la Industria

Alimentaria. Microencapsulación. Alimentos Argentinos). Aun así, si la porosidad

presentada en la encapsulación puede convertirse en un problema se puede contrarrestar

modificando la estructura del gel empleando un sistema mixto polimérico con quitosano.


77

Figura 4. 8. Micrografías SEM, capsula de alginato (a), alginato-quitosano (b) y alginato con

relleno de almidón (c)

Fuente: Encapsulación de compuestos bioactivos con alginatos para la industria de alimentos.

López C. Alex .F.2011

Este tipo de material ofrece protección en el rango de temperaturas que puede estar

expuesto el producto final y ayuda a la liberación de los microorganismos una vez que se

encuentran en el intestino.

4.2.5. Microencapsulación

Fuente: Lopretti, M. Barreiro, F. Microencapsulación de compuestos de actividad

biológica.

Figura 4. 9. Estructura de microesferas y microcápsulas


78

Esta actividad se desarrolla en la misma zona de los fermentadores. El proceso de

microencapsulación hace referencia el recubrimiento de diferentes sustancias, en este

caso de bacterias probióticas, bajo la forma de partículas o glóbulos líquidos con

materiales de distinta naturaleza para obtener partículas de tamaño micrométrico. Esta

técnica estabiliza a las bacterias protegiéndolas de los agentes externos, las transforma de

un medio líquido a uno sólido, enmascara los posibles olores y sabores y se puede

controlar su liberación en el intestino, lugar donde tienen efecto positivo sobre la salud.

La cantidad diaria que se debe microencapsular es de 20 kg (5 kg de cada tipo de

bacteria) de bacterias provenientes del centrifugado de la biomasa de los fermentadores.

Al utilizar probióticos el principal inconveniente que se presenta es la escasa

resistencia de éstos a diferentes condiciones ambientales y tecnológicas. No todas las

técnicas de microencapsulación son apropiadas para los probióticos, ya que por sus

características se tienen que permitir la obtención de un tamaño adecuado, el cual oscila

entre 15 – 100 µm, las microcápsulas mayores a 100 µm son detectables en la boca, y las

inferiores a 15 µm no dan suficiente protección frente a los agentes externos para la

supervivencia de éstos. (Villena y col. 2009)

La encapsulación se realizará mediante secado por atomización con la aplicación de

alginato como material de recubrimiento. Este proceso cuenta con tres fases principales:

dispersión del principio activo en el alginato, atomización de la mezcla y deshidratación

(Zuidam y Shimoni, 2010).

El procedimiento consiste en la preparación de una emulsión o suspensión que

contenga el compuesto a encapsular, los materiales biopoliméricos y el material de

recubrimiento, el cual es pulverizado sobre un gas caliente que generalmente es aire

promoviendo así la evaporación instantánea del agua, permitiendo que el principio activo

presente quede atrapado dentro de una película de material encapsulante con una

actividad de agua (aw) inferior del 5%. Las micropartículas en polvo obtenidas inferiores

a 100 µm son separadas del gas a bajas temperaturas. Una de las grandes ventajas de este

proceso es, además de su simplicidad, que es apropiado para materiales sensibles a altas

temperaturas debido a que los tiempos de exposición son muy cortos (5 a 30 s) (Martín-

Villena et al., 2009; de Vos et al., 2010; López-Hernández, 2010).

Fuente: Bryshila Lupo Pasin.Microencapsulación con alginato en alimentos. Técnicas y

aplicaciones (2012).

Figura 4. 10. Tipo de microcapsulas


79

4.3. Mezclado

Esta operación, posterior al pesaje, tiene como objetivo lograr la distribución más

regular posible de los componentes en la totalidad de la masa del producto, sin que estas

materias primas cambien sus propiedades, físicas o químicas. Tiende a producir una

distribución al azar de partículas diferentes y como por resultado un estado de máximo

desorden de la distribución de cada ingrediente.

En esta fase se añaden los microorganismos probióticos ya microencapsulados y

deshidratados en la dosis necesaria diaria, 10 kg, a la mezcladora con el resto de

ingredientes ya pesados para ser mezclados. Después la mezcla es tamizada por un

colador vibratorio y cae dentro de un silo transportado por una tolva rellenadora.

4.4. Envasado

Una vez mezclado ya está disponible para su envasado. Éste consistirá en introducir el

producto desde el silo donde ha caído después del tamizado a la envasadora la cual

distribuirá el producto en latas metálicas de aluminio cilíndricas que le preservarán y

aislarán totalmente del ambiente exterior. La tolva rellenadora distribuirá

automáticamente la correspondiente cantidad dentro de las tolvas de la envasadora. Este

tipo de envase previamente esterilizado proporcionará una resistencia mecánica siendo al

mismo tiempo un empaque liviano lo cual facilita su manipulación, almacenaje y ahorro

de combustible para su transporte. También evitará la degradación del producto causada

por la acción de la luz y es totalmente reciclable. Igualmente se pueden diseñar diferentes

tamaños de envase para adaptarse a las preferencias del consumidor.

Cada lata es pesada en una balanza que rechaza automáticamente cualquier lata no

llenada con la adecuada cantidad de producto. Posteriormente se inyectará gas nitrógeno

dentro de las latas para evitar la oxidación del producto y finalmente selladas

herméticamente.

Después de que las latas hayan sido selladas herméticamente, éstas son colocadas

dentro de cajas de cartón que son sellados con cinta adhesiva, paletizado y envuelto en

film plástico retráctil.

4.5. Almacenamiento y distribución

Los palés son almacenados en la zona de almacenamiento lleno en la cual se van

colocando según terminan su procesado. Se establece el Sistema Primeras Entradas

Primeras Salidas (PEPS) para que haya una mejor rotación de alimentos y evitar el

vencimiento de los mismos.


80

5. DIAGRAMA PRODUCTIVO

Fuente: Elaboración

propia

Leyenda

Ruta de microorganismos probióticos

Ruta de los ingredientes

Aditivos

Biomasa microbiana

Microorganismos

probióticos

Ingredientes

Activación de

inoculos

(72 h/37ºC)

Fermentación y

crecimiento

Centrifugación

y lavado

Microencapsulación

Agua estéril y

polímeros

microbianos

Alginato y

quitosano

Mezclado

Envasado – Etiquetado

Recepción de la Materia

Prima

Empaquetado – Paletizado

Crema de cereal

kolamalteado, extracto

de nuez de cola, fibra,

azúcar, sales minerales

(calcio y fósforo), sal,

leche en polvo, etc.

Lactobacillusrhamnosus

HN001,

Lactobacillusacidophilus

NCFM, Bifidobacteriumlactis

Bb12 y

Streptococcusthermophilus Th4

Biorreactores a 37ºC

Gas nitrógeno

Pesado

Almacenamiento

Expedición



81

6. FLUJO DEL PROCESO

LEYENDA


Recepción

Control - Pesado

Almacenamiento temporal de la materia prima

Activación de cultivos

Fermentación y crecimiento

Centrifugado y lavado

Microencapsulación

Mezclado

Almacenamiento

Envasado

Expedición

Transporte Inspección Operación

Almacenamiento Almacenamiento temporal


82

7. TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN Y MAQUINARIA DEL PROCESO

7.1.1. Equipos de laboratorio

El laboratorio debe disponer de los aparatos e instrumental necesario para el correcto

desarrollo del control del proceso microbiológico de la industria. Para ello se equipará

con todos los elementos y materiales necesarios en un laboratorio de Microbiología.

Entre estos se encontrarán mecheros Bunsen, dos estufas de incubación, una cámara

refrigerada, un congelador, dos microscopios ópticos, dos centrífugas, una cámara de

seguridad biológica, un desionizador de agua, un espectrofotómetro, un contador de

colonias, dos balanzas electrónicas, dos baños termostáticos, cuatro agitadores o

mezcladores, un pH-metro, cuatro biorreactores de laboratorio, y material fungible

habitual en laboratorios: pipetas, placas Petri, gradillas, tubos de ensayo, vasos de

precipitado, etc.

Fuente: M.C. Lorena Pedraza Segura. Departamento de Ingeniería y Ciencias

Químicas. Universidad Iberoamericana

7.2. Biorreactor

El biorreactor es un sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. En los

cuatro casos (correspondiendo respectivamente a las diferentes cepas) el proceso químico

que involucra a los microorganismos es anaerobio. Este tipo de cultivo es el más simple

de todos (pueden existir también facultativos y aeróbicos), tan solo necesitan de un medio

de cultivo adecuado, agitación vigorosa y cierta cantidad de CO2 disuelto para crecer y

multiplicarse.

Generalmente son depósitos cilíndricos de acero inoxidable que buscan mantener

ciertas condiciones ambientales propias ( pH, temperatura, concentración de gases)

adecuados para el microorganismo.

Alternativas de cultivo

Según los flujos de entrada y salida el sistema presenta tres alternativas diferentes,

discontinuo (batch), continuo y semidiscontinuo ( fed-batch).

- Sistema discontinuo:

Figura 4. 11. Siembra a nivel de laboratorio en agar MRS y micrografía de bacterias


83

Se realiza por lotes o tandas, sin alimentación. Se coloca dentro del reactor la

carga total de cada proceso de cultivo y se deja que lleve el proceso productivo

por el tiempo que sea necesario (tiempo de retención).

Las células se cultivan en biorreacion con una concentración inicial, sin que

ésta sea alterada por nutrientes adicionales o lavados, por lo que el volumen

permanece constante y sólo las condiciones ambientales del medio (pH,

temperatura y velocidad de agitación) son controladas por el operador. El proceso

finaliza cuando todo el sustrato es consumido por la biomasa o se consigue el

objetivo del proceso.

- Sistema semidiscontinuo:

Por lotes alimentados y con alimentación a la entrada. Se alimenta una línea de

entrada para que el sistema de cultivo tenga producto (biomasa) con máximo

crecimiento (exponencial) y aumente la productividad. Los nutrientes son

suministrados al biorreactor de forma semicontinua o continua, mientras que no

hay efluente en el sistema. La baja adición intermitente del sustrato mejora la

productividad de la fermentación manteniendo baja la concentración del sustrato.

Este proceso está restringido por la capacidad volumétrica del reactor.

- Sistema continuo:

Se aplica la técnica de quimioestato, se alimenta con una línea de entrada con

nutrientes de manera continua y se drena una salida o lavado, de manera que los

flujos o caudales de ambas líneas sean iguales y la producción sea continua.

Alternativas de crecimiento

Dependiendo de la forma en la que crezcan las bacterias se puede determinar dos

métodos difirentes; el crecimiento inmovilizado o en suspensión.

- Bacterias inmovilizadas:

Este tipo de sistema tiene como objetivo la producción de metabolitos a partir

de la fermentación de los microorganismos, no el desarrollo de la biomasa. Este

tipo de células son más baratas, se disponen en grandes cantidades aunque son

menos específicas. Al utilizarlas se evitan las operaciones de extracción y

purificación.

- Bacterias en suspensión:

En este tipo de reactor las células están suspendidas y se pueden mezclar

libremente en el fluido, bien sea como células individuales o en forma de

agregados. La principal ventaja es proporcionar un ambiente de cultivo uniforme

para las células. Una de sus principales desventajas es el relativo bajo control

sobre el tamaño de agregado de las células. Cuando los agregados formados son

grandes, los niveles de nutrientes en el centro de los agregados puede no ser


84

adecuado para soportar la actividad metabólica.(Fernando Orozco Sánches,

Rodrigo Hoyos Sánchez, Mario E. Arias Zabala, 2002)

Alternativas seleccionadas

Se elige por la escala de producción un cultivo en discontinuo porque a pesar de ser

más costoso a largo plazo, se pueden controlar mejor los parámetros que condicionan el

ambiente interno del biorreactor, al igual que es favorable en el mantenimiento de las

condiciones asépticas. La operación es más sencilla y es más versátil que un reactor

continuo. Además, con este tipo de biorreactores se consigue cultivos más puros y la

calidad es mayor.

Entre la selección del tipo de células se elegirá las células con un crecimiento en

suspensión ya que el objetivo principal de estos equipos es la producción de biomasa

específica y no de sus posibles metabolitos. Para optimizar su crecimiento se implanta un

sistema de agitación el cual pone en contacto el sustrato con la población bacteriana,

proporciona una densidad uniforme de población bacteriana uniforme, previene la

formación de capa superficial y de espumas, así como la sedimentación en el reactor.

También previene la formación de espacios muertos que reducirían el volumen efectivo

del reactor y elimina la estratificación térmica, manteniendo una temperatura uniforme

en todo el reactor (Noone, 1990).

La agitación puede ser de varios tipos, mecánica, hidráulica o neumática. Y la

velocidad de agitación es importante porque puede influir en el desarrollo del proceso,

siendo necesario un equilibrio entre la buena homogeneización y la correcta formación

de agregados bacterianos (Fannin, 1987). Una velocidad de agitación alta, por encima de

700 rpm, puede disminuir ligeramente la producción de biogás (Stafford, 1982), por

ruptura de agregados bacterianos.

Una vez elegidas las características principales de un biorreactor se puede diseñar

siguiendo sus necesidades básicas.

Fuente: CTB- biorreactores

Figura 4. 12. Reactor batch de escala industrial


85

La geometría del tanque (Figura 4.8) destinado al crecimiento celular debe disponer

de un diseño que sea completamente drenable. Por ese motivo, la configuración debe ser

cilíndrica vertical, con fondos tori-esféricos, generalmente fondos tipo Klöpper. Sin

embargo, en este caso, se utilizará fondos cónicos para fomentar la sedimentación de las

bacterias una vez se quiera parar el proceso y recoger la biomasa. La salida partirá desde

el fondo cónico ayudando el drenaje de la sedimentación. Después de TIEMPO

sedimentando se recogerá el producto y pasará a su centrifugación.

Los materiales empleados en su construcción deben ser no reactivos y resistentes a la

esterilización y a los reactivos de limpieza. Serán de acero inoxidable de alta calidad como

AISI-316L o Hastelloy. Su acabado debe evitar la acumulación de partículas por lo tanto

serán matizados o pulidos mecánicos.

Dentro del factor de agitación se escoge una hélice marina (Figura 4.7) que crea un

flujo axial por su posibilidad de montaje tanto en fondo superior como inferior, su bajo

poder de cizalladura de las paredes celulares y su fácil drenabilidad. Su ubicación será

Fuente: Ana Lázaro 2003

Fuente: www.ingenieriatci.es

Figura 4. 13. Hélice axial

Figura 4. 14. Esquema de un biorreactor

http://www.ingenieriatci.es/


86

centrado en el fondo superior porque no necesita lubricación y es más fácil su limpieza,

si fuera necesario se instalaría unos bafles que crearan turbulencias para facilitar la mezcla

(Ana Lázaro, 2013). Para evitar la creación de espumas por agitación se le añadiría a la

mezcla antiespumantes, de los cuales usualmente se utiliza silicón.

Tabla 4. 12. Características técnicas

Fuente: www.lavallab.com

En la fábrica se necesitan 4 tipos de tanques cilíndiricos de fondo cónico con las

siguientes características.

Fermentador A y B:

- Volumen: 15 000 litros

- Agitación: Sí, hélice axial con opción a bafles.

- Sistema de calefacción y temperatura: Intercambio de calor a través

de camisas y a unatemperatura estable de 37ºC.

Item Estándar Opcional

Tanque Acero inoxidable 316

L grano 240 Aleación especial, pulido espejo

Circuito de

calefacción

circuito cerrado,

acero galvanizado

intercambiador de calor

para vapor

Acero inoxidable 316 L, Calentamiento

eléctrico, intercambiador de calor para los

circuitos de refrigeración

Agitación por el fondo,

transmisión por correa Por arriba, con acople magnético

Cierre

mecánico

Carburo de silicio,

lubricado con glicerina Lubricado con vapor condensado

Agitador agitador de palas,

deflectores

Circulación de aire " airlift ", tubo de

aireación

Entrada de

aire

Filtro auto estéril,

filtro cerámico

Filtro separado, doble filtro, filtro absoluto,

estación de mezcla de gases

Aireación Aireación sumergida Aireación de superficie, aireación sin

burbujas

Puertos Tapa estándar y

puertos laterales

Número y posiciones flexibles puertos

estándar

Ventanas

Ventana longitudinal

y sobre la tapa, con

iluminación

Número y posiciones flexibles

Salida de

aire Filtro cerámico

Filtro absoluto, recirculación del

refrigerante destrucción de espuma,

incinerador

Inoculación Puerto de inoculación Tubería fija, conceptos de transferencia

Muestreo Válvula de muestreo

manual

Válvula neumática, válvula de contención,

etc.

Cosecha Válvula manual Válvula neumática, tuberías fijas, conceptos

de transferencia

Adición de

medios

Por aguja, a través de

la tapa

Válvula dosificadora, acoples, tubería fija,

conceptos de transferencia

Esterilizació

n

Esterilización manual

del filtro auto estéril y

válvula de salida de aire

Esterilización automática del filtro auto

estéril y de la válvula de salida de aire.


87

- pH: 6.2

Fermentador C


- Agitación: Sí, con hélice axial con opción a bafles.

- Sistema de calefacción y temperatura: Intercambio de calor a

través de camisas y a unatemperatura estable de 37ºC.

- pH: 6.8

Fermentador D


- Agitación: Sí, con hélice axial con opción a bafles.

- Sistema de calefacción y temperatura: Intercambio de calor a

través de camisas y a unatemperatura estable de 37ºC.

- pH: 7.3

A continuación se recogen los principales datos relacionados con el diseño de los

biorreactores en una tabla resumen (Tabla).

Tabla 4. 13. Tabla resumen

Fermentador Cepa Temperatura pH Volumen Agitación T.R.

A Lactobacillus

rhamnosus HN001 37 ºC 6.2 15 000 L 100 rpm 2-3 h

B Lactobacillus

acidophilus NCFM 37 ºC 6.2 15 000 L 100 rpm 2-3 h

C Bifidobacterium

lactis Bb12 37 ºC 6.8 15 000 L 100 rpm 2-3 h

D Streptococcus

thermophilus Th4 37 ºC 7.3 10 000L 100 rpm 15 h


T.R.: Tiempo de retención. Tiempo que dura el bioproceso que se lleva a cabo en el

tanque.

7.3. Centrífuga

La centrífuga es un equipo con un motor que hace girar un rotor (el cual tiene soportes

para tubos) a tal velocidad, que gracias a la fuerza centrífuga generada, permite separar

por sedimentación los componentes de una mezcla heterogénea como puede ser las

bacterias de una muestra líquida.

La fuerza centrífuga se mide en gravedades (G), aunque usualmente se hace referencia

solo al número de revoluciones por minuto (rpm). La fuerza G se relaciona con el radio

del rotor y las rpm, según la fórmula:

𝐹𝐶𝑅 = 4𝜋𝑟2𝑛2 ÷ 𝐺

Donde:


88

- FCR es la fuerza centrífuga relativa

- r: es el radio del rotor

- n: representa las rpm

Es muy importante durante el uso de este equipo mantener el equilibrio dentro del

rotor. Para centrifugar un tubo con material, éste debe equilibrarse por peso con otro tubo

y ambos colocados diametralmente opuestos del rotor. Un desequilibrio en el pesado

puede causar graves accidentes incluso destruir la centrífuga, lo cual es más patente

cuando se usan ultracentrífugas, como en este caso, capaces de generar fuerzas de

centrifugación mayores de 100000G (Evelyn Rodríguez, 2005).

Según las necesidades de la industria se necesitan lograr 5 kg de bacterias de cada

fermentador, por lo tanto, se calcula que debe centrifugarse aproximadamente entre 80 y

50 litros de sedimento entre todos los reactores aparte de los lavados posteriores a la

centrifugación inicial con el propósito de purificar las bacterias. Para ahorrar tiempo en

su fabricación teniendo en cuenta que la máxima capacidad que tiene es de 6 litros en

cada centrifugado, se necesitarán mínimo dos unidades. Se centrifugará a una velocidad

de 11.800 rpm para evitar la muerte de las bacterias.

Para centrifugar las bacterias se ha elegido un tipo de ultracentrífuga refrigerada con

las siguientes características técnicas:

- Centrífuga refrigerada de super alta velocidad.

- Dispone de una gran variedad de rotores de ángulo fijo, oscilantes, de flujo

continuo y de nuevos materiales compuestos FiberLite, resistentes a la corrosión

y sustancias ácidas.

- Capacidad máxima: 6 litros.

- Máxima aceleración: 100,605 xg.

- Máxima velocidad: 29,000 rpm.

- Motor a inducción libre de carbones.

- Modos de aceleración y desaceleración programables.

- Rango de alimentación extendido que permite operar entre 200 volts y 240

Volts.

- Interfaz con el usuario mediante pantalla táctil para ingresar todos los

parámetros de funcionamiento.

- Sistema de vacío inteligente que se aplica a requerimiento de los

parámetros.


89

7.4. Atomizador

Existen diferentes técnicas que se pueden utilizar para la microencapsulación de

microorganismos, entre ellas se evalúan tres tipos de procesos, los químicos, los físicos y

los fisicoquímicos.

Alternativas de microencapsulación

a. Procesos químicos

Coacervación

Se basa en la inducción, mediante la modificación de alguna variable de proceso, de

la desolvatación del polímero, que luego se deposita en forma de gotas microscópicas de

coacervado alrededor del compuesto que se va a encapsular. Se obtienen dos fases

líquidas, una rica (coacervado) y otra pobre en coloides (sobrenadante).Entre los

procedimientos inductores de la coacervación se pueden mencionar: cambios de

temperatura, modificación del pH y adición de un “no solvente”, una sal o un polímero

incompatible.

Encapsulación por liposomas

Los liposomas son vesículas microscópicas esféricas, de 20 a 30 nanómetros de

diámetro, que están rodeadas por una membrana compuesta de un fosfolípido y un

colesterol bicapa, que envuelve a una sustancia acuosa de tal manera que sirven para

transportar esta sustancia.

Su ventaja radica en la facilidad con la que se varía la permeabilidad, estabilidad,

actividad superficial y afinidad de los liposomas con sólo cambiar la composición y el

tamaño de los lípidos de la membrana. Así mismo se debe mencionar que durante el

almacenamiento se debe evitar la exposición al oxígeno así como también a las

temperaturas elevadas. Además este método de microencapsulación requiere de la adición

de antioxidantes.

Figura 4. 15. Sorvall LYNX6000

Fuente:www.microlat.com

http://www.microlat.com/


90

b. Procesos físicos

Secado por spray

Es el método más utilizado y el de menor costo. El proceso demanda tres etapas

básicas: la formación de la emulsión entre el material central y el de pared, la

homogenización y la aspersión. La emulsión se atomiza dentro de una corriente de aire

caliente. Al evaporarse el agua los sólidos remanentes forman una cápsula rodeando a la

sustancia de interés por atracción másica, la exclusión instantánea del agua mantiene la

temperatura del centro por debajo de los 100°C. La recolección de las microcápsulas

obtenidas se realiza mediante ciclones.

Los parámetros más importantes que deben controlarse durante este proceso son: las

temperaturas de entrada y salida del aire de secado, el flujo de alimentación del producto

a secar el tiempo de residencia y el acondicionamiento de la materia prima. Comparado

con otros métodos mencionados, el secado por spray presenta una eficiencia de

encapsulación relativamente alta.

Las principales ventajas de esta técnica son la disponibilidad de equipos a distintas

escalas (laboratorio, piloto, industrial), la buena estabilidad del producto final, la

adecuada retención de volátiles y la posibilidad de producir a gran escala en modo

continuo.

Recubrimiento en lecho fluidizado

Este método se utiliza cuando la sustancia que ocupa el centro de la microcápsula es

un sólido. El proceso consiste en situar a las partículas sólidas en una cámara con corriente

de aire hacia arriba, donde el material de pared se atomiza. Las partículas hacen ciclos

aleatorios dentro de la cámara con el fin de recibir sucesivas capas delgadas. Esto último

permite la aplicación de diferentes tipos de materiales de pared, tanto aquellos que funden

fácilmente (aceites vegetales hidrogenados, estearinas, ácidos grasos, ceras) como

polisacáridos (almidones, gomas y maltodextrinas). La corriente de aire desplaza a las

partículas recubiertas hacia la parte superior, donde se produce la solidificación y

finalmente caen en la malla metálica. La cantidad de partículas cubiertas depende de la

longitud de la cámara y del tiempo de residencia dentro de ésta.

El recubrimiento por lecho fluidizado es un proceso complejo de transferencia de calor

y masa que involucra diferentes microprocesos, como la producción y la dispersión de

gotas, la evaporación del solvente, la transferencia de calor y el comportamiento de las

partículas en el lecho fluidizado.

Extrusión

Este método consiste en el paso de una emulsión formada por la sustancia activa que

se desea encapsular y el material de pared, a través de un extrusor (equipo que da forma

por presión a una masa fluida) a alta presión. Debido al calor al que se somete al material


91

activo, este proceso no es adecuado para la microencapsulación de compuestos sensibles

a las temperaturas elevadas.

Aspersión por enfriamiento

Estos métodos son una variante del secado por aspersión, los materiales de pared

usados en este caso deben presentar punto de fusión bajo, como son las ceras, grasas o

aceites hidrogenados. Estos son sometidos a un proceso de fusión en lugar de ser

atomizados y las partículas se forman a través del enfriamiento. La reducción de la

temperatura produce una solidificación del lípido que actúa como pared y el atrapamiento

de la sustancia activa en el centro de la cápsula. Las microcápsulas así obtenidas protegen

al centro activo de la humedad, ya que son insolubles en agua debido a su cobertura de

lípidos, por lo que se encapsulan materiales solubles como enzimas, vitaminas solubles

en agua y acidulantes. La liberación del principio activo se lleva a cabo a la temperatura

de fusión del recubrimiento.

c. Procesos físico-químicos

Inclusión molecular

Es una técnica de encapsulación a nivel molecular para la cual se utiliza beta-

ciclodextrinacomo agente encapsulante. Es usada principalmente para la

microencapsulación de flavores (sabores, olores) los cuales son generalmente lipofílicos

por lo que se deben incorporar enmatrices alimentarias que contengan grasas o aceites

para poder solubilizarlos y dispersarlos correctamente. (Alimentos Argentinos . Magali

Parezenese. Ficha Nº20)

Selección de la alternativa

Se escoge el secado por spray por su reproducibilidad y economía. Es una técnica que

se puede llevar a gran escala y acorta el procesado de encapsulación y deshidratación en

una sola actividad, cuando, por ejemplo, la extrusión necesitaría una operación más de

secado, por liofilización o al vacío.

La preparación de microcápsulas con esta técnica requiere primeramente, la selección

del tipo de atomizador considerando la viscosidad de la solución, así como el tamaño de

gota deseado a fin de generar la mayor superficie de contacto entre el aire caliente y el

líquido, la forma de contacto entre las gotas y el aire caliente dependiendo de la

sensibilidad al calor del producto, el tiempo de contacto gota-aire, la temperatura del aire

y por último el tipo de método de separación de los sólidos secos (Gharsallaoui et al.,

2007).

Con esta técnica se puede consiguir una alta probabilidad de supervivencia adaptando

los parametros de tamaño velocidad y temperatura adecuados al cóctel de bacterias ya

que en esta fase se mezclarán las cuatro cepas para su encapsulamiento.

Se elige un equipo diseñado por la empresa GEA cuyas características técnicas son:


92

- Flujo nominal de gas del proceso principal: 360

- Capacidad de evaporación de agua de 30 litros/hora

- tamaño de partícula aproximado entre 10 y 90 µm.

- Requerimientos de espacio, LxWxH (m): 4.4 x 2 x 2.7

Fuente: www.xydryer.com

7.5. Balanza digital

Este instrumento se utiliza para controlar el peso generalmente de un contenedor o un

depósito para productos a granel. Se ha decidido usar tres unidades de este tipo de

balanzas para poder pesar todos los ingredientes necesarios en la producción diaria según

la fórmula estipulada.

Sus características técnicas son las siguientes:

- Rango de pesaje hasta 300 kg

- Resolución: 10 g

- Precisión: ± 40 g

- Dimensiones plataforma: 500 x 600 mm

- Interfaz RS-232 bidireccional

- Apto para medición en continuo

- Instalación en panel de control opcional

Figura 4. 16. Esquema de un secadero en spray

http://www.xydryer.com/


93

- Opcional: Modem GSM / LAN / RS-485, etc.

7.6. Mezclador

Para la actividad de mezclar todos los ingredientes necesarios para configurar el

producto final se dispone de un equipo mezclador. Sin embargo existen tres alternativas

generales para este tipo sistemas según su disposición: mezclador de tambor, mezclador

horizontal y mezclador vertical.

Alternativas

- Mezcladoras verticales:

Son usadas principalmente en operaciones de plantas de alimentos pequeñas o por

integradores con menores necesidades de producción. Este tipo de mezcladoras incluyen

uno o dos tornillos helicoidales elevadores, que pueden ser estacionarios o rotatorios, los

cuales mueven hacia arriba los ingredientes realizando el proceso de mezclado. Las

principales ventajas de las mezcladoras verticales son su relativamente bajo costo y su

menor requerimiento de espacio. Las desventajas incluyen un mayor tiempo de mezclado,

capacidad limitada de inclusión de ingredientes líquidos y mayores requerimientos de

limpieza.

- Mezcladoras horizontales:

Pueden ser de listones o de paletas. La mezcladora horizontal de doble listón es la

mezcladora más utilizada actualmente en la industria de alimentos balanceados y la que

ofrece el menor tiempo de mezclado, son especialmente útiles con ingredientes secos y

de fácil movilidad. Su funcionamiento se basa en dos espirales de listones internos y dos

espirales de listones externos en lado opuesto de los internos, los cuales permiten

transportar los ingredientes de un extremo a otro mientras lo revuelven.

- Mezcladores de tambor:

En este tipo de mezcladoras, el alimento se mezcla de la misma forma que las

revolvedoras. Pueden efectuar un buen mezclado cuando se les llena a la capacidad

recomendada y se le da un tiempo adecuado de mezclado. Sin embargo, puede haber

algunos problemas de atascamiento cuando se adicionan líquidos pegajosos (aceite o

melaza). Aunque el uso de este tipo de equipos se ha incrementado recientemente, debido

a principalmente, a su bajo consumo de energía, actualmente existe poca información

Figura 4. 17. Balanza digital

Fuente: www.pce-instruments.com

http://www.pce-instruments.com/


94

disponible respecto a la confiabilidad o capacidad de este tipo de mezcladoras para

obtener una mezcla uniforme.

Selección de alternativa

Finalmente se elige el tipo de mezclador horizontal con capacidad de 5000 kg,

concretamente un modelo de mezclador horizontal de bandas. Un equipo muy adecuado

para la homogeneización de lotes de productos de morfología y densidad similar. Indicado

para lotes de gran tamaño por su bajo consumo de energía.

Principio de funcionamiento:

Su espiral mezcladora horizontal gira a una velocidad moderada que genera

flujos inversos de producto dentro de la cámara de mezcla

Características técnicas del modelo mezclador SUPRAMIX:

- Capacidades desde 100 a 50.000 litros

- Mezcla en batch

- Capacidad de mezcla de 1:10.000 en pocos minutos

- Tiempos de mezcla medios, máximo 30 minutos

- Mezclas repetitivas, reproducibles y escalables

- Mezclador de bajo mantenimiento

- Máquina de bajo coste de adquisición

- Certificado ‘CE’ según la Directiva de Seguridad de Máquinas

2006/42/CE

Accesorios, opcionales y ejecuciones especiales

- Pulido interior espejo Ra ≤ 0.6 µm (Grit 360)

- Pulido exterior mate o brillo

- Inyección de líquidos por aspersión

- Camisa de calefacción y/o refrigeración

- Puertas superiores de inspección y limpieza

- Apertura automáticas de las puertas de inspección

- Opcionalmente, diseño sanitario cGMP, validable FDA

- Ejecuciones ATEX bajo demanda

- Ejecución ATEX 20/0 oficialmente certificada

- Sistemas de carga y dosificación de sólidos

- Pesaje electrónico

- Instalaciones de formulación

- Sistemas de envasado del producto


95

Fuente: www.bachiller.com

Con este equipo según se especifica en sus características tiene pesaje electrónico. Esta

ventaja puede suponer un acortamiento en el tiempo de pesaje y en la prevención de

errores dentro del proceso.

7.7. Silo de almacenamiento

Este equipo es un contenedor que se situará en el interior de la planta y se almacenará

entre el mezclado y el envasado. Su volumen será de 6 m3 y ahí se almacenará el producto

una vez mezclado. Contará con una tolva de descarga que irá llenando las tolvas principal

y auxiliar de la envasadora las cuales tienen de capacidad entre las dos 0.2 m3. La salida

de descarga de la tolva será por gravedad por ello tendrá un fondo cónico que facilite la

descarga del polvo.

Características técnicas:

- Material de fabricación de acero inoxidable

- Control de llenado

- Filtros de desaireación

- Válvulas de seguridad

- Sistema de extracción

- Válvulas de cierre

- Equipo de dosificación y de transporte

Figura 4. 18. Mezclador horizontal de bandas

http://www.bachiller.com/


96

Fuente:www.solids.es

7.8. Envasadora

Entre todos los materiales con los que se puede crear un envase se ha decidido optar

por el aluminio al estar su utilización tan extendida, resultar tan económica y por ser

totalmente reciclable. Este tipo de material protege totalmente al alimento sin dejar que

traspase la luz, olores, líquidos o gases, siendo inerte a la interacción del material con el

contenido.

La forma seleccionada del envase es una lata cilíndrica de dimensiones 12 x 10 cm

(Altura x Diámetro) sellada con gas inerte y con tapa de plástico.

Para llevar a cabo este proceso se utiliza una máquina llenadora de polvo en latas

completamente automática, concretamente el modelo RGL-2B3.

Este sistema es de alta precisión y está diseñada para envasar productos en polvo o

granos. Cuenta con ciertas ventajas como la eliminación de latas vacías automático,

pesaje y opción a pesaje doble. Tiene una estructura mecánica fácil de cambiar el tamaño

de las piezas y de limpiar. También cabe destacar su función de soporte de latas, vibración

y extracción de polvo al igual que el sistema de llenado que es impulsado por tres juegos

de servo motor, y cuenta con posicionamiento preciso, alta precisión y velocidad giratoria

ajustable

Sus características técnicas son:

- Modo de medición Taladro de llenado y pesaje doble

- Tamaño del contenedor: Contenedor cilíndrico φ50—180MM. Altura 50-

350MM

- Peso de embalaje 10 — 5000 G

- Rango de pesaje 1— 6000 G (Resolución de 01g)

- Precisión de llenado ≤ 500g, con un error de ≤±1.5g 500~1000g, con un

error de ≤±2.5%g >1000g, con un error de ≤±4g

- Índice de llenado 25 — 55 latas/min

Figura 4. 19. Silo descarga por gravedad

http://www.solids.es/


97

- Fuente de energía 3P/380V (1P/220V de acuerdo a sus requisitos) 50 —

60Hz

- Potencia total 3KW

- Presión de aire 6-8kg/cm2

- Tolerancia de uso 0.2m3/min

- Peso total 700KG

- Dimensiones generales 3330×1200×2930MM

- Volumen de la tolva 80L(principal), 55L(auxiliar)

7.9. Maquinaria auxiliar

Carretilla elevadora

La máquina seleccionada para el transporte de las bandejas y otras labores de

transporte de mercancía es una carretilla Tergo UHD 250 ATLET (Figura 4.18) de carga

y descarga en muelles.

Tabla 4. 14. Características de la carretilla

Fuente: catálogo Atlet

UHD 250 Capacidad nominal, kg 2500 Centro de carga, mm 600 Anchura de carretilla,

mm 1397

Máxima altura de elevación, mm

8950

Figura 4. 20. Carretilla elevadora


98

8. RESUMEN MAQUINARIA

La maquinaria utilizada se presenta en la tabla 4.15.

Tabla 4. 15. Resumen de la maquinaria

Proceso Descripción del

proceso Maquinaria Características

Activación de los inóculos

Activar las bacterias probióticas y crear su inóculo respectivo

Equipos de laboratorio: Material fungible, centrífuga, autoclave…

Fermentación y crecimiento

Inocular los biorreactores y controlar el crecimiento

Biorreactores Material: Acero inoxidable

Fondo: Cónico Capacidad: 10 - 15

m3

Centrifugación Purificar los cultivos bacterianos

Centrífuga Sorvall LYNX 6000 Capacidad

máxima: 6 L Velocidad máxima:

29000 rpm

Microencapsulación y secado

Crear micropartículas cubiertas por alginato y quitosano deshidratadas

Atomizador Modelo: PRODUCTION MINOR™ Spray Dryer

Material: Acero inoxidable

Pesaje Pesar las cantidades apropiadas de los ingredientes

Balanzas digitales

Modelo: PCE-SD 300E

Mezclado Mezclar todos los ingredientes e incorporar las bacterias microencapsuladas

Mezclador horizontal

Mezclador SUPRAMIX

Capacidad: 5000 kg

Almacenamiento intermedio

Almacenar y conservar el producto en condiciones controladas

Silo Volumen: 6m3 Material: Acero

inoxidable Tolva de

descargada incorporada

Envasado Envasar y dosificar el producto en lastas de aluminio

Llenadora de polvo

Material de Embalaje: Aluminio y Plástico

Embalaje: Palé

Maquinaria Auxiliar Carga y descarga del producto y/o de los ingredientes

Carretilla elevadora

Carretilla Tergo UHD 250 ATLET.

Fuente: Elaboraciónpropia


99

9. NECESIDADES DE MANO DE OBRA

Para el correcto funcionamiento y mantenimiento de la industria se considera

necesario el siguiente personal.

Gestión administrativa:

- Director gerente: será el encargado de la dirección y coordinación de la

industria.

- Director comercial: gestionará, representará y dará a conocer el nuevo

producto.

- Administrativo: se encargará de la contabilidad y de la gestión

administrativa de la oficina.

Proceso productivo:

- 1 Encargado de la producción: se encargará de dirigir la producción

material del producto, su actividad es fundamental para el control y calidad de los

ingredientes y determinar los tiempos de las actividades del proceso.

- 1 ayudante del encargado de producción

- 2 operarios que se encargan de la recepción y control de las materias

primas.

- 5 operarios que se encargan de realizar las pruebas de calidad

microbiológicas, controlar los parámetros de los biorreactores y preparar los

inóculos.

Otros servicios:

- 4 personas que se encargaran de la limpieza de las instalaciones.

- 2 personas que se encargaran del mantenimiento y vigilancia de la

instalación cuando no se está trabajando en la industria.

capítulo 4: ingenería del proceso - etsia.upm.es · pdf filedescripción...

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