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Como citar este trabajoAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Utilización de algas pardas (Sargazos) para la obtención de Alginatos de Sodio de diferentes calidades
Mesa J. M.I; Valle M. M.I; Brossard L.E.I; L.A.B. CortezII
IUniversidad de Oriente.Ave. Las América S/N, CEP. 90400, Santiago de Cuba, CUBA
IIUNICAMP,Campina,SP,Brasil, Cidade Universitária "Zeferino Vaz" Barão Geraldo, Campinas, SP, CEP: 13083-970, DECONRU/FEAGRI, Fone: 019-788 7242, Fax: 788-1010
RESUMEN
Debido a la necesidad de aprovechar al máximo los recursos que la naturaleza nos brinda, surge este trabajo, en el cual se propone una tecnología para la obtención de alginato de sodio con distintas calidades, a partir de algas pardas (Sargazos).
Se estudian las etapas fundamentales para la obtención de alginato y se identifican las controlantes, así como las variables de posible influencia sobre la calidad del producto final (alginato de sodio).
A partir de un diseño experimental se optimiza el efecto de los factores de posible influencia en las etapas controlantes, ajustando modelos matemáticos que describen el comportamiento de los factores de calidad medidos. El análisis anterior conlleva a la propuesta de alternativas para la obtención de alginato de calidad aceptable para su uso en diferentes industrias como la textil, la agricultura y la biotecnología, entre otras.
Finalmente y a partir de un análisis económico se determina la propuesta tecnológica mas factible para la obtención de este producto altamente utilizado y con un costo superior a los 30000USD por tonelada.
Palabras-claves: Alginatos, Sargassos, Acido algínico.
ABSTRACT
This work originates from the necessity of getting the maximum use of natural recourses. It offers a technology of the obtainment of sodium alginate of different qualities from brown alga (Sargasso).
The research of the fundamental stages of the obtainment of alginate has been carried out as well as the identification of the controlling stages and the possible variables of the quality of the final product have been defined.
Based on an experimental design the effect of the factors of the possible influence has been optimized at the controlling stage, adjusting mathematical models that describe the behavior of the measured factors of quality.
The previous analysis guides to the proposition of alternatives for the obtainment of alginate of acceptable quality for its utilization in different industries such as textile, agriculture, biotechnology, etc.
Finally, based on the economic analysis, an effective technological recommendation for the obtainment of this product has been developed.
INTRODUCCIÓN
La situación económica y social imperante en el planeta, hace evidente la necesidad de aprovechar al máximo los recursos que la naturaleza nos brinda, sin que esto vaya en detrimento del ecosistema mundial. Las algas marinas es uno de los recursos naturales renovables que nos ofrece el mar.
Dentro del reino vegetal, las algas podríamos clasificarlas en cuatro grandes grupos, en función del tipo de pigmento que poseen y que les da su aspecto característico[CASAS VALDES.1989]:
• Las Clorofmceas o también llamadas algas verdes.
• Las Feofmeas o algas pardas.
• Las Rodofmeas o algas rojas.
• Las Cianofmeas o algas azules, que suelen caracterizarse por ser algas unicelulares.
Los alginatos se encuentran localizados dentro de las paredes y espacios intercelulares de las algas pardas, de las cuales existe un gran numero de especies susceptibles de explotación industrial, dentro de este grupo las especies más importantes son: Macrocystis, Laminarias, Ascophylum, Sargassum y Turbinarias, debido a su abundancia, distribución geográfica y altos contenidos de alginatos.[Mc.HUGHT D.1986]
En las costas de EU y México se encuentran las Macrocystis pyrifera, la misma predomina en aguas frías y su presencia se empobrece a temperaturas mayores de 20 ºC, especialmente si el agua caliente persiste por varias semanas.
La Laminaria lyperborea y Laminaria digitara son explotadas fundamentalmente por los países europeos, estos son Noruega, Irlanda, Francia, entre otros.
El Ascophylum nodosum se encuentra fundamentalmente en zonas costeras de Escocia y parte de Irlanda, países estos con alto desarrollo tecnológico en la esfera de los alginatos.
Los Sargassum y las Turbinarias son las más comunes en Cuba, ellas llegan a las costas durante los meses de Abril a Julio en forma de arribazones, impulsadas por las corrientes marinas. Las zonas donde se presentan con mayor frecuencia según estudios realizados son: Punta de Maisí, Playa Yateritas, Playa Siboney, Boca de Cabañas, Cabo Cruz, Cayo Coco entre otras.[ARIAS D.R.1996]
Los alginatos, tanto en su forma soluble, como insoluble, poseen una gran variedad de usos, día a día en número de aplicaciones se hace mayor, y cada uno de los compuestos o sus combinaciones resultantes ofrecen propiedades tan particulares que les permiten ser utilizados en diversas industrias tales como de alimentos, médica, farmacéutica, textil , biotecnológica y otras.
El alginato de sodio es un producto que aunque se usa en pequeñas proporciones en las distintas industrias, resulta muy difícil y costoso la creación y control de una tecnología para la obtención de este producto con alta calidad, causa que justifican los el costo de una tonelada de mediana calidad en 30000 USD.
Objeto de estudio: Los Sargassum.
Objetivo: obtención de alginato de calidad aceptable para su uso en diferentes industrias como la textil, la agricultura y la biotecnología, entre otras.
Campo de acción: Tecnología para la obtención de alginato de sodio a partir de Sargassum, propuesta por Gutiérrez - Moreira.[GUTIERREZ, J.J.1992]
Hipótesis: La viscosidad y el rendimiento del alginato de sodio, reportado [GUTIERREZ, J.J.1992], son bajos, sin embargo las cantidades de calcio y magnesio contenidos dentro del alga después de tratadas, asegura la presencia de alginato en forma de alginato de calcio y magnesio respectivamente, indicando la posibilidad de incrementar los rendimientos. Por otra parte, la acción combinada de la temperatura y pH básico en la etapa de extracción alcalina, propician la degradación del polímero (baja viscosidad).
Método de Investigación: Teóricos, prácticos, experimentales y económicos.
Tareas:
1. Estudio experimental sobre la influencia de los factores involucrados en las áreas o etapas controlantes.
Se define el método químico sobre el cual se actuará en busca de un incremento en la calidad del producto final (viscosidad) así como del rendimiento . Para ello se identifican las etapas controlantes y los factores de posibles influencia y a partir de pruebas experimentales diseñadas se obtienen modelos matemáticos que son usados para determinar las mejores condiciones.[MESA PÉREZ J.M.1998]
Finalmente un análisis de los resultados conllevan al desarrollo de propuestas tecnológicas para un flujo de 40Kg/h de harina de algas.
2. Análisis económico.
Se realiza el cálculos de parámetros económicos para la selección de la mejor propuesta tecnológica. [ULRICH, G.1993]
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN
Estudio experimental de la influencia de los factores involucrados en las áreas o etapas controlantes.
En Cuba se propone un método para la obtención de alginato de sodio a partir de sargasum por Gutierrez Moreira y colaboradores [GUTIERREZ, J.J.1992] el cual será nuestro punto de partida en busca de alternativas tecnológicas, que posibiliten obtener alginato de sodio de mejor calidad.
Método para la extracción de alginato de sodio.
Materiales y equipos.
- Agitador mecánico de velocidad variable, marca MCW, MR25. RDA.
- Rodete de impelente abierto
- Reactor estandarizado de 5 L de capacidad
- Balanza técnica, marca OWA LABOR. RDA.
- Termómetro de 0-100°C
- Tela de filtro
- Solución de carbonato de sodio
- Solución de ácido clorhídrico
- Solución de cloruro de calcio
Los experimentos se realizan a nivel de banco a partir de la metodología descrita en la figura 1
¿ Que objetivos se persiguen en cada etapa y cuales son los factores de posible influencia?
Para la realización de los experimentos se tendrán en cuenta dos respuestas:
1. Viscosidad del alginato de sodio (solución de alginato al 1 % en masa), que es un parámetro de calidad.
2. Rendimiento, que es un parámetro económico.Selección de las etapas controlantes.
De las siete etapas fundamentales para la obtención de alginato, las controlantes resultaron ser:
Etapa 2: Pre-extracción ácida.
Etapa 3: Extracción alcalina del alginato de sodio.
En el siguiente diagrama se representa las etapas controlantes y los factores de posible influencia sobre el rendimiento y la viscosidad.
Pre-extracción acida
Luego de realizar un análisis de tamizado a partir de un diseño fraccionado, se obtuvo que las variables de mayor influencia fueron las siguientes. [SAN PEDRO S.1996]
X2 - concentración de la solución de H Cl (me/l)
X3 - relación líquido sólido (kg/kg)
Con dos variables, se decide realizar un diseño factorial completo 2K .
Resultados
Modelo matemático codificado
El modelo encontrado ajusta los datos experimentales para un 95% de confiabilidad..
Conclusiones para esta etapa.
1. Se podrá continuar obteniendo mejores resultados si se disminuyen tanto la concentración, como la relación líquido sólido, o sea, el modelo matemático y la superficie de respuesta generada sugieren continuar experimentando según la trayectoria de máxima pendiente.
2. Desde el punto de vista tecnológico resulta imposible continuar disminuyendo la relación líquido sólido, de los contrario en el reactor habrá mucho sólido y muy poco líquido, situación que limita la reacción química, además de afectar el funcionamiento de los reactores al incrementar la potencia consumida por los motores.
3. Los mejores resultados en la zona de experimentación estudiada se obtienen cuando:
Optimización de la etapa de extracción alcalina.
Modelo matemático codificado obtenido para la viscosidad.
Análisis de la superficie de respuesta
Según la tabla de análisis de varianza, el modelo ajustado es predictor de los datos experimentales ya que la falta de ajuste no es significativa y el R2 es de 95.5 %.
La ecuación canónica
El valor de yc es el valor de la viscosidad en el punto de máxima respuesta y fue encontrado, derivando el modelo con respecto a cada factor, igualándola a cero y resolviendo el sistema de ecuaciones. .[GUERRERO HABER,1998]
Análisis del modelo en su forma canónica.
1ro. Como J1, J2 y J3 son negativos estamos en una zona de óptimo, cuyo valor es yc = m = 1783.04 cps.
2do. Como /J3/ es mayor el efecto que provoca sobre la viscosidad también lo será, por lo que X3 debe controlarse estrictamente (la variable X3 es la relación líquido sólido).
3ro. Los valores de X1, X2 y X3 que generan la máxima respuesta son:
Análisis del comportamiento del rendimiento.
Modelo matemático ajustado.
1- Según la tabla de análisis de varianza, el modelo matemático ajusta para un 95 % de confiabilidad, es predictor de los datos experimentales en la zona de experimentación escogida con R2 = 0.996. En este caso no es necesario el ajuste de una correlación de mayor orden.
2- Como la viscosidad es el parámetro de calidad de mayor importancia, si se quiere conocer que rendimiento corresponde en esas condiciones, basta con evaluar las X1, X2 y X3 que optimizan la viscosidad en el modelo encontrado para el rendimiento.
Luego para estas condiciones R » 14 %, sin embargo en los experimentos existen rendimientos hasta de un 38 %.
3.- La conclusión anterior permite plantear varias propuestas tecnológicas:
Propuestas tecnológicas
1ro. Trabajar con tecnología propuesta por González Moreira donde el rendimiento es de un 10 % y la viscosidad de (250-300) cps.
2do. Luego de optimizar las etapas 2 y 3 es posible alcanzar 14 % de rendimientos y viscosidad de 1783 cps.
3ro. Recircular el alga de la lixiviación a una segunda para extraer mayor cantidad de alginato con viscosidad de 1783 cps.
4.- Para los cálculos posteriores se considerará que en la segunda extracción se alcanza un 28 % de rendimiento ya que este varía según la materia prima.
6.- La propuesta tecnológica 1 será desechada por baja viscosidad.
7. El balance de masa de la diferentes propuestas tecnológicas se realizó para un flujo de harina de alga de 40 kg/h y un diamétro promedio del conglomerado de partículas de 0,43mmm. A partir de pruebas de laboratorio se calcularon los principales parámetros de diseños y se procedió al diseño y seleccion de los equipos.
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ECÓMICOS PARA CADA TECNOLOGÍA
Propuesta 1
La propuesta 1 necesita una inversión de capital inicial de 882864.2USD, la planta se pretende construir en un año y la capacidad de producción es 30464 kg de alginato por año. Los gastos para esta producción ascienden 721495.98USD.
Los resultados del análisis de rentabilidad permiten afirmar que el tiempo de restitución es superior a los 6 años y el VAN resulta negativo para un interés de un 10% (Tasa de rentabilidad aceptada para la industria química). Por estas razones podemos afirmar que la propuesta 1 no es económicamente factible, incluso sin tener en cuenta otros parámetros que pueden afectar la rentabilidad del proceso como: incertidumbres asociadas a ingresos, costo de producción, tiempo de vida del proyecto, gastos de fabricación y fallos de los equipos, el valor del VAN es negativo y la tasa interna de rentabilidad (TIR) es de un 10% igual a la tasa de interés, por tanto si se compara la TIR con la tasa mínima aceptable que es i + h, siempre la TIR resultaría menor.
donde h es el factor de riesgo asociado a las incertidumbres.
Propuesta 2
La propuesta 2 necesita una inversión de capital inicial de 1236873.30USD, la planta se pretende construir en un año y la capacidad de producción es 60928kg de alginato por año. Los gastos para esta producción ascienden 956617.38USD.
Los resultados del análisis de rentabilidad permiten afirmar que el tiempo de restitución es superior a los 2 años y el VAN resultó de 2307504.56USD para un interés de un 10% (Tasa de rentabilidad aceptada para la industria química) y un tiempo de vida económico de 10 años. Por estas razones podemos afirmar que la propuesta 2 aparenta ser económicamente factible, si se tuvieran en cuenta otros parámetros que pueden afectar la rentabilidad del proceso como: incertidumbres asociadas a ingresos, costo de producción, tiempo de vida del proyecto, gastos de fabricación y fallos de los equipos, el valor del VAN puede mantenerse positivo .Si se compara la tasa interna de rentabilidad (TIR) que es de un 44% con la tasa mínima aceptable que es i + h, existen grandes posibilidades que la TIR resulte superior.
CONCLUSIONES
1. Las algas pardas y dentro de ellas los sargasum son la única fuente natural de obtención de alginato de sodio en nuestro país.
2. En la etapa de pre-extracción ácida el número de acidificaciones y la concentración de ácido clorhídrico constituyen las variables controlantes.
3. Las mayores viscosidades se alcanzan cuando la concentración de ácido clorhídrico y el número de acidificaciones se mantienen en el nivel inferior.
4. El grado de avance de la reacción química constituye la etapa controlante en la pre-extracción ácida.
5. En la etapa de extracción alcalina del alginato de sodio existe un punto donde la viscosidad es máxima. Para este punto el rendimiento alcanzado es del 14%, valor mucho menor al experimentado por otras combinaciones.
6. En la extracción alcalina se llevan a cabo dos mecanismos fundamentales que son: la difusión y la reacción química, siendo ambos importantes.
7. Los modelos matemáticos identificados en ambas etapas fueron ajustados para un 95% de confiabilidad.
8. La conclusión 5 indujo a idear dos propuestas tecnológicas, una primera donde la viscosidad fuese máxima e igual 1700 CPS y 14% de rendimiento y una segunda propuesta con viscosidad similar y un 28% de rendimiento. Esto último se logra si el desecho de algas de la primera lixiviación se le realiza una segunda.
9. La determinación de los parámetros de diseños permiten seleccionar filtros rotatorios al vacío para eliminar el agua, tanto de la suspensión de alginato de calcio, como la del ácido algínico, esta selección se asume debido a la facilidad conque el agua no ligada se separa de la suspensión restante.
10. Las tortas de alginato de calcio y ácido algínico son incompresibles ya que su resistencia es independiente de la caída de presión estudiadas.
11. En el análisis económico se evidencia que la propuesta tecnológica 2 es mejor a la 1.
12. Lo anterior se verifica ya que la Tasa Interna de Rentabilidad (TIR) es de un 44% y el tiempo de restitución es superior a los dos años, sin embargo en la propuesta 1 el TIR es de un 10% y el tiempo de restitución es superior a los 6 años.
RECOMENDACIONES
1. Optimizar la etapa de pre-extracción ácida.
2. Estudiar la interacción entre la etapa de pre-extracción ácida y extracción alcalina.
3. Realizar un estudio de factibilidad económica teniendo en cuenta todo el equipamiento.
BIBLIOGRAFÍA
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