UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
“Estudio
de la Fermentación Láctica para la Extracción de Quitina a partir de Desechos de Crustáceos” Maritza Sánchez Christoffle Coordinadora del Proyecto
Managua, 28 de Septiembre del 2009
TABLA DE CONTENIDO I.
TEMA DEL PROYECTO ....................................................................................................... 2
II.
ÁREA DEL CONOCIMIENTO ............................................................................................. 2
III. COORDINADOR ................................................................................................................... 2 IV. INTEGRANTES/EJECUTORES............................................................................................ 2 V. INSTITUCIONES INVOLUCRADAS .................................................................................. 2 VI. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 3 VII. ANTECEDENTES .................................................................................................................. 4 VIII. JUSTIFICACIÓN.................................................................................................................... 5 IX. HIPÓTESIS ............................................................................................................................. 5 X.
OBJETIVOS............................................................................................................................ 5 10.1 10.2
Objetivo General .............................................................................................................. 5 Objetivos Específicos ....................................................................................................... 5
XI. METODOLOGÍA ................................................................................................................... 6 11.1
Materiales y Equipos ........................................................................................................ 6
11.2 Parte Experimental ........................................................................................................... 7 XII. ALCANCES E IMPACTO DEL PROYECTO .................................................................... 11 XIII. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ................................................................................ 12 XIV. PRESUPUESTO DETALLADO Y PROGRAMA DE DESEMBOLSO............................. 12 XV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 14
1
I.
TEMA DEL PROYECTO
Estudio de la Fermentación Láctica para la Extracción de Quitina a partir de Desechos de Crustáceos II.
ÁREA DEL CONOCIMIENTO
Ingeniería de Procesos: Extracción de biomateriales a partir de desechos utilizando métodos microbiológicos.
III.
COORDINADOR
MP. Ing. Maritza Sánchez Christoffle
[email protected] Ext. 244 (UNI) Facultad de Ingeniería Química, Profesor Titular del Departamento de Química y Medio Ambiente
IV. -
V.
INTEGRANTES/EJECUTORES Alejandro Hernández, Facultad de Ingeniería Química, Técnico con especialidad en procesamiento de Alimentos. E-mail:
[email protected]. Ezra Martín Marcia Palma, Facultad de Ingeniería Química, Egresado de la Carrera de Ingeniería Química. Celular 8492 5428, E-mail:
[email protected] Julia Mercedes Malespín Rocha, Facultad de Ingeniería Química, Egresada de la Carrera de Ingeniería Química, Celular 8437 8951. E-mail:
[email protected]
INSTITUCIONES INVOLUCRADAS
La Empresa Acuarios Internacional y la Empresa CAMANICA suministrarán la materia prima (desechos de langostino y desechos de camarón) para llevar a cabo este estudio. Los beneficiarios directos serán la Facultad de Ingeniería Química (FIQ) y la Empresa Acuarios Internacional. La aplicación de microorganismos para la extracción de materiales valiosos a partir de desechos, a nivel de laboratorio, podrá servir de base a las Empresas involucradas para la producción de biomateriales a mayor escala y a menor costo.
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VI.
INTRODUCCIÓN
Actualmente, existen 15 plantas procesadoras de camarón y langostino en Nicaragua, de niveles y capacidad de proceso diferenciados, 8 de ellas localizadas en la zona del Pacifico. Sin embargo, la industria acuícola produce una gran cantidad de desechos de crustáceos los cuales pueden repercutir negativamente en el medio ambiente y pueden generar un costo adicional para su deposición, reduciendo las utilidades del sistema de producción. Estudios anteriores han demostrado que los desechos de langostinos y camarón pueden ser utilizados como materia prima para la producción de quitina y proteínas (Escorcia y Hernández, 2009). quitosano Así como también, para la obtención otros valiosos subproductos la industria, tales como y glucosamina (Agulló etdeal. , 2004). Estos productos para presentan numerosas aplicaciones en distintas áreas, principalmente en medicina, farmacia, remoción de metales pesados en el tratamiento de aguas naturales y efluentes industriales, cosméticos, industria alimenticia, etc. (Harish et al., 2007). El procesamiento químico para la extracción de estos productos involucra la utilización de altas concentraciones de ácidos y bases fuertes como el hidróxido de sodio y ácido clorhídrico, así como grandes volúmenes de agua, lo que provoca contaminación ambiental debido a los desechos químicos. Además, por medio de esta técnica el %Recuperación, para el caso de la extracción de quitina a partir de cabeza de langostino, es muy baja ya que solamente se logra una recuperación del 58.6% (Escorcia y Hernández, 2009). Como una alternativa, el proceso microbiológico para la extracción de quitina por fermentación ácido láctica ha sido estudiado. Estos estudios involucran el uso de bacterias del ácido láctico (Lactobacilo o Lactobacillus) para la desproteinización y descalcificación del material, obteniéndose quitina como producto final. Lactobacillus es un género de bacterias Gram positivas anaerobias facultativas que tienen la propiedad de producir ácido láctico de la lactosa y otros azúcares por un proceso llamado fermentación. Algunas especies de lactobacillus son usadas industrialmente para la producción de yogur y otros alimentos fermentados. Por otro parte, el suero de la leche, el cual es un gran contaminante de las aguas superficiales debido a su alta demanda bioquímica de oxigeno (DBO), puede ser utilizado como sustrato en las reacciones de fermentación láctica (Trujillo, 1998). El suero de la leche es un líquido obtenido en el proceso de fabricación del queso y de la caseína, después de la separación de la cuajada. Sus características corresponden a un líquido fluido, de color verdoso amarillento, turbio, de sabor fresco, débilmente dulce, de carácter ácido, con un contenido de nutrientes o extracto seco del 5.5% al 7% provenientes de la leche. Con la elaboración de este proyecto se pretende estudiar y aplicar un método microbiológico para la extracción de quitina a partir de desechos de crustáceos por fermentación ácido láctico, utilizando suero de la leche como sustrato.
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Desechos de camarón
Lactobacillus
Quitina VII.
ANTECEDENTES
Desde el 2005, en el área de Ingeniería de procesos del Programa de investigación UNIAsdi/SAREC-FIQ se ha extraído quitina y quitosano, a nivel de laboratorio, a partir de caparazón de camarón por tratamiento químico con bases y ácidos fuertes. El quitosano producido se ha utilizado residuales.como un adsorbente en estudios de remoción de metales pesados de aguas naturales y En un estudio realizado por Escorcia y Hernández (2009) para el diseño y montaje de una planta piloto para producir quitina, se encontró que utilizando la metodología por tratamiento químico se puede obtener un %Recuperación de quitina del 99.8% de caparazón de camarón y del 58.6% a partir de desechos de langostinos. Además, que el costo de producción para la obtención de quitina a partir de desechos de langostino es muy alto en comparación con los precios internacionales. Este dato es muy importante principalmente si se quiere comercializar este producto a nivel internacional. Por otro lado, estudios de purificación de quitina a partir de desechos de crustáceos por fermentación ácido láctica han reportado tener mayores ventajas con respecto al tratamiento químico (Carvalho et al., 2009; Xu et al., 2008): no produce desechos tóxicos, mayor calidad del producto obtenido y disminución de los costos de producción. Dentro de estos estudios se puede mencionar el realizado por Khanafari et al. (2008), el cual extrajo quitina a partir de desechos de plantarum camarón diferentes condiciones. Este estudiofuereportó la efectividadcon de Lactobacillus desmineralización del ácidoa láctico (producido por esta bacteria) mucho que mayor que la del ácido sulfúrico en el tratamiento químico.
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VIII. JUSTIFICACIÓN Los desechos derivados de la producción de camarón y langostino, así como la producción de suero por las industrias queseras crean un problema ambiental que puede afectar la salud de las comunidades aledañas. Sin embargo, estos materiales pueden ser aprovechados para la obtención de productos de interés comercial y de investigación tales como la quitina, el quitosano y la Dglucosamina. Estudios previos han demostrado que la quitina puede ser extraída de desechos de crustáceos por fermentación con bacterias de ácido láctico. Además, se puede usar suero de leche, un contaminantepermitirá: biológico,obtener como mayor sustratorendimiento para llevarena lacabo la fermentación. de esta metodología producción de quitinaEl(enuso el caso de cabeza de langostino), menor costo de producción, ya que se evita la adquisición de reactivos caros, y la contaminación ambiental, ya que no se producirían sustancias tóxicas en los efluentes líquidos. La Empresa Acuarios Internacional está muy interesada en utilizar los desechos de langostino en diferentes proyectos entre los que se encuentra la extracción de quitina para su comercialización y la producción de harina. Actualmente, esta empresa produce un promedio de 12 contenedores de desechos de Langostinos, equivalentes a 450,000lb mensuales.
IX.
HIPÓTESIS
Con la extracción de quitina a partir de desechos de crustáceos por métodos microbiológicos, se obtendrá una mayor recuperación de quitina y proteínas, y una disminución en los costos ambientales y de producción.
X.
OBJETIVOS
10.1
Objetivo General
Estudiar la fermentación láctica para la extracción de quitina a partir de desechos de camarón y cabeza de langostino.
10.2
Objetivos Específicos
Establecer los parámetros óptimos para la fermentación láctica de caparazones de camarón y cabeza de langostinos usando suero de la leche como sustrato. Determinar el pH, la acidez total, la concentración de Ca, el %Nitrógeno proteico y el %Nitrógeno total como variables de medición, durante la fermentación láctica del caparazón de crustáceos. Comparar los resultados obtenidos de la fermentación láctica con los obtenidos con el tratamiento químico.
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XI.
METODOLOGÍA
Este estudio se llevará a cabo en las instalaciones del laboratorio de Ingeniería de los alimentos, en la Facultad de Ingeniería Química (FIQ) y los análisis para la determinación de los parámetros de medición se realizarán en los diferentes laboratorios de la FIQ.
11.1
Materiales y Equipos
11.1.1 Suero de Leche Para laCon elaboración del se suero se hace coagular la leche la adición de una pastilla de cuajo. ello la leche descompone en dos partes: una mediante masa semisólida, compuesta de caseína y un líquido, que es el suero de leche. El suero de leche es transparente y de color amarillo verdoso y tiene un sabor ligeramente ácido, bastante agradable (Ver Fig. 1a).
(a) Suero de leche
(b) Caparazón de camarón
(c) Langostino
Figura 1: Materiales a utilizar en la extracción microbiológica de quitina 11.1.2 Caparazón de Camarón El Caparazón de camarón será proporcionado por la Empresa CAMANICA. El material esta compuesto principalmente de cabeza, patas y caparazón (ver Fig. 1b) 11.1.3 Cabeza de Langostino Los desechos de cabeza de langostino serán proporcionados por la Empresa Acuario International (ver Fig. 1c).
11.1.4 Reactivos Los reactivos a utilizar para la determinación de las variables de medición se presentan en la Tabla 1. La preparación de todos los reactivos incluye la utilización de agua desionizada.
11.1.5 Materiales de Laboratorio Los materiales de laboratorio para llevar a cabo este estudio incluyen: pipetas, beakers, matraz volumétricos y probetas de diferente graduación, bureta de 25mL, envases de plástico de 100mL para almacenar muestras, matraz erlenmeyer de 150mL, soporte universal, gotero, agitador magnético. 6
Tabla 1: Descripción de los Reactivos a utilizar para la determinación de las variables de medición. No. Descripción Análisis 1 Acido Nítrico concentrado Determinación de Ca 2 Estándar de Ca de 1000 mg/L Determinación de Ca 3 Acido Sulfúrico concentrado Determinación de N 4 Hidróxido de sodio al 40% Determinación de N 5 Acido Bórico Determinación de N 6 Verde de Bromocresol Determinación de N 7 Rojo de Metilo Determinación de N 8 Sulfato de amonio Determinación de N 9 Acido Clorhídrico 0.10M Determinación de N 10 Hidróxido de sodio 0.1M Acidez Titulable 11 Fenolftaleína Acidez Titulable 11.1.6 Equipos En la Tabla 2 se enlistan los equipos que se van a utilizar para la realización del estudio y la determinación de las variables de medición durante la fermentación láctica.
No. 1 2 3 4 5 6 7
11.2
Tabla 2: Equipos de Medición Descripción Observación Procesador de alimentos Trituración de la materia prima Equipo de Fermentación Balanza de precisión pH–metro Equipo Kjeldahl Espectrómetro de Absorción Atómica Microscopio
Estudio de la fermentación láctica Para pesar la materia prima Análisis de pH Determinación de N total y proteico Determinación de Calcio Conteo de bacterias
Parte Experimental
11.2.1 Fermentación Láctica de Desechos de Crustáceos Para la obtención de la quitina por fermentación láctica, se utiliza caparazón, patas y colas de camarón y cabeza de langostino. En la Figura 2 se muestra el diagrama de bloque del proceso.
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Masa de material 1.0kg
Leche (5.0L)
Pastillas de cuajo
Lavado
Triturado
Suero de la leche
Fermentación Láctica (10 días)
NaClO 0.38%
Blanqueo
Proteínas y CaCl2
Pigmentos
Filtración
Secado en el horno a 50ºC
QUITINA Figura 2: Diagrama de bloque de la obtención de quitina por fermentación láctica.
8
El procedimiento incluye los siguientes pasos:
Pesado: se pesa 1.0kg de materia prima en una balanza de precisión como la mostrada en la Fig. 3a. Lavado: para descongelar el material y eliminar los restos de carne. Trituración: el material es triturado en un procesador de alimentos (ver Fig. 3b) con el propósito de garantizar una buena fermentación del material.
(a) Balanza de precisión PCE BS 3000
(b) Procesador de alimentos Oster Figura 3: Equipos a utilizar para el pesado y triturado de la materia prima.
Fermentación Láctica: el material se coloca en una canastilla de acero inoxidable y se introduce en el fermentador, el cual contiene el suero de leche (ver Fig. 4). La fermentación transcurre a temperatura ambiente por 10 días aproximadamente. Cada 6 horas la mezcla es agitada con ayuda de un agitador de paletas y se toma una muestra de suero de 50mL para el análisis de pH, acidez total, calcio, nitrógeno proteico y nitrógeno total. saca y se lava conPosteriormente, abundante agua.la canastilla se retira del fermentador, el material se
Figura 4: Esquema del equipo de fermentación y sus componentes para llevar a cabo la extracción de quitina.
9
Blanqueo: si el sólido obtenido en el paso anterior contiene pigmentos, éste se tratará con una solución de hipoclorito de sodio al 0.38% para blanquear el producto. Filtración: el sólido (quitina) es separado de la solución por medio de la decantación a través de un colador. El sólido es recogido y lavado para la siguiente etapa. Secado: la humedad de la quitina producida se reduce hasta aproximadamente el 0% de humedad en un secador a una temperatura entre 45 –50ºC, para proceder al enfriamiento, empaque y almacenamiento del producto final.
En eldel Equipo fermentadordelsematerial llevarányalas cabo un total 2 corridas preliminares para tener una idea comportamiento variables dede medición durante la fermentación láctica; y 10 corridas para estudiar la fermentación láctica y el comportamiento de las variables (pH, acidez total, concentración de Ca, N total y N proteico): 5 con caparazón de camarón y 5 con langostino. Cada corrida para estudiar el proceso, tendrá un tiempo de duración entre 10 – 15 días, dependiendo de los resultados obtenidos en las corridas preliminares, y cada cierto tiempo se tomará una muestra de 50mL para realizar una medición cuantitativa de las variables, para un total de 20 muestras por corrida (240 muestras en total). A continuación se describe como se llevará a cabo la medición de cada variable considerada.
11.2.2 Determinación del pH El pH de las muestras recolectadas del fermentador se mide directamente en un pH-metro como el mostrado en la Fig. 5a.
11.2.3 Determinación de Calcio El análisis de Ca en las muestras se realizará por Espectrometría de Absorción Atómica, utilizando un Equipo GBC, modelo AAS 932 (ver Fig. 5b), en el Laboratorio de Ingeniería de Procesos de la FIQ.
(a) pH-metro Metttler
(b) Espectrómetro de Absorción Atómica GBC AAS 932
Equipos a utilizar para analizar (a) el pH y (b) la concentración de Ca en las Figura 5:Toledo muestras de la fermentación láctica.
10
A 10mL de muestras se le agregará 0.5mL de HNO 3 concentrado para su posterior análisis. El análisis abarca la preparación de estándares para preparar la curva de calibración (Absorbancia vs. concentración). Los estándares serán preparados a partir de una solución madre de 1000mg/L de Ca, con agua desionizada.
11.2.4 Determinación de Acidez Titulable Esta determinación se hace por titulación con una base fuerte. Se mide 2mL del licor-muestra con una pipeta aforada y se coloca en un matraz Erlenmeyer de 125mL. Se agrega 50mL de agua destilada y 5 gotas de la solución indicadora de fenolftaleína. Se titula con una solución valorada de hidróxido deelsodio 0.1M, que esta contenida en una bureta de 25mL, con agitación constante hasta viraje(NaOH) del indicador.
11.2.5 Determinación de Nitrógeno total y Nitrógeno Proteico El análisis de nitrógeno total y nitrógeno proteico se realizará por el Método Kjeldahl. Para ello se hará uso del Equipo Kjeldahl ubicado en el nuevo Laboratorio de Ingeniería Química de la FIQ (ubicado en las cercanías del IES).
XII.
ALCANCES E IMPACTO DEL PROYECTO
Durante el período en que se llevará a cabo el proyecto, se presentarán informes mensuales del avance del mismo, con resultados experimentales, discusión y conclusiones. Al finalizar el proyecto se presentará un informe final que contendrá lo siguiente: Resultados del proceso de optimización para la extracción de quitina por fermentación láctica para los dos tipos de material.
Análisis(horas) gráficos resultados láctica. de pH, mg/L C, %N proteico y %N total en función del tiempo dede la los fermentación Producción de quitina y proteína a partir de caparazón de camarón y cabeza de langostino por métodos biológicos. Comparación del método biológico y el método químico para la obtención de quitina a nivel de laboratorio. El análisis abarcará el balance económico y ambiental del proyecto.
Con los resultados de este estudio se planea escribir un artículo para ser publicado en la Revista NEXO de la UNI.
11
XIII. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Para llevar a cabo este estudio se necesitarán 6 meses de ejecución. Las actividades a realizar se presentan en la Tabla 3.
Tabla 3: Actividades contempladas para el Estudio de la Fermentación Láctica. No. Item 1
Semanas Actividades Fecha de inicio del proyecto.
2 3
Solicitud de Desembolso Desembolso
4
Rendición de cuentas
5
Solicitud de cotizaciones Abastecimiento de la materia prima. Adquisición de Artículos de oficina, Reactivos y Equipos Estudio preliminar para establecer parámetros Estudio de la fermentación láctica Análisis de pH, Ca, N total y N proteico Análisis y discusión de los
6 7 8 9 10 11
Oct.
Nov.
Dic.
3 4 1 2 3 4 1 2
Enero
Feb.
Marzo
Abril
3 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
resultados Entrega de Informe Mensual Entrega del Informe Final
XIV. PRESUPUESTO DETALLADO Y PROGRAMA DE DESEMBOLSO En la Tabla 4 se presenta el presupuesto detallado del proyecto que muestra la descripción de los gastos y el monto involucrado (en dólares). Dado que los precios pueden variar durante el próximo año, se considera un imprevisto del 5.6%. El monto total del proyecto es de USD $3,748.36 (Tres mil setecientos cuarenta y ocho Dólares con 36/100) El programa de desembolso se muestra en la Tabla 5. Se programaron 2 desembolsos y por lo tanto, 2 Rendiciones de cuentas, las cuales están reflejadas en la tabla del cronograma de actividades (ver Tabla 3)
12
Tabla 4: Presupuesto Detallado No.
Descripción
UND
Presupuesto (USD) Unitario
Sub-Total
3
35.00
105.00
3
20.00
60.00
20
3.00
60.00
4
Transporte (combustible) a Chinandega/Corinto por viaje Viáticos (alimentación) p/4 personas ($5.0/persona) por viaje Transporte (pasaje para movilización en la ciudad) Papelería y artículos de oficina.
1
200.00
200.00
5
Leche pura (5L/corrida)
60
1.00
60.00
6
2
2.00
4.00
1
30.00
30.00
8
Pastillas de cuajo (caja) Hipoclorito de sodio al 12% (NaClO)/bidón de 5 galones Estándar de Calcio de 1000mg/L (500mL)
1
60.95
60.95
9
Hidróxido de sodio en lentejas (NaOH)/1kg
12
30.00
360.00
10
Acido Clorhídrico concentrado (HCl) 2.5L
2
41.30
82.60
11
Acido Sulfúrico concentrado (H2SO4) 2.5L
2
42.91
85.82
12
Sulfato de amonio en sólido ((NH4)2SO4)/500g
4
44.75
179.00
13
Acido Bórico en sólido (H3BO3)/500g
3
60.07
180.21
14 15
Verde de Bromocresol/5g Rojo de Metilo/25g
1 1
84.18 65.69
84.18 65.69
16
Etanol 99% (CH3CH2OH)/4L
1
68.57
68.57
17
1
82.56
82.56
1
592.58
592.58
19
Fenolftaleína Balanza de Precisión marca OHAUS. Capacidad de pesaje: 3000g. Lectura: 0.1g pH–metro, marca Mettler Toledo
1
832.20
832.20
20
Procesador de Alimentos, marca Oster
1
250.00
250.00
21
Canasta
1
105.00
105.00
22
Imprevistos
1
200.00
200.00
1 2 3
7
18
Total (USD)
3,748.36
13
Tabla 4: Programa de Desembolso No. 1
Descripción Primer desembolso
Observación
2
Segundo desembolso
XV.
Compra de Reactivos, papelería y artículos de oficina, Adquisición de Procesador de alimentos, Transporte y viáticos (1er. muestreo), Transporte para movilización interna 50% de imprevistos. Compra de Reactivos, papelería y artículos de oficina, Adquisición de Canasta de acero inoxidable, la Balanza de precisión y el pH-metro, Transporte y viáticos (2do y 3er. muestreo), Transporte para movilización interna 50% de imprevistos.
Desembolso (USD) 1,412.80
2,335.56
Fecha 1ra sem/Nov 2009
2da sem/Enero 2010
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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th
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14
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