ALTERNATIVAS DE APROVECHAMIENTO DE LA CREMA DE LEVADURA REPRODUCIDA Y SOBRANTE EN EL AREA DE FERMENTACIÓN DE LA INDUSTRIA LICORERA DE CALDAS

ILIANA Y. MURILLO MOSQUERA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA LÍNEA DE PROFUNDIZACIÓN AMBIENTAL MANIZALES 2003

ALTERNATIVAS DE APROVECHAMIENTO DE LA CREMA DE LEVADURA REPRODUCIDA Y SOBRANTE EN EL AREA DE FERMENTACIÓN DE LA INDUSTRIA LICORERA DE CALDAS

ILIANA Y. MURILLO MOSQUERA

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Químico Modalidad: Pasantía

Director: Ing. Ramiro Betancourt Grajales Ingeniero Químico Director Ad Hoc: Raúl Aguirre Ramírez Ingeniero Químico

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA LÍNEA DE PROFUNDIZACIÓN AMBIENTAL MANIZALES 2003

A Dios. A mis padres y amigos por su apoyo incondicional.

AGRADECIMIENTOS

Expresando los agradecimientos a: Ramiro Betancourt Grajales, Ingeniero Químico y Director del trabajo de grado, por su orientación y colaboración durante el desarrollo de este trabajo. Raúl Aguirre Ramírez, Ingeniero Químico y Director Ad Hoc, Ingeniero de Turno Área de destilación de la Industria Licorera de Caldas, por su comprensión y colaboración incondicional. Luis Alfonso Ríos Ossa, Ingeniero Químico, Coordinador Área de Destilación de la Industria Licorera de caldas, por su motivación y apoyo. Personal del Laboratorio y del Área de Destilación de la Industria Licorera de caldas, por su colaboración. Jesús Zuleta, Agrónomo orgánico, Director de la facultad de Agronomía Orgánica de la Universidad de Santa Rosa de Cabal, por su colaboración y disponibilidad incondicional. Demás personas que de una u otra forma, con sus conocimientos y colaboración contribuyeron en la realización de este trabajo.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Biblioteca Central

SEDE MANIZALES

Resumen de Trabajo de Grado CARRERA

Ingeniería Química.

1er Apellido Murillo 1er Apellido 1er Apellido TITULO DEL TRABAJO

2° Apellido Mosquera Nombre Iliana Yeanmarie 2° Apellido Nombre 2° Apellido Nombre Alternativas de Aprovechamiento de la Crema de Levadura Reproducida y Sobrante en el Área de Fermentación de la Industria Licorera de Caldas.

RESUMEN DEL CONTENIDO El trabajo plantea alternativas de aprovechamiento para la crema de levadura reproducida y sobrante durante el proceso de fermentación de la I.L.C. Se realizaron varios ensayos de filtración a dicha crema, con lo cual se obtuvo una torta de levadura (producto deseado) con un porcentaje de humedad del 66,7 % y una corriente de filtrado. Ambas fueron analizadas en el laboratorio y con base en los resultados se conoció su composición fisco – química y bacteriológica. Permitiendo el planteamiento de las alternativas de aprovechamiento para cada uno de los productos obtenidos. Con los ensayos de filtración, se pudo recopilar la información necesaria para los cálculos del sistema de filtración ya existente en la empresa y los cálculos del costo de operación. En la facultad de Agronomía orgánica de la Universidad de Santa Rosa de cabal UNISARC, se hallo una alternativa de uso para la levadura prensada, en la producción de abonos orgánicos, principalmente tipo Bocashi.

PALABRAS CLAVES Fermentación; Levadura; Filtración; Filtrado, abono, Contaminación.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Biblioteca Central

SEDE MANIZALES

THEY SUMMARIZE OF WORK OF DEGREE CARRERA 1er Apellido Murillo 1er Apellido 1er Apellido TITULO DEL TRABAJO

Ingeniería Química. 2° Apellido Mosquera Nombre Iliana Yeanmarie 2° Apellido Nombre 2° Apellido Nombre Alternative of Use of the Cream of Reproduced Yeast and Surplus in the Area of Fermentation of the Industria Licorera de Caldas.

Abstract The work outlines alternative of use for the cream of reproduced yeast and surplus during the process of fermentation of the I.L.C. They were carried out several filtration rehearsals to this cream, in which a cake was obtained of yeast (wanted product) with a humidity percentage of 66,7% and a current of filtrate.

Both were analyzed in the laboratory with base in the results met their

composition revenue - chemistry and bacteriological. Allowing the position of the use alternatives for each one of the obtained products. With the filtration rehearsals, you could gather the necessary information for the calculations of the filtration system already existent in the company and the calculations of the operation cost. In the career of organic Agronomy of the University of Santa Rosa de Cabal UNISARC, it finds an use alternative for the pressed yeast, in the production of organic fertilize, mainly type Bocashi. KEY WORDS: Fermentation; Yeast; Filtration; Filtrate, fertile, Contamination.

TABLA DE CONTENIDO Página

1. 2. 2.1. 2.1.1 2.1.2 2.1.3. 2.1.4 3. 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.2.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.3.1 3.2.3.2 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.2.8 3.2.8.1 3.2.8.1.1 3.2.8.1.2 3.2.8.2 3.2.8.2.1 3.2.8.3 3.2.8.3.1 3.2.9 3.4 3.4.1 3.4.1.1 3.4.1.2 3.4.2

RESUMEN INTRODUCCIÓN OBJETIVOS Descripción del problema Antecedentes Antecedentes de la empresa Reseña histórica Productos Infraestructura Proceso de producción en el área de fermentación Marco teórico Fermentación Fermentación aerobia Fermentación anaerobia Fermentación alcohólica Levaduras Estructura de las levaduras Reproducción Tipos de levaduras En condiciones aerobias En condiciones anaerobias Desarrollo de las levaduras Necesidades de las levaduras Inhibición de las levaduras Dosificación Formas de presentación de la levadura Levadura prensada húmeda Principales características Composición Levadura seca Principales características Levadura liquida Composición de la crema de levadura Fabricación de la levadura Proceso de filtración Formas de llevar a cabo el proceso Presión constante Velocidad o flujo volumetrico constante Compresibilidad de la Torta.

1 3 5 6 8 8 8 9 10 11 14 14 15 16 16 21 21 22 23 23 23 24 24 27 27 27 28 29 29 30 30 30 31 32 33 36 36 36 37

3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.5.1 3.4.5.1.1 3.4.5.1.2 3.4.5.1.3 3.4.5.2 3.4.5.2.1 3.4.5.2.2 3.5 3.5.1 3.5.1.1 3.5.1.2 3.5.1.2.1 3.5.1.2.2 3.5.2 3.5.3 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.7 4.8 4.9 5 6 6.1 6.1.1 6.1.2 6.2. 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

Pautas para mejorar la filtración Factores de los cuales depende la velocidad de filtración Necesidades para una filtración Medios filtrantes o agentes de filtración Selección Materiales de fabricación Otros medios de filtración Aparatos utilizados en filtración Clasificación de filtros según características Clasificación de filtros según su tipo Filtro prensa Tipos de filtro prensa Filtros prensa de cámaras Filtros prensa de placas y marcos Filtros prensa de placas y marcos. Sin lavado Filtros prensa de placas y marcos. Con lavado Materiales de construcción Algunas definiciones Cálculos del sistema de filtración actual Descripción del sistema de filtración Procedimiento experimental Precauciones Descripción de las variables del proceso Filtro prensa Modelo matemático Resumen de variables necesarias y obtenidas en la practica Cálculos Sistema de tuberías (transporte de crema de levadura) Modelo Información necesaria Cálculos Tanque de almacenamiento de la crema de levadura a filtrar Tanque de almacenamiento para el filtrado Bomba Análisis preliminar de costos Planteamiento de Alternativas de aprovechamiento Filtración Levadura prensada Filtrado producido Centrifugación Desintegración de las células Desecación Floculación Producción de proteína unicelular SCP Uso directo a la tierra Digestión anaerobia

37 38 39 39 39 40 41 41 43 44 44 45 45 47 47 73 50 51 52 52 53 55 57 59 59 67 73 80 81 82 83 84 86 87 89 94 95 95 98 98 99 100 101 101 103 104

6.9 6.10

Evaporación Otras alternativas CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA

104 105 107 109 111

LISTA DE CUADROS

Página Cuadro 1. Cuadro 2. Cuadro 3. Cuadro 4. Cuadro 5. Cuadro 6. Cuadro 7.

Efecto de la temperatura sobre CO2 producido por el genero S.C. Composición de la crema de levadura Tamaño de algunas partículas que se pueden filtrar Información necesaria: Experimento 1 Datos obtenidos: Experimento 1 Información obtenida. Experimento 1 Información necesaria: Experimento 2

25 31 34 67 67 68 69

Cuadro 8. Datos obtenidos: Experimento 2 Cuadro 9. Información obtenida. Experimento 2 Cuadro 10. Información necesaria: Experimento 3

69 70 71

Cuadro 11. Cuadro 12. Cuadro 13. Cuadro 14.

71 72 76 79

Datos obtenidos: Experimento 3 Información obtenida. Experimento 3 Valores para las resistencias. Experimentos Resultados de la practicas

LISTA DE FIGURAS Página Figura 1. Proceso general de la fermentación. Figura 2. Levadura en una proceso de fermentación. Figura 3. Obtención de etanol. Escala industrial. Figura 4. Mecanismo de fermentación. Figura 5. Célula de la levadura. Figura 6. Vidas de la levadura. Figura 7. Influencia de la temperatura en las levaduras. Figura 8. Presentación de la levadura en el mercado. Figura 9. Levadura prensada. Figura 10. Composición aproximada de 100 gr de materia seca de levadura Figura 11. Proceso de filtración. Figura 12. Principales componentes de la filtración Figura 13. Componentes principales de la filtración con formación de torta. Figura 14. Formas de llevar a cabo el proceso de filtración. Figura 15. Vista frontal de un filtro prensa de cámaras. Figura 16. Filtro prensa de placas y marcos. Figura 17. Placas y marcos de filtro prensa sin lavado. Figura 18. Placas y marcos de filtro prensa con lavado. Figura 19. Esquema del arreglo de placas del filtro prensa. Figura 20. Diagrama de un filtro prensa. Figura 21. Sistema de tuberías para el transporte de levadura hacia el filtro. Figura 22. Esquema interno de una bomba centrífuga Figura 23. Métodos para la ruptura de los microorganismos Figura 24. Diagrama esquemático de un proceso de general de SCP

15 16 19 21 22 23 26 28 28 30 33 35 35 37 46 47 48 50 54 56 80 87 99 103

LISTA DE GRÁFICAS Página Gráfica 1. Regresión lineal. Experimento 1. Gráfica 2. Regresión lineal. Experimento 2. Gráfica 3. Regresión lineal. Experimento 3.

74 75 75

LISTA DE ANEXOS Página Anexo A. Resultados de análisis, reportados por el laboratorio. Anexo B. Resultados de análisis microbiológicos. Anexo C. Formas y formulas para preparar abonos orgánicos por UNISARC. Anexo D. Diagramas de procesos en la fermentación en la I.L.C.

114 122 124 131

Anexo E. Normas ambientales actuales. Anexo F. Programa TDH 1.0 Anexo G. Cotización de bomba y juego de lonas.

137 145 147

Anexo H. Fotos.

158

RESUMEN

La INDUSTRIA LICORERA DE CALDAS, actualmente presenta problemas de tipo ambiental con la disposición de residuos industriales, tal como es la crema de levadura sobrante, es decir, la levadura que se reproduce durante la fermentación, pero no se reutiliza en el proceso, por lo cual dicho efluente se convierte en una preocupante ambiental para la industria. El principal objetivo del proyecto “ALTERNATIVAS DE APROVECHAMIENTO DE LA CREMA DE LEVADURA REPRODUCIDA Y SOBRANTE EN EL AREA DE FERMENTACIÓN DE LA INDUSTRIA LICORERA DE CALDAS”, es la evaluación del sistema de filtración para crema de levadura, ya existente en la Industria Licorera de Caldas, al igual que el planteamiento de alternativas de aprovechamiento de dicho residuo que contribuyan a la disminución del factor contaminante que esta levadura produce durante el proceso. En este estudio se determinaron características fisco-químicas y bacteriológica de la crema de levadura, y se compararon estas características con la reglamentación ambiental vigente. Se realizaron diversos ensayos de filtración a la crema de levadura, obteniendo una torta (producto principal) y un filtrado, estas dos corrientes fueron también analizadas en el laboratorio, con el fin de confirmar su composición. Con la realización de las pruebas se recopiló la información necesaria para los cálculos correspondientes a la evaluación del proceso y el costo de operación.

1

Se plantearon alternativas de aprovechamiento de la crema de levadura con su descripción. Dentro de las alternativas se contempló la posibilidad de usar esta levadura prensada en la producción de bioconcentrados y biofertilizantes y para la alimentación animal. La facultad de Agronomía orgánica de la Universidad de Santa Rosa de Cabal UNISARC, utilizo la levadura prensada como parte de su materia prima para la elaboración de uno de sus abonos orgánicos fermentados como es el Bocashi, obteniendo muy buenos resultados, abriéndose la posibilidad de utilizarlo en el resto de abonos. Adicionalmente también se encuentran muy interesados en la utilización de la levadura, la facultad de Zootecnia de dicha universidad, para ser utilizada en la nutrición de sus animales.

2

INTRODUCCIÓN

A nivel nacional, son pocas las Industrias Licoreras que le dan algún tipo de uso a los residuos producidos durante los procesos de la fermentación, como la crema de levadura sobrante en el proceso.

Entonces la disposición de este efluente se convierte en un

preocupante problema de tipo ambiental, ya que por lo general esta es enviada directamente a las cañerías, sin un previo y adecuado tratamiento, contribuyendo con la contaminación de ríos, quebradas o cual sea su destino. Esta crema de levadura que se genera después de separado el mosto y el vino, representa un problema de tipo ambiental para las industrias licoreras del país. En la actualidad la INDUSTRIA LICORERA DE CALDAS, de manera indirecta presenta este tipo de problemas, razón por la cual se buscó mediante este trabajo estudiar las alternativas para el aprovechamiento de este residuo. A nivel industrial se cuenta con procesos de tratamiento final para levaduras tales como el secado por medio de lecho fluidizado, secador spray, tambor rotatorio, prensado etc. En nuestro caso para los ensayos de filtración de la levadura se utilizo el filtro prensa, equipo disponible en la empresa. La crema de levadura sobrante en la fermentación, es sometida a un proceso de prensado mediante la técnica de filtración con el fin de analizarla y plantear las alternativas para su aprovechamiento o uso, al igual que las entidades interesadas en el producto final obtenido (levadura prensada).

3

Con este trabajo se pretende principalmente, disminuir la contaminación ambiental, que durante el proceso de producción se causa a los alrededores y a la vez presentar a la empresa alternativas de aprovechamiento y/o tratamiento para la crema de levadura sobrante, que podrían ser vinculadas al proceso y representar un beneficio económico.

4

OBJETIVOS

GENERAL Estudiar las alternativas de aprovechamiento de la crema de levadura reproducida y sobrante en el área de fermentación de la Industria Licorera de Caldas

ESPECÍFICOS ¾ Conocer la composición físico-química y bacteriológica de la levadura antes y después del proceso de filtración. ¾ Plantear las alternativas de aprovechamiento o de usos para dicha levadura. ¾ Evaluar el sistema de filtración ya existente en la empresa. ¾ Conocer la composición del filtrado y plantear alternativas de tratamiento y/o aprovechamiento para este. ¾ Buscar la eliminación del factor contaminante de la crema de levadura que se produce durante el proceso que se realiza en la empresa.

5

1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

Para cualquier empresa de producción es de gran importancia el aspecto ambiental, no solo por que así lo estipulan las normas medio ambientales, las cuales cada día son más exigentes, sino también con el fin de asegurar una producción mas limpia y un nivel de competitividad mas alto. Es por este motivo que la Industria Licorera de Caldas está interesada en darle uso al sistema de filtración existente, con el fin de solucionar el problema que la crema de levadura sobrante durante el proceso de fermentación representa dentro de la carga contamínate que descargan los procesos de la empresa a la cañería. La miel clarificada, es esterilizada al igual que sus tuberías. Se ajusta a los requisitos de 3.500 l, azúcar (°Brix 8,0), temperatura (30°C), pH (4,5 con ácido sulfúrico), en estas condiciones se agrega 20 Kg de levadura y la sales nutrientes (urea 2.000 g, fosfato de amonio 4.000 g). El nivel del tanque B-301 es de 7% aproximadamente, se suministra aire a 250 m3/h. Cuando el brix baja a un valor determinado, se agrega miel y sales a las condiciones mencionadas y se escala en volumen hasta 20% de B-305. Se repite el proceso hasta 40%, 80% y luego se hace corte del 50% de la B-301 a B-351 y se escala de nuevo la B-301 a 80%. Se ajustan finalmente los niveles de las cuatro cubas al 80% donde se estabilizan antes de empezar la separación en la unidad 400 del mosto fermentado en vinos y crema de levadura. El mosto fermentado es sometido a filtración. El mosto filtrado llega a las máquinas separadoras de levadura. La máquina separa la crema de levadura y el vino deslevadurizado. Es aquí donde surge el interés ambiental, pues existen casos en los cuales 6

el proceso no requiere la recirculación total de la crema de levadura filtrada y tratada, haciéndose necesario la evacuación por las cañerías de esta crema sobrante que actualmente no se trata. En el anexo D, se muestran los diagramas de proceso de la fermentación realizada en la Industria Licorera de Caldas. Por esto se requiere de una alternativa que permita el tratamiento adecuado para esta levadura de manera que se pueda disminuir las posibles amenazas ambientales y si es el caso aportar algún tipo de divisa a la empresa.

7

2. ANTECEDENTES

2.1

ANTECEDENTES DE LA EMPRESA

2.1.1

Reseña histórica

1.905: Se le dio el monopolio de licores al Estado. 1.919: La ley 18, ordena a los departamentos, explotar directamente sin concesiones, la producción alcohólica. Es así como Caldas, instala fábrica de licores en la ciudad de Pereira.. 1.928: Nace el Ron Viejo de Caldas, con una producción anual de 10.000 botellas. Se instala la fábrica de vinos, en los sótanos de la Gobernación de Caldas. cuyo reparto fue el siguiente: Vino Blanco

11.310 botellas

Vino Málaga

14.583

Vino Oporto

14.200

Vino Vermouth

24.300

1.943: Mediante Ordenanza No. 13 de 1.943, aclarada y corregida con la No. 6 de 1.944, se crea La Industria Licorera de Caldas 1.950: Nace la fórmula del Aguardiente Cristal. 1.960: Se inicia la producción de Brandy Tourell, el único brandy que se produce en Colombia con auténticos productos franceses. 1.967: Al producirse la desmembración política del Viejo Caldas, se traslada la fabrica de licores, de Pereira a Manizales. 1.974: Lanzamiento al mercado del Vodka Sabolynaya. 8

1.982: Se inicia la exportación de los productos a Estados Unidos, a través de la Shaw Ross Internacional Importers Inc., compañía particular que se constituyó en el Estado de la Florida el 12 de Agosto de 1.969. 1984: Se lanza al mercado la Crema de Café Kaldí. 2.000: La ILC recibe del Departamento Administrativo de la Función Pública, Mención de Honor, por "El rediseño de su organización”. El 15 de Diciembre el Consejo Directivo del Instituto de Normas Técnicas Colombianas ICONTEC, otorga el Sello de Calidad al Aguardiente Cristal. 2.001: El 14 de Febrero, en acto especial en el Teatro Fundadores de Manizales, es entregado el Sello de Calidad.

2.1.2

Productos Referencia

Aguardiente Cristal * Nacional 29% Vol.

1750 ml - 1000 ml - 750 ml - 375 ml - 375 plano - 200 ml 100 ml - 50 ml - 375 Pet- 1000 ml Treta Pack

* Exportación 30% Vol

1750 ml - 1000 ml - 750 ml - 700 ml - 375 ml - 375 plano 200 ml - 100 ml - 50 ml.

Ron Viejo de Caldas * Nacional 35.5% Vol

1750 ml - 1000 ml - 750 ml - 375 ml - 375 plano - 200 ml 100 ml - 50 ml - 375 Pet

* Exportación 40% Vol

1750 ml - 1000 ml - 750 ml - 700ml - 375 ml - 375 plano 200 ml - 100 ml - 50 ml.

Ron Extraviejo Juan de la Cruz 40% Vol. Ron Viejo de Caldas Gran Reserva Carta de Oro Ron Joven de Caldas

750 ml 40% Vol., 750 ml

35% Vol., 750 ml -375 plano - 375 Pet.

Aguardiente Amarillo de Manzanares 32% Vol., 750 ml - 375 ml Aguardiente Cristal Night 30% Vol, 750 ml. Aperitivo Cristal 19.5 % Vol. 750 ml - 375 ml - 375 plano Aguardiente Colombiano 29% Vol., 750 ml 9

Aguardiente Caldas 30% Vol, 750 ml Licor de Caldas - Anisado 32 % Vol, 750 ml Vodka Sabolinaya

40% Vol, 750 ml, 50 ml

Crema de Café Kaldí ó Kaldí Coffe Liquor 28 % Vol, 750 ml- 50 ml Aguardiente Light

2.1.3

Infraestructura

La Industria Licorera de Caldas posee 276 hectáreas de terreno de las cuales 243 comprenden la "microcuenca" con nacimientos de agua propios garantizando así una de las principales materias primas para la elaboración de los productos. El área Industrial cuenta con una planta de tratamiento de agua con capacidad de 140 metros cúbicos por hora de agua potable e instalaciones para agua suavizada utilizada en la Elaboración de Licores y agua desmineralizada para calderas. El tanque de almacenamiento de agua potable tiene una capacidad de 3'000.000 de litros. Posee una planta de Destilación de Alcohol con capacidad para producir 50.000 litros de alcohol diarios; además cuenta con una capacidad aproximada para almacenamiento de alcohol de 2'700.000 litros. Para la generación del vapor que requieren estos procesos la Empresa tiene dos calderas pirotubulares de 720 B.H.P. que utilizan como combustible gas natural y alternativo ACPM. En el área de Elaboración de Licores se cuenta con una batería de tanques de acero inoxidables suficientes para llevar a cabo la fabricación de todos los licores. Para el añejamiento de rones se dispone de 7 bodegas adecuadas para tal fin, donde se ubican 90.000 barriles de roble para el añejamiento y 400 tinas para manejo de rones. El área de envasados posee 6 líneas de producción para las distintas referencias y clases de productos donde se realizan las actividades de limpieza de envase nuevo por soplado, envasado, capsulado, etiquetado y encartonado. Dichas líneas de producción están en capacidad de cumplir con los requerimientos de los clientes. 10

Para el manejo y almacenamiento de materias primas, envases y empaques y producto terminado, la Empresa cuenta con Bodegas suficientes, especialmente adecuadas para garantizar que se preserven las condiciones de calidad de los productos. Se dispone de un laboratorio de Control de Calidad dotado con cromatógrafos y modernos equipos para el control de los procesos, materias primas, productos intermedios y finales. Dispone de una planta Diesel de generación de energía la cual entra en operación cuando se presentan cortes en el suministro.

2.1.4

Proceso de producción en el área de fermentación

En el área de fermentación se tienen 4 unidades y los equipos utilizados en cada una están referenciados con la unidad. Anexo D. UNIDAD 100: Recepción y almacenamiento de la miel. UNIDAD 200: Predilución y clarificación de la miel. UNIDAD 300: Fermentación. UNIDAD 400: Separación del mosto y el vino. Recepción de la Miel: La miel virgen es transportada desde el ingenio por carrotanques y es descargada por gravedad al tanque de descarga, este tanque posee un controlador de nivel On- Off de flotador que prende o apaga las bombas de miel a almacenamiento. A esta miel antes de ser descargada se le realizan análisis de °Brix, azúcar fermentable, sólidos, acidez, sulfitos, etc, para corroborar que cumpla con la norma interna de la empresa. Transporte de Miel a Almacenamiento: La miel es llevada a los tanques de almacenamiento de 1.000 toneladas, TK-101 A/D, por medio de bombeo. Estos tanques poseen sensor de nivel. Arrastre de Miel a Predilución: La miel almacenada que queda en los fondos de los tanques, es enviada al proceso de predilución mediante una bomba de arrastre. 11

Transporte de Miel a Predilución: La miel es enviada desde los tanques de almacenamiento al recipiente de predilución, B-202, mediante bombas. Predilución de la Miel: La miel bombeada a predilución primero pasa por los mezcladores estáticos con agua caliente. El agua se mezcla con la miel antes de entrar al recipiente de predilución B-202. La miel en el tanque B-202, se somete a un proceso de dilución y calentamiento en presencia de ácido sulfúrico. En estas condiciones tiene lugar la reacción de hidrólisis de la sacarosa, mediante el cual se transforma la sacarosa a fructosa y glucosa. Para este tanque se tiene controlador de densidad, control automático de pH, inyección directa de vapor bajo control automático de temperatura, control de nivel, además posee un medio de agitación A-202. Separación de Partículas Finas: La miel prediluida pasa por un Hidrociclón, cuyo fin es separar las partículas más finas especialmente arenas. Transporte de la Miel a Clarificación: La miel prediluida es bombeada al proceso de clarificación. Recepción de Miel separada del Hidrociclón: La suspensión de miel prediluida del Hidrociclón pasa por un tanque intermedio o tanque Pulmón que posee una recirculación por medio de una bomba centrifuga con el fin de que no se depositen sólidos en el fondo del tanque. El control de nivel de este tanque se realiza por rebose que vuelve a caer al recipiente de predilución B-202. Separación de Sólidos de la Miel: La miel procedente del tanque Pulmón, pasa por gravedad a la centrifuga clarificadora, bajo control de flujo, en donde se obtienen unos lodos de miel que van al recipiente de lodos B-203 y una miel clarificada que va al recipiente de miel clarificada B-204 de donde pasa al proceso de fermentación por medio de bombas. 12

Propagación de la Levadura: Se realiza en la cuba B-301, esta es esterilizada al igual que sus tuberías. Luego de esterilizado el sistema se agrega miel clarificada ajustada a los requisitos de azúcar (°Brix 8,0), temperatura (30°C) , pH (4,5) y sales (4.000 gr. de Fosfato de amonio y 2.000 gr. de Urea), hasta completar 4 m3, luego se agrega la levadura, se empieza la alimentación de aire a 100 m3/h, se arranca la bomba de recirculación para pasarla por el intercambiador, se tapa la cuba y se espera que el azúcar residual baje al valor previsto antes de repetir la alimentación de miel clarificada, agua de proceso y sales nutrientes. Esterilización de la Miel Clarificada: La miel clarificada procedente de B-204, es enviada por bombeo al calentador de miel con vapor, pasando luego al esterilizador y después al enfriador, de donde sale a una temperatura de 30°C. Ajuste de Brix a alimentación: La miel esterilizada y enfriada pasa al mezclador estático donde se hace dilución final con agua de proceso a 16°C, para ajustar el brix entre 7.0-19 grados para la fermentación mediante controlador de densidad y se lleva al enfriador final en donde se ajusta la temperatura a 30°C y de allí llega finalmente a fermentación. Fermentación: Las cubas de fermentación (B-351, B-352, B-353 y B-354) al igual que las tuberías y los intercambiadores son debidamente lavadas y esterilizadas con vapor vivo. Luego se dejan enfriar a 32°C. Se prepara 6 m3 de miel a la densidad de propagación en la cuba B-351 y se recibe el 50% de la cuba madre, una vez baje el brix a 1,5 se empieza la alimentación subiendo el brix de esta cuba en forma gradual. A la miel de alimentación se aumenta gradualmente el brix hasta lograr el brix de alimentación normal para el proceso de estabilizado. En la cuba B-351 se fija un nivel del 80% con el controlador de nivel y se mantiene su densidad hasta un brix máximo de 7.0, al llegar al 80% de nivel se hace un corte del 20% a la cuba B-352 donde se controla su densidad. La cuba B-352 se deja llenar hasta un 80% y luego se hace un corte continuo a la cuba B-353, se ajusta el nivel en la cuba B-353 al 80 % y finalmente se hace un corte continuo a la cuba B-354.

13

Se ajustarán finalmente los niveles de las cuatro cubas al 80% antes de empezar la separación en la unidad 400 del mosto fermentado en vinos y crema de levadura. Al empezar el proceso en la cuba B-351 se arrancan las bombas y se establece circulación a través del enfriador y las boquillas de inyección, al tener el nivel normalizado en al cuba B351 se fija una temperatura de 28-32 °C en el controlador de temperatura de igual forma se procede en el arranque de las cubas restantes teniendo en cuenta que las dos ultimas cubas B-353 y B-354 poseen controladores manuales de temperatura. Para el control de operación se toman muestras cada hora y se miden densidades, nivel y temperatura de las cuatro cubas de fermentación, de igual manera se hace anotación de flujos de miel, levadura y sales. Antiespumante: La solución de antiespumante se prepara a una concentración de 10% y se alimenta al mosto de la cuba B-351 cada vez que lo requiera, para disminuir el nivel de espuma en los fermentadores. Sales Nutrientes: Las sales nutrientes se preparan por Baches al 2,5% en peso de urea y 1,25% en fosfato de amonio y se dosifican al proceso de fermentación. Separación de la Levadura: El mosto fermentado es sometido a filtración y luego llega a las máquinas separadoras de levadura S-402 A/B y S-406 A. La máquina separa la crema de levadura y el vino deslevadurizado.

14

3. MARCO TEORICO

3.1 FERMENTACIÓN La palabra “fermentar” procede del término latino “fervere”, que significa “hervir”. Dicha denominación hace una idea del aspecto que toma el líquido, aunque en este caso la sensación de agitación se produce principalmente por el desprendimiento de CO2, no exento de un desprendimiento de calor. Así, lo que ahora se conoce como “levadura”, antes de Pasteur era conocido como “fermento”.15 Durante este proceso, el líquido sufre una serie de cambios, entre los que más se evidencian, esta el cambio en su composición, pasando de un líquido en el que predominan los azucares a uno en el que predomina el etanol. Por tanto se plantea la fermentación como el proceso donde la glucosa es transformada por un microorganismo en etanol y en una serie de componentes con especiales cualidades sensoriales (olor y sabor) y con desprendimiento de CO2 y calor. La fermentación es la aplicación de sistemas y/o procesos vivos para la obtención de productos a partir de un sustrato. Esta hace parte de la rama de la biotecnología denominada tecnología enzimática.

C6 H12O6 ⇒ CH 3CH 2OH + CO2 + Q + SUBPRODUCTOS Glucosa

Etanol

Carbónico Calor

La transformación de 1 Kg de azúcar, produce, aproximadamente 500 a 520 gr de alcohol y de 480 a 500 gramos de CO2.15

14

El proceso general de la fermentación es el siguiente:

MICROORGANISMO (SISTEMA VIVO)

ENZIMAS

SUSTRATO

PRODUCTOS

RESIDUOS

SUBPRODUCTOS

Figura 1. Proceso general de la fermentación

Los seres vivos mediante la acción de enzimas actúan sobre el sustrato que normalmente es la fuente principal de alimento y gracias a la actividad enzimática de estas se logra un metabolismo extracelular (proceso vivo) que origina productos y subproductos que son utilizados por el hombre. Se puede clasificar de acuerdo a las condiciones en que actúa el microorganismo en aerobia y anaerobia.8 3.1.1 Fermentación Aerobia: Es aquella en la cual el microorganismo necesita oxigeno durante todo el proceso de fermentación. Como fuente de oxigeno se utiliza aire a una presión muy cercana a la atmosférica. No se utiliza oxigeno directamente ya que este a concentraciones altas es toxico para los microorganismos, además el costo y los cuidados que se requieren debido a su alto poder comburente lo hacen en la mayoría de los casos inaplicable industrialmente. La mayoría de las fermentaciones aerobias son llevadas a cabo industrialmente con procesos discontinuos o semicontinuos.8 15

3.1.2 Fermentación Anaerobia: Por definición es aquella que sucede en ausencia total de oxigeno, sin embargo son muy pocas las que exigen una exclusión total de aire, debido a que se trabaja con sistemas vivos estos requieren normalmente su presencia en alguna etapa del proceso. La fermentación anaerobia más conocida es la alcohólica, industrialmente es llevada a cabo en procesos continuos y discontinuos.8 3.1.2.1 Fermentación Alcohólica: Ha tenido una gran aplicación en la obtención de alcohol etílico para bebidas y productos farmacéuticos. También para remplazar parcialmente la gasolina (gasohol).8

Figura 2. Levaduras en un proceso de fermentación

Algunas consideraciones a tener en cuenta en la fermentación alcohólica son: a. Materias Primas: Se utilizan como materias los granos, almidones, azucares y melazas de remolacha o de caña de azúcar. La melaza de caña de azúcar es la materia prima principal usada en Colombia.

16

b. Aditivo: Como nutriente, se utiliza urea; como fuente de nitrógeno, fosfatos; como fuente de fósforo, elementos metálicos en trazas como sodio, zinc, hierro y cobre entre otros. c. Como antisépticos se utilizan sulfatos y ácido sulfúrico: Los fosfatos actúan también como agentes catalizadores. El ácido sulfúrico tiene además funciones como permitir el desdoblamiento de la sacarosa (inversión de la sacarosa), precipitar los cationes calcio y magnesio en forma de sulfatos ( ya que estos son ligeramente tóxicos para la levadura) y disminuir el pH. d. Microorganismos utilizados: El microorganismo preferido para la producción de alcohol etílico es la levadura Saccharomyces Cerevisiae. Presenta las siguiente características: ¾ Forma redonda o ligeramente ovalada. ¾ Reproducción por germinación multilateral ( a través de su membrana celular se forma una célula hija) ¾ Fermenta la glucosa, sacarosa, maltosa y en cierto grado la galactosa. ¾ No fermenta la lactosa. ¾ La temperatura optimas para la reproducción es 30°C. e. Características generales del proceso: Siguiendo diferentes etapas en función del tipo de biomasa de partida. Estas etapas son las siguientes: •

Pretratamiento de la biomasa: transformación de la materia prima para favorecer la fermentación.

•

Hidrólisis: transformación, en medio acuoso, de las moléculas complejas en azúcares sencillos por medio de enzimas (hidrólisis enzimática) o mediante el uso de reactivos químicos (hidrólisis química).

•

Fermentación alcohólica: conversión de los azúcares en etanol por la acción de microorganismos (levaduras) durante 2 a 3 días bajo condiciones controladas: o

Temperatura: 27 - 32 °C

o

Acidez: pH entre 4 y 5 17

•

o

Concentración de azúcares: inferior al 22%

o

Concentración final de etanol: inferior al 14%

Separación y purificación del etanol: destilación de la masa fermentada para obtener etanol comercial del 96% o destilación adicional con un disolvente (benceno) para obtener etanol absoluto (99,5%).

f. Factores que intervienen en la fermentación alcohólica: Es importante evaluar los factores físico – químicos que afectan el proceso fermentativo, a fin de establecer el mejor rendimiento. 1. La concentración de azucares: Para la multiplicación inicial de la levadura, la concentración de azucares debe mantenerse en niveles bajos, ya que la respiración de la levadura puede ser interferida con grandes cantidades de azúcar en la fase inicial. 2. Oxigeno: La presencia de oxigeno tiende a proporcionar una menor producción de alcohol, ya que la levadura pasara a oxidar carbohidratos por medio de la respiración, llevando la a la proliferación de la levadura y no a la producción de alcohol. 3. Agitación: Es un factor que actúa disminuyendo la sedimentación de células, propiciando un contacto eficiente con el sustrato. Una agitación moderada del mosto en la fermentación permite mantener las células en suspensión 4. Temperatura: Influye directamente en el tiempo de fermentación y en la aparición o no de infecciones. La temperatura durante un proceso fermentativo industrial se mantiene entre 30-32 °C, aunque la temperatura optima para las levaduras se encuentra entre 25-30 °C. Temperaturas mas elevadas favorecen el desarrollo bacteriano, inhiben el crecimiento de la levadura y promueven la evaporación del alcohol. Sin embargo algunas tandas tienden a estabilizarse espontáneamente alrededor de los 36°C. El máximo contenido de alcohol que se puede lograr con al fermentación es del orden del 12% en volumen, eso se debe a que el alcohol etílico a esta concentración pasa a ser un antiséptico de la levadura, inhibiéndose así, el proceso fermentativo.8

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Figura 3. OBTENCIÓN DE ETANOL. ESCALA INDUSTRIAL

Opcional CO2 Siembra Miel

MEZCLADO

Nutrientes

AJUSTE pH

TRATAMIENTO PREVIO

FERMENTACION

Vino

Levadura

Carboxilos

Etanol

DESTILACIÓN

DESTILACIÓN

DE

DE

ALCOHOL

VINO (MOSTO)

Aceite de fusel

Jugo

Vinazas

SEPARACION DE LEVADURA

Levadura sobrante

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g. Mecanismo de transformación de azúcar en alcohol: La levadura es una célula heterotrófica, siendo por tanto incapaz de utilizar energía solar o de compuestos orgánicos simples para obtener energía para sintetizar sus componentes más complejos. Para obtener esta energía pueden ejecutar dos tipos de metabolismos: 1. Oxidativo: (en presencia de oxigeno y glucosa), formando gas carbónico y agua. 2. Fermentativo: (en ausencia de oxigeno y presencia de glucosa) formando gas carbónico y etanol.8 Para que ocurra la transformación de sacarosa en alcohol es preciso que esta sea descompuesta en azucares más simples, ya que la levadura no consigue utilizarla en su forma compleja. Esta transformación (hidrólisis) se efectúa por una enzima, localizada en la pared celular de las propias levaduras, llamada invertasa. Luego de esta hidrólisis, las moléculas de sacarosa transformada en fructosa y glucosa (azucares fermentables), son absorbidas por las levaduras a través de mecanismos de difusión o reacción directa con un componente de la membrana celular, con gasto de energía. Los monosacáridos dentro de la célula y en ausencia de oxigeno proveen la energía para las diferentes células. Los productos del metabolismo son etanol y CO2, que serán liberados de la célula por excreción.8 El proceso consta de dos etapas, la primera es una fermentación aerobia con el fin de mantener la multiplicación celular, la segunda una fermentación anaerobia para evitar la oxidación indeseable del sustrato. Debido a la producción de CO2 las condiciones anaerobias se logran de una manera más fácil, además el recorrido ascendente de las burbujas gaseosas de CO2 origina una corriente convectiva que agita el medio y por ello en algunos casos no es necesario una agitación mecánica adicional.8

20

Figura 4. Mecanismo de Fermentación

Secondary products

Glycerine

Glucose and Fructose CO2 GLUCOLYSIS

Piruvic acid

Dehydrogenise alcohol enzyme ETHANOL

Acetaldehyde

3.2 LEVADURAS Las levaduras son hongos unicelulares de tamaño microscópico. En una pequeña gota de mosto fermentando se calcula que hay alrededor de 5 millones de unidades actuando.8 3.2.1

Estructura de la levaduras: Las levaduras son seres vivos unicelulares, de forma

ovalada o alargada de 6 a 8 milésimas de milímetros. Un gramo de levadura contiene unos 10 millones de células. La célula de levadura está envuelta por una membrana exterior denominada pared celular. La membrana celular permite, al ser semipermeable, la entrada de nutrientes y sustancias disueltas en el agua; siendo evacuados el CO2 y el alcohol. La membrana celular regula por procesos osmóticos la igualdad entre el medio intracelular y extracelular.16 La presión osmótica es proporcional al número de moléculas disueltas en el agua. El citoplasma es la parte fundamental viva de la célula y contiene: - Un núcleo donde se encuentran los cromosomas (determinante de las propiedades hereditarias). - Vacuolas donde se encuentran las reservas de grasas. - Mitocondrias que permiten el abastecimiento de energía a la célula.16 21

FIGURA 5: CÉLULA DE LA LEVADURA

3.2.2 Reproducción: La reproducción de las levaduras se desarrolla de dos formas: por gemación y por reproducción sexual. La reproducción por gemación es la forma más común y es un proceso en el cual la llamada célula madre desarrolla una pequeña ampolla que va aumentando de volumen hasta secarse convirtiéndose en una célula hija. En el microscopio se puede observar en la pared celular las cicatrices debidas a la separación de las células hijas. Una célula de levadura puede reproducir alrededor de 25 células hijas. La reproducción sexual se realiza mediante el cruce de esporas, cuando las condiciones de vida son desfavorables, como temperaturas extremas, sequedad excesiva, etc.16

22

3.2.3

Tipos de levadura:

FIGURA 6 / VIDAS DE LAS LEVADURAS

FERMENTACIÓN Levadura + Azúcar

CO2 + alcohol

RESPIRACIÓN Levadura + Azúcar + Oxigeno

CO2 + agua + energía

3.2.3.1 En condiciones aeróbicas (Con oxígeno en abundancia), existe una abundancia de oxígeno que reacciona con el azúcar, en este momento son las levaduras oxidativas las que realizan el siguiente proceso: C6-H12-O6 + 6O2

6 H2O + 6 CO2 + 673 Calorías.

Azúcar + Oxígeno

Agua + Gas Carbónico + Calor

Se transforma el azúcar junto con el oxígeno en agua y carbónico.16 3.2.3.2 En condiciones anaeróbicas (Sin oxígeno o en pequeñas cantidades): El oxígeno transportado por el mosto ya se ha consumido, por lo que no puede reaccionar con el azúcar, son las levaduras fermentativas las que producen el siguiente proceso: C6-H12-O6

2 CH3-CH2OH + 2 CO2 + 33 Calorías

Azúcar

Etanol (alcohol) + Gas Carbónico + calor

En este caso, baja el calor generado, así como la producción de gas carbónico, sin embargo aparece el alcohol.16 23

La actividad de estas levaduras fermentativas finaliza cuando la concentración alcohólica alcanza aproximadamente el 6,5%, al no poder soportar tal concentración.16

3.2.4 Desarrollo de las levaduras: El crecimiento y desarrollo de la levadura, como cualquier microorganismo, está condicionado por un numero de factores (sustancias nutritivas, factores de crecimiento) y condicionantes físico-químicos (temperatura, pH, aireación). Se denomina "factor limitativo" a aquel cuya ausencia o modificación acarrea la detención del crecimiento. Si se colocan algunas levaduras en un medio de cultivo (solución de agua y azúcar), estas se multiplicaran hasta el agotamiento del factor limitante (por ejemplo hasta que se acabe el azúcar) o hasta el momento en que un factor limitativo alcanza un valor critico (por ejemplo demasiado alcohol). Este es otro factor importante a tener en cuenta.15 Es importante tener claro que el desarrollo de la levadura y la fermentación están íntimamente ligados. Si se trazaran curvas de la multiplicación de la levadura en función del azúcar fermentado, se observaría que ambas son siempre ascendentes, o dicho de otra manera, el azúcar se transforma a medida que las levaduras se multiplican. Por lo tanto la fermentación será más rápida, cuando las levaduras se reproducen con rapidez.15

3.2.5 Necesidades de la levadura: 9 Humedad 9 Azúcar 9 Oxigenación: La limitación de la aireación, hace que la fermentación sea más lenta, las tasas de fermentación son menores (se fermenta menos azúcar), con lo que será difícil transformar todo a alcohol. Si se somete a la solución a una aireación constante, se obtendría un incremento en el crecimiento de las levaduras y más rápida es la descomposición del azúcar. La fermentación se inicia espontáneamente y se desarrolla con rapidez, cuanto mejor aireadas están las levaduras. La fermentación es siempre 24

"más completa" en contacto con aire, pero más rápida. Por lo tanto produce mas alcohol y CO2, pero en muy poco tiempo. La fermentación al abrigo del aire, se detiene antes del agotamiento del azúcar, pero produce menos alcohol y menos CO2. 9 Temperatura:

Las

levaduras

tiene

su

optimo

de

intensidad

fermentativa,

aproximadamente a los 35ºC, paralizando cualquier actividad a los 45ºC.15

Temperatura de

Genero Saccharomyces

fermentación

(gramos de CO2 desprendido en 24 horas)

15ºC

4-5,3

20ºC

4.3-7,5

25ºC

8,7-11,3

30ºC

8,8-16,0

35ºC

10,8-13,1

39ºC

3,3-15,2 Cuadro 1. Efecto de la temperatura sobre CO2 producido por el genero Saccharomyces Cerevisiae

La fermentación es el doble de rápida a 30ºC, que a 20ºC, o lo que es lo mismo, por cada grado que se eleva la temperatura las levaduras transforman el 10% mas de azucares en el mismo tiempo. Un mosto de 200 gr./l de azúcar, fermentaría en 3 o 4 días a 30ºC, tardaría 15 días a 20ºC, pero semanas a 10ºC. La mayoría de las Saccharomyces tiene su máximo de desprendimiento de CO2 a 20ºC. 15 La sensibilidad al alcohol por parte de la levadura aumenta con la temperatura.15

25

Figura 7 Influencia de la temperatura en la levadura

55º C Muerte de la levadura 45º C Frena la actividad 20-40º C Aumenta progresivamente su actividad 10-15º C Se ralentiza la actividad fermentativa 4º C Fermentación prácticamente bloqueada

La levadura disminuye su actividad con el descenso de la temperatura siendo casi inapreciable a 2ºC. El tiempo de conservación de la levadura fresca, esta en función del tiempo que hace que ha sido fabricada, además de la temperatura a que ha sido mantenida. Su conservación es de aproximadamente 2 semanas a 5ºC, pasado este tiempo el poder fermentativo va disminuyendo progresivamente. Es posible prolongar el tiempo de conservación si se la mantiene a 1ºC. Congelada puede durar 3 meses, aunque el poder fermentativo se reduce casia la mitad.15 Dentro del genero Saccharomyces (mas de 20 especies), solo la S. Cerevisiae y la S. Bayanus, son importantes en la fermentación. 9 Nitrógeno: El nitrógeno amoniacal o catión amonio son de rápida asimilación para las levaduras. 9 Acidez: Se fermentan mas azucares en un medio neutro que en uno ácido. Para su crecimiento, la levadura tiene un optimo de pH entre 4 y 6. Un pH alcalino disminuye el crecimiento de las levaduras.15 26

3.2.6

Inhibición de las levaduras: Se entiende por inhibición, como la detención de la

actividad de las levaduras, retardo e impedimento de su desarrollo, y por lo tanto, de la fermentación.15 La fermentación baja e incluso se para, principalmente por 2 razones: 1. Agotamiento de algún elemento necesario (oxigeno, sustancias nitrogenadas, etc.). 2. Formación o presencia de sustancias inhibidoras (alcohol, CO2, etc.). 9 Alcohol: La resistencia al alcohol, depende de cada levadura. La proporción de azúcar transformado y el alcohol formado, disminuye en presencia de un medio parcialmente alcoholizado. 9 CO2: Solo en casos en que se produce la fermentación bajo presión, puede ser un factor importante, llegando a parar la fermentación. Si el CO2 escapa libremente, carece de importancia. 9 Azúcar: El exceso de azúcar, puede paralizar o impedir la fermentación, basándose simplemente en el fenómeno de la osmosis. Así es fácil deducir que no por añadir mas azúcar obtendremos mas alcohol y por tanto mas CO2.15

3.2.7 Dosificación: En las industrias las dosis de levaduras varían de 150 a 300 gr de levadura seca por hectolitro ó de 0,3 a 0,5 litros de levadura liquida por hectolitro. La dosis esta en función de la temperatura, duración de la fermentación y densidad del mosto. Es inversamente proporcional a las dos primeras y directamente proporcional a la ultima.15

3.2.8

Forma de presentación de la levadura: Existe en el marcado tres formas de

presentación física de la levadura, y dentro de ellas, diversos tipos:17 • Levadura prensada. • Levadura seca. • Levadura líquida (levadura en crema).

27

Figura 8. Presentación de la levadura en el mercado.

3.2.8.1

Levadura prensada húmeda: Según el código alimentario, la levadura prensada

húmeda es el producto obtenido por proliferación del Saccharomyces Cerevisiae de fermentación alta, en medios azucarados adecuados16. Es la más utilizada por su eficacia y economía. Como materia viva que es, su contenido en agua es del 70%, quedando como materia seca el 30% aproximadamente.17

Figura 9. Levadura prensada

28

Se presenta en paquetes de 1/2 kg, 1 kg o 5 kg precortados. La diferencia más notable entre la levadura en pastillas y la de sacos reside en la preparación de ésta, que se presenta granulada, lo que se favorece con un contenido ligeramente superior de materia seca.17

3.2.8.1.1

Principales características

a) Color: Pueden variar del blanco la crema. b) Sabor: Casi insípido, característico y nunca repugnante. c) Estabilidad: Manteniendo el bloque de levadura en una cámara a 30º C durante un mínimo de tres días, no debe descomponerse ni desprender olores desagradables. d) Actividad fermentativa: Será capaz de fermentar los azúcares presentes en la masa en un

tiempo de tres o cuatro horas. En la reglamentación correspondiente indica el

método estándar de determinación. e) Humedad: no superior al 75%. f) Pureza: no contendrá microorganismos patógenos, cargas amiláceas, ni otras materias extrañas en la levadura. g) Presentación: el recipiente que contenga levadura deberá llevar la fecha de envasado en fábrica.16

3.2.8.1.2 Composición: La composición química de la levadura prensada varía en función de la humedad y del tiempo que lleve fabricada, pero se puede dar como media un 70% de contenido en agua. También se comercializan levaduras con una mayor cantidad de humedad; éstas tienen aspecto de crema dependiendo del contenido en agua. Además se obtienen levaduras secas o deshidratadas, con un contenido en humedad de entre el 7 y el 9%. Ésta se comercializa en polvo, granulado o comprimido.16

29

FIGURA 10 / COMPOSICIÓN APROXIMADA DE 100 gr DE MATERIA SECA DE LEVADURA

Proteína Glúcidos Grasas Materia mineral

45 gr. 43 gr. 6 gr. 6 gr.

100 gr. de lavadura prensada contienen alrededor de 32 gr. de materia seca y 68 gr. de agua.

3.2.8.2

Levadura seca: Es el producto obtenido por la deshidratación de levaduras

seleccionadas (Saccharomyces Cerevisiae) u otras especies (diversas razas y variedades) cultivadas en medios azucarados y nitrogenados apropiados. Puede presentarse en polvo, granulada o comprimida. Aunque existen en el mercado dos tipos de levaduras deshidratadas, la activa y la instantánea, es ésta última la más empleada. Trescientos cincuenta gramos de levadura seca equivalen a un kilogramo de levadura fresca prensada.17

3.2.8.2.1 Principales características a) Humedad: no más del 8% de su peso. b) Cenizas sulfúricas: no más del 9%, calculado sobre materia seca. c) La materia grasa no será superior al 4%. d) La cifra de proteína total no será inferior al 50%, calculado sobre materia seca. e) Estará exenta de almidón, azucarado y sustancias extrañas.16

3.2.8.3

Levadura liquida: Formada la bebida alcohólica, en el fondo se forma un lodo

constituido por las células vegetales de levadura que al terminar la fermentación por agotamiento de azúcar, se van depositando en el fondo del recipiente. Este lodo, que forma 30

una crema espesa, constituye la levadura Fresca o crema de levadura. Se suministra en cisternas refrigeradas. La levadura líquida es exactamente la misma que la prensada, tal y como se encuentra antes de la filtración y el empaquetado.17 3.2.8.3.1 Composición de la crema de levadura: La crema de levadura muestra variaciones considerables, tanto en rendimiento como en composición según la condición de operación.7

PRINCIPIOS INMEDIATOS

CREMA PRENSADA (100%)

Agua

70 gr

Hidratos de carbono

13.3 gr

Grasas

0.8 gr

Proteínas

13.5 gr

Cenizas

2.4 gr

Vitamina B1

4 mg

Vitamina B2

3 mg

Vitamina B6

5.5 mg

Vitamina pp.

30 mg

Ácido pantoténico

20 mg

Potasio

400 mg

Sodio

15 mg

Calcio

25 mg

Magnesio

16 mg

Hierro

5 mg

Fósforo

480 mg

Azufre

50 mg

Cuadro 2. Composición de la crema de levadura23

Los minerales están el 60% en combinación con el ácido fosfórico. 31

3.2.9 Fabricación de la levadura: La fabricación de levaduras comienza con unas cepas puras, libres de toda contaminación, denominadas células madres. El punto de partida es una cantidad muy próxima a 1 g de células madres, a las cuales se las introduce en un frasco con nutrientes. En este frasco, conservado a temperatura adecuada (27/30º C), al cabo de 24 horas el número de células iniciales se habrá multiplicado por 50. Seguidamente se añade a otro recipiente más grande donde después de otras 24 horas las levaduras se multiplican nuevamente. A partir de este momento, comienza el proceso industrial donde la mezcla pasa a cubas cada vez más grandes, hasta llegar, al cabo de los seis días, a una cuba de 48 toneladas. Las primeras etapas en la elaboración transcurren sin aireación, pero en la fase industrial las cubas tienen potentes compresores que mantienen el caldo fermentativo bien aireado. Esta súper-oxigenación de la levadura ayuda a que se reproduzca más rápidamente. La materia prima básica de esta fabricación es la mezcla de azúcar, la cual contiene un 50% de azúcar y de 10 a 12,5% de materias nitrogenadas, de las cuales la mitad son asimiladas por la levadura.16 Además en su composición hay materias minerales ricas en potasio y nutrientes indispensables para el desarrollo de las levaduras. Dicha mezcla se obtiene del residuo de la extracción de azúcar, presentada en forma de un líquido pastoso y que antes de ser añadida como nutriente ha de ser esterilizada y clarificada para eliminar las materias orgánicas que puedan contaminar el cultivo. Una vez esterilizada, la mezcla se enfría a 30º C, y se le va añadiendo a las cubas de fermentación. Al mismo tiempo el caldo fermentativo es sometido a una corriente de aire constante, que permite eliminar el anhídrido carbónico, para que de este modo se desarrollen adecuadamente las células. Cuando todo el azúcar de la melaza ha sido consumido por las levaduras, comienza la separación del mosto, por medio de sucesivas centrífugas que la lavan y la orean. Para obtener la consistencia de levadura comercial se necesita filtrar la crema por medio de filtros-prensas rotativos a vacío que eliminan parte del agua, cayendo la levadura obtenida directamente a una máquina amasadora que le da forma de barra y se corta automáticamente a la medida y peso deseado para formar los bloques. Estos bloques se envuelven mecánicamente con papel y cada cuatro o cinco bloques se envuelven con celofán. Formadas las bolsas, pasan a cajas de cartón que se almacenan en cámaras frigoríficas a 2º C de temperatura.16 32

3.4 PROCESO DE FILTRACION La filtración es la separación de una mezcla de sólidos y fluidos que incluye el paso de la mayor parte del fluido a través de un medio poroso, que retiene la mayor parte de las partículas sólidas contenidas en la mezcla. El medio filtrante es la barrera que permite que pase el líquido, mientras retiene la mayor parte de los sólidos, los cuáles se acumulan en una capa sobre la superficie o filtro (torta de filtración), por lo que el fluido pasará a través del lecho de sólidos y la membrana de retención.25

Figura 11. Proceso de filtración

La forma de separación depende de la naturaleza de la partícula que vaya a ser separada y de las fuerzas que actúan sobre ella para separarlas. Las características de las partículas más importantes a tener en cuenta son el tamaño, la forma y la densidad, y en el caso de fluidos, la viscosidad y la densidad.26 La modalidad de filtración utilizada va a depender del tamaño de partícula, lo cual puede resultar muy diverso según puede apreciarse en la siguiente tabla:26

33

Cuadro 3. Tamaño de algunas partículas que se pueden filtrar

Especies Levaduras y hongos

Dimensiones (mm) 1 – 10

Bacterias

0,3 – 10

Emulsiones de aceite

0,1 – 10

Sólidos coloidales

0,1 – 1

Virus

0,03 – 0,3

Proteínas, polisacáridos (MW 104 – 106)

0,002 – 0,02

Enzimas (MW 104 – 105)

0,002 – 0,005

Antibióticos comunes (MW 300-1000)

0,0006 – 0,0012

Moléculas orgánicas (MW 30-500)

0,0003 - 0,0008

Iones inorgánicos (MW 10-100)

0,0002 – 0,0004

Agua (MW 18)

0,0002

El sistema de filtración va desde un simple colado hasta separaciones altamente complejas. El fluido puede ser un líquido o un gas; las partículas sólidas pueden ser gruesas o finas, rígidas o plásticas, redondas o alargadas, individuales separadas o agregados. La suspensión de alimentación puede llevar una fracción elevada o muy baja de sólidos. En algunos casos, la separación de las fases debe ser prácticamente completa; en otros se desea una separación parcial, por lo que se han desarrollado numerosos filtros para las diferentes situaciones.26 La deposición de partículas sólidas sobre el medio filtrante es mostrada esquemáticamente en la siguiente figura. Se acepta generalmente que este tipo de filtración ocurre por un mecanismo de acumulación de partículas y formación de “puentes” sobre la superficie de los poros que conforman el medio filtrante. El medio filtrante juega un papel fundamental en el inicio de la filtración y puede extenderse su influencia a la estructura y propiedades de la torta formada.26 34

Torta o sedimento húmedo

Suspensión Medio fíltrante

Figura 12. Esquema de filtración donde se ilustran sus componentes fundamentales

En la siguiente figura la suspensión a separar, se suministra al filtro a una presión P1 y se pone en contacto con la superficie del medio filtrante. Las partículas son retenidas mientras que el fluido puede pasar a través de los poros del medio filtrante, acumulándose las primeras formando una torta húmeda de espesor h. Posteriormente, el fluido tendrá que vencer la resistencia que le impone la torta más la correspondiente a la presencia del medio filtrante. La presión en la cara posterior del medio filtrante es P2. En la medida que se lleva a cabo este proceso, el espesor de torta (h) y el volumen de filtrado claro obtenido (V), aumenta en el tiempo.26 SEDIMENTO O TORTA

P1

FILTRADO P2

SUSPENSIÓN

h Figura 13. Esquema donde se ilustran los componentes principales de la filtración con formación de torta..

35

3.4.1

Formas de llevar a cabo el proceso: En dependencia de la forma empleada para suministrar la suspensión al filtro, se tiene procesos a: (-∆p) constante.

3.4.1.1

Proceso de filtración al vacío.

Alimentación con bomba

centrífuga de curva plana. Procesos llevados a cabo suministrando aire comprimido al tanque de almacenamiento de la suspensión. Para una suspensión determinada en un filtro dado, la variable principal que se puede controlar, es la caída de presión, en la que si la diferencia de ésta es constante, la velocidad de flujo es máxima al comienzo de la filtración y disminuye continuamente hasta el final; este método es llamado filtración a presión constante. 3.4.1.2

Velocidad o flujo volumétrico constante. Se alimenta la suspensión con una

bomba volumétrica (rotatoria, dosificadora de manguera flexible, etc.). Al comienzo de la filtración, con frecuencia la resistencia del filtro es grande comparada con la resistencia de la torta, ya que ésta es delgada. En estas circunstancias la resistencia ofrecida al flujo es prácticamente constante, por lo que la filtración transcurre a velocidad casi constante. A través de relaciones matemáticas se puede obtener la cantidad de líquido que ha pasado por el filtro, la caída de presión necesaria para obtener cualquier velocidad de flujo deseada y además determinar la resistencia de la torta de filtración. 3.4.1.3 Velocidad (o flujo) y (-∆p) ambos variables. Se alimenta la suspensión mediante una bomba centrífuga.26

36

(-∆p) y velocidad variables

Velocidad constante

Presión (-∆p)

(-∆p) constante

Figura 14. Formas de llevar a cabo el proceso de filtración.

3.4.2 Compresibilidad de la torta: En las tortas obtenidas por filtración, la resistencia específica de ésta, varia con la caída de presión producida a medida que ésta se deposita; esto se explica porque la torta se va haciendo más densa a medida que la presión se hace mayor y dispone por ello de menos pasadizos con un tamaño menor para que pase el flujo. Este fenómeno se conoce como compresibilidad de la torta. Tortas muy compresibles serán aquellas que derivan de sustancias blandas y floculentas, en contraste con sustancias duras y granulares, como el azúcar y los cristales de sal, que se ven muy poco afectados por la presión (la velocidad es independiente de la presión).25 3.4.3 Pautas para mejorar la filtración ™ Temperatura: Al elevar la temperatura disminuye la viscosidad del líquido que se filtra y con ello en muchos casos se consigue una mejor velocidad de filtración. ™ Presión: Por aumento de la presión también se puede incrementar la velocidad a la que el filtrado atraviesa la torta de filtración. La caída de presión necesaria se puede alcanzar ya sea antes del filtro por la altura de la columna del líquido mismo o por presión adicional, o bien del lado del filtrado por disminución de la presión (vacío). 37

™ Agentes auxiliares d la filtración: El agregado de agentes auxiliares de filtración que no reaccionen con la suspensión evita la formación de una torta de filtración con una estructura menos compacta. Como agentes auxiliares de filtración se usan, entre otros: Tierras de infusorios, asbesto, cuarzo, celulosa, etc. ™ Disminución del espesor de la torta de filtración. ™ Variación del pH.29

3.4.4 Factores de los cuales depende la velocidad de la filtración: Los factores más importantes de que depende la velocidad de filtración serán entonces: •

La caída de presión desde la alimentación hasta el lado más lejano del medio filtrante.

•

El área de la superficie filtrante.

•

La viscosidad del filtrado.

•

La resistencia de la torta filtrante.

•

La resistencia del medio filtrante y de las capas iniciales de torta.

•

Las partículas muy finas o incluso coloides, forman una torta de filtración muy compacta que dificulta la filtración.

•

Las partículas gruesas y cristalinas, en cambio, forman una torta porosa y se dejan filtrar con facilidad.

•

Las partículas cristalinas redondas o esquinada se filtran bien. Por el contrario, las partículas laminares se depositan una sobre otra dificultando el paso del líquido a filtrar.

Las partículas mucilaginosas y pegajosas obstruyen los poros del material de filtración. La torta de filtración puede llegar a hacerse impenetrable.29

38

3.4.5 Necesidades para una filtración ™ Medios filtrantes o agentes de filtración. ™ Aparato de filtración. ™ Materiales auxiliares para la filtración. 3.4.5.1

Medios filtrantes o agentes de filtración

3.4.5.1.1

Selección: La elección de los medios de filtración es con frecuencia la

consideración más importante para asegurar el funcionamiento satisfactorio de un filtro. Se debe escoger primordialmente por su capacidad para retener los sólidos que se deben separar del fluido.29 a. Para la filtración de torta: La selección resulta casi siempre en una solución de término media entre los siguientes atributos: 1. Propensión mínima a las purgas: Capacidad de retener los sólidos sobre sus poros con rapidez. 2. Propensión mínima a los atascamientos: Velocidad baja de arrastre de sólidos dentro de sus intersticios. 3. Velocidad elevada de producción: Resistencia mínima al flujo de filtrado. 4. Resistencia a los ataques químicos. 5. Resistencia para sostener la presión de filtración. 6. Resistencia aceptable al desgaste mecánico. 7. Capacidad para descargar torta con facilidad y limpieza. 8. Capacidad para conformarse mecánicamente al tipo de filtro, con el cual se utilizará. 9. Costo mínimo. b. Para la filtración con medios de filtro: Se aplican los atributos 3, 4, 5, 8 y 9 de la lista anterior y es preciso agregarles: 1. Capacidad para retener los sólidos requeridos. 39

2. Libertad de descarga de pelusa. 3. Capacidad para no atascarse con rapidez (larga duración). 29 3.4.5.1.2

Materiales de fabricación: Los medios de filtro se fabrican de algodón,

polímeros sintéticos, vidrio, asbesto, celulosa, metales y otros materiales que forman fibras, de carbono, metal, retazos, polímeros sintéticos y otros sólidos porosos o perforados y de arenas otros sólidos en partículas, capaces de formar un lecho filtrable.29 Para la filtración de torta, el tipo más común de media es el de textiles tejidos de algodón o fibras sintéticas. Además del material del que se hacen las hilazas, se utilizan ciertas características de construcción para describir Las telas de filtros: 1. Tejido: Se pueden hacer con cualquier fibra textil naturales o sintética. Entre los muchos disponibles, sólo se utilizan 4 de ellos como medios de filtración: o

Tejido liso (cuadrado): Los hilos cruzados se tejen por encima y por debajo de Los hilos largos, en forma alterna.

o

Sarga: Se caracterizan por su aspecto diagonal.

o

Tejido de cadena: La tela resultante tiene características intermedias a las de las lonas y las sargas.

o

Satín: Similar a las sargas, con hilos flotantes. El resultado es una tela de cara lisa sin el aspecto diagonal de una sarga.

2. Estilo: número arbitrario que asigna coda fabricante. 3. Conteo: número de hilos por pulgada en cada dirección, expresándose primero el de los hilos largos. 4. Peso (en onzas por yarda cuadrada): Las telas de peso elevado y conteo bajo, constituyen las telas más fuertes, pero en general tienden a atascarse y retener sólidos gruesos. 5. Pliegues: Número de pequeñas hilazas torcidas juntas para constituir el hilo final. 6. Número de hilaza. peso del filamento original torcido (raramente constituye un factor a tener en cuenta para el usuario).29

40

3.4.5.1.3

Otros medios de filtración: Telas metálicas de varios tipos de tejido en

níquel, cobre, latón, bronce, acero, aluminio y aleaciones. Los metales también se utilizan en la forma de medios porosos rígidos. •

Medios fibrosos no tejidos para filtro, que se emplean hasta que fallen y luego se descartan.

•

Los filtros prensados y la barra de algodón se utilizan para filtrar partículas gelatinosas. Las tramas no tejidas se utilizan para fines similares.

•

Pulpas y papeles de filtro: retienen sólidos muy finos y aclaran soluciones.

•

Lechos granulares: filtros de arena y carbón, para filtrar agua y soluciones químicas.

•

Placas filtrantes de arcilla, cuarzo, vidrio, tierra de diatomeas de determinado tamaño de grano, entre otros. Estos materiales granulados se compactan y se unen con la ayuda de aglutinantes para formar placas o tubos de diferente porosidad.29

La resistencia del material del filtro y la de la capa preliminar de la torta, se combinan en una sola resistencia, que se conoce como resistencia del filtro y que se expresa en función de un espesor ficticio de torta de filtración; este espesor se multiplica por la resistencia específica de la torta, obteniéndose así el valor numérico de la resistencia del filtro. En relación con la resistencia que ofrece el medio de filtración, se sabe que la diferencia de presión, y tal vez la velocidad de flujo lo afecten; además un medio filtrante viejo y usado tiene una resistencia mucho mayor que uno nuevo y limpio. Esta resistencia del medio es considerada constante porque generalmente sólo es importante en los primeros instantes del proceso, de esta manera puede ser determinada a partir de datos experimentales.29

3.4.5.2

Aparatos utilizados en filtración: Los aparatos que se utilizan en filtración,

constan básicamente de un soporte mecánico, conductos por los que entra y sale la dispersión y dispositivos para extraer la torta. La presión se puede proporcionar en la parte inicial del proceso, antes del filtro o bien se puede utilizar vacío después del filtro, o ambas a la vez, de forma que el fluido pase a través del sistema. La mayoría de los filtros industriales operan a vacío o a presión, es decir, operan a presión superior a la atmosférica. 41

También son continuos o discontinuos, dependiendo de que la descarga de los sólidos sea continua o intermitente. Durante gran parte del ciclo de operación de un filtro discontinuo el flujo de líquido a través del aparato es continuo, pero debe interrumpirse periódicamente para permitir la descarga de los sólidos acumulados. En un filtro continuo, tanto la descarga de los sólidos como del líquido es interrumpida cuando el aparato está en operación. 29 Termodinámicamente, un filtro es un sistema de flujo. Por medio de una diferencia de presión aplicada entre la entrada de la suspensión y la salida del filtrado, la suspensión circula a través del aparato, en el cual se depositan los sólidos presentes en el flujo, formando un lecho de partículas, por el que debe seguir circulando la suspensión a filtrar. El filtrado pasa a través de tres clases de resistencia en serie: 20 1. Las resistencias de los canales que llevan la suspensión hasta la cara anterior de la torta, y el filtrado desde que sale del medio filtrante. 2. La resistencia correspondiente a la torta. 3. La resistencia correspondiente al medio filtrante. Con respecto a la distribución de la caída global de presión, por ser éste un flujo en serie, la diferencia de presión total en el filtro puede igualarse a la suma de las diferencias de presión individuales. En un filtro bien diseñado las resistencias de las conexiones de entrada y salida son pequeñas y pueden despreciarse en comparación con la resistencia de la torta y del medio filtrante. Al incrustarse las primeras partículas en las mallas del medio filtrante, se produce una resistencia adicional que afecta al flujo posterior.20 La resistencia total que se establece sobre el medio, incluyendo la de las partículas incrustadas, se llama resistencia del medio filtrante y es importante durante los primeros momentos de la filtración. La resistencia que ofrecen los sólidos, y que no se debe al medio filtrante, se llama resistencia de torta. La resistencia de la torta es cero al iniciar la filtración, a causa de la deposición continua de sólidos sobre el medio, esta resistencia aumenta continuamente con el tiempo de filtración.20

42

3.4.5.2.1 Clasificación de filtros según sus características 3.4.5.2.1.1

Por la fuerza impulsora: Se induce el flujo del filtrado por el septo (tabique

que divide una cavidad), mediante la carga hidrostática (gravedad), presión sobre atmosférica aplicada corriente arriba del septo, presión subatmosférica aplicada corriente abajo del septo, o fuerza centrifuga a través de éste último. 3.4.5.2.1.2 Por el mecanismo de filtración a.

Filtración de tortas: Los sólidos filtrados se detienen en la superficie del medio y se amontonan unos sobre otros para formar una torta de espesor creciente.

b.

Filtración de media filtro: (Filtración de bloqueo, superficial, de profundidad y micrónica, clarificación, cuando las partículas retiradas son extremadamente pequeñas, ultrafiltración). Los sólidos quedan atrapados dentro de los poros o del cuerpo del medio.

3.4.5.2.1.3.

Por la función: La meta puede ser la obtención de sólidos secos (la torta es el

producto de valor), líquido clarificado (el filtrado es el producto valioso) o ambas cosas. Lo primero se logra sólo mediante la filtración de tortas; pero la clarificación se realiza tanto en las operaciones de torta, como de media de filtración. 3.4.5.2.1.4

Por ciclo operacional: Los filtros pueden ser intermitentes por lotes o

continuos. 3.4.5.2.1.5 Por la naturaleza de los sólidos a. De 1 a 10 micros y mayores: La mayoría de Las filtraciones incluyen sólidos de ésta gama de tamaños. b. De 1 micra hasta las dimensiones de las bacterias o, incluso, las moléculas grandes: sólo se pueden filtrar mediante la filtración de media filtro o ultrafiltración.

43

Estos métodos de clasificación no se excluyen mutuamente. Los filtros se dividen primeramente en los dos grupos de equipos de torta y clarificación, a continuación en grupos de máquinas que utilizan la misma fuerza impulsora y luego, en las clases par lotes o continuos.29 3.4.5.2.2

Clasificación de filtros según su tipo

1. FILTROS DE ARENA: Abiertos A presión 2. FILTROS PRENSA: de cámaras de platos y marcos: con lavado sin lavado salida del producto abierta salida del producto cerrada 3. FILTROS DE HOJAS: Moore Kelly Sweetland 4. FILTROS CONTINUOS: Rotativo Horizontales

3.5

FILTRO PRENSA

Discontinuo de presión: En estos se coloca una tela o una malla sobre placas, de manera tal que sean los bordes los que soporten a la tela y al mismo tiempo dejen debajo de la tela un área libre lo más grande posible para que pase el filtrado. Las placas se disponen con mayor frecuencia verticalmente, para así disponer de un área suficiente para la operación que se trate, estas placas son varias y se encuentran apretadas por tornillos o una prensa hidráulica; estas placas se disponen en paralelo. Al circular la suspensión, la torta se forma 44

en el lado más alejado de la placa, parte que se conoce con el nombre aguas arriba de la tela.20 En los primeros instantes de la filtración, la caída de presión en la tela es pequeña y el proceso ocurre a velocidad aproximadamente constante. A medida que transcurre el proceso y, por tanto, crece la torta húmeda, el proceso transcurre a presión constante, situación que perdura en la mayor parte del ciclo de filtración. Una vez que el espacio disponible entre dos placas sucesivas se ha llenado con torta, es necesario desarmar la prensa y extraer la torta.20

3.5.1 Tipos de filtro prensa: Filtros prensa de cámaras y filtros prensa de placas y marcos. 3.5.1.1 Filtros prensa de cámaras: El tipo de filtro prensa más sencillo y más barato, es conocido como de cameras o filtro prensa de platos huecos. En la figura 15, se representa una vista frontal del plato. Una cabeza fija pesada de fundición va montada sobre un marco adecuado que lleva las conexiones necesarias de tuberías. Saliendo de esta cabeza hay dos barras horizontales, soportadas por el otro extremo del marco. Estas barras soportan los platos de la prensa por medio de orejas A. Los platos son normalmente de fundición y tienen de 30 a 90 cm de diámetro por 12 mm de espesor, con un borde elevado de 10 a 25 mm. Pueden ser cuadrados o redondos. Poseen una estructura reticulada para soportar la tela filtrante y permitir la circulación del líquido de filtrado.20 En el centro de cada plato va un agujero, que está alineado con una conexión de la cabeza de la prensa y por el que se introduce la alimentación. Sobre cada plato va colocada una tela de tejido filtrante con un agujero cortado en el centro. El tejido filtrante se ajusta al plato en este punto por media de los anillos B llamados ojales que pueden ir atornillados o inmovilizados por un retén de bayoneta. De esta forma el tejido filtrante cae hacia abajo de manera que queda saliendo alrededor del plato. Cuando todos los platos se han armado en la forma indicada, se coloca un plato especial al final y se prensa el conjunto fuertemente por media de un tornillo o mediante un dispositivo de presión hidráulica. Las telas filtrantes sirven de junta entre platos adyacente.20 45

Figura 15. Vista frontal de un plato. Filtro prensa de cámaras

Si, el líquido que se quiere filtrar, se bombea a través de la conexión que está en el centro de la cabeza de la prensa, se llenará todo el espacio que hay entre las telas. A medida que se bombea material, el filtrado pasa a través de las telas, corre hacia abajo por las ondulaciones que existen sobre las caras de los platos y escape a través de los agujeros C, efectuados en la parte inferior de los platos, que conectan con una salida exterior, y que normalmente descarga en una artesa abierta. Bajo presión, las telas son forzadas contra la cara de plata. La cámara formada entre los platos por los bordes salientes, es el volumen disponible para la formación de la torta. Por consiguiente, el saliente de los bordes se determina por el espesor de la torta a través de la cual se puede hacer pasar el filtrado con una presión razonable. Cuando se ha acumulado suficiente cantidad para llenar las cámaras, se afloja el tornillo de cierre, se desliza hacia atrás el plato final por los carriles soportes, se separan los platos y se descargan las tortas. Pueden encontrarse muchas variantes del tipo descrito anteriormente. La alimentación puede introducirse por un canal a lo largo de un lado de los platos en lugar de hacerlo par el centro. Las conexiones de descarga pueden, ir unidas a una tubería cerrada en lugar de descargar a una artesa abierta. Ninguno de estos cambios, sin embargo, afecta al método de trabajo.29

46

El filtro prensa de cámara no es apto para el lavado de las tortas, es difícil efectuar una descarga limpia de las mismas y más importante aún, el desgaste de las telas filtrantes es muy grande.20

3.5.1.2

Filtros prensa de placas y marcos: Entre los filtros prensa de placas y marcos se

pueden diferenciar dos variantes en cuanto al servicio que prestan. Ellos son: •

Filtro prensa sin lavado.

•

Filtro prensa con lavado.

3.5.1.2.1

Filtros prensa de placas y marcos. Sin lavado: Un tipo de filtro más satisfactorio

y mucho más flexible es el filtro prensa de placas y marcos (algunas veces llamado plato embutido). Este se compone de placas muy ligeramente rebordeadas y de marcos huecos, montados alternativamente en el tipo de estructura que se emplea para el filtro de cámaras. Al montar el filtro prensa se coloca en cada placa una tela filtrante, que no se monta sobre los marcos. Estas telas filtrantes tienen unos agujeros que coinciden con Las conexiones de la placa y marcos, de forma que cuando se ha montado el filtro, estas aberturas forman un canal continuo de longitud total a la del filtro y coinciden con las conexiones correspondientes de la cabeza fija. Los canales se comunican con el interior del filtro únicamente en los marcos.20

Figura 16. Filtro prensa de placas y marcos

47

En el fondo de las placas hay unos agujeros que conectan a llaves individuales (descarga abierta). Con este sistema se puede controlar la filtración en cada una de las cavidades filtrantes al examinar el líquido de filtrado. Si no existen los agujeros con las llaves, el líquido se extrae por el cabezal fijo del filtro (descarga cerrada) y se aplica cuando los líquidos son tóxicos, volátiles o explosivos; pero no se puede controlar la filtración frente a una rotura de las telas. A medida que se bombea el material que ha de filtrarse a través del canal de alimentación los marcos se van llenando y se eleva la presión.20

Figura 17. Placas y marco de un filtro prensa sin lavado

PLACA

MARCO

3.5.1.2.2 Filtros prensa de placas y marcos. Con lavado: Existen dos clases diferentes de placas. Una de ellas es como la anterior y la nueva tiene una conexión al canal de lavado. Además las dos placas y el marco forman, al estar prensados, dos canales: uno de alimentación y otro de lavado. Con el objetivo de diferenciar estas dos clases de placas y también los marcos, es una práctica universal la fabricación de los filtros prensa fundir pequeños resaltes en el exterior de las placas y marcos para guiar al operario al montar el filtro. La prensa se monta de tal manera que el orden de los botones sea 1-2-3-2-1-2-3-2-1 etc. Los diferentes canales se 48

unen a las conexiones de la cabeza durante la filtración, el canal de lavado esta cerrado por una válvula situada en la cabeza de la prensa.20 La filtración se efectúa como se ha explicado anteriormente para el filtro sin lavado. Cuando la filtración ha alcanzado el limite práctico y se ha formado una torta compacta y bien formada, se cierra la conexión de alimentación y las válvulas de salida de todos las placas de tres botones y se introduce agua por el canal de lavado. Estos canales de lavado están conectados con las dos caras de las placas de tres botones. El agua entra por lo tanto entre cada placa y su tela filtrante, pero como la salida de las placas de tres botones se ha cerrado, el líquido de lavado pasa a través de la torta, cae por las caras de las placas de un botón y sale a través de las llaves de descarga que han quedado abiertas en las placas de un botón. Es obvio que pueden no existir las conexiones entre el canal de lavado y las caras de los platos de un solo botón. El agua de lavado pasa a través de la totalidad del espesor de la torta, mientras que durante la filtración el filtrado pasa a través de sólo la mitad del espesor de la torta. Teóricamente, esta resistencia adicional de la torta originará que el agua se distribuya uniformemente sobre las caras de las placas de tres botones y que, por tanto, pase uniformemente a través de la torta. A pesar de esto, el lavado es mucho mejor en Las proximidades de la entrada del agua. En consecuencia, muchos filtros prensas con lavado están provistos de dos canales de lavado situados en esquinas opuestas diagonalmente. Se lava el filtro primero a través de un canal y después a través del otro. Si el filtro de placas y marcos con lavado está dispuesto también para que el filtrado salga en forma cerrada, deben preverse dos canales de descarga separados, puesto que las placas de

tres

botones

han

de

ponerse

fuera

de

ser

vicio

durante

el

lavado.

El filtro prensa también puede construirse con canales de forma que pueda calentarse o enfriarse. En los filtros prensa de los diferentes constructores puede encontrarse una gran variedad de detalles; estas variaciones son solamente estructurales y la comprensión de la operación de un filtro prensa hará que la identificación de cualquiera de ellos sea una cosa sencilla.20

49

Figura 18. Placa y marco de un filtro prensa con lavado.

3.5.2

Materiales de construcción: Usualmente se construyen de fundición, aluminio o

acero inoxidable. Se concibe que pueden construirse de cualquier metal que funda, pero de hecho la mayor parte de estas construcciones son muy caras para ser prácticas. Las placas y marcos recubiertos de plomo goma pueden emplearse para filtrar líquidos que ataquen a la fundición, y se dispone de filtros prensa completamente construidos con madera.29 El medio filtrante más corriente es cualquiera de Los tejidos de algodón. Pueden utilizarse varios tipos de tejidos desde la ligera tela para sábanas hasta la pesada franela o incluso arpillera. En la filtración de algunos aceites se utilizan hojas de papal en lugar de telas, pero no soportan cualquier presión, sino sólo baja presiones y deben siempre colocarse con un tejido fuerte de soporte. Puede disponerse de telas de hilos metálicos suficientemente finas para Las necesidades de la filtración, pero rara vez se utilizan.29

50

3.5.3

Algunas definiciones

™ Ciclo: Se define como el tiempo total que tarda realizar los siguientes pasos: comprimir, vaciar, limpiar, recargar y presionar un filtro prensa; la filtrar y lavar con agua y/o con vapor. ™ Superficie filtrante: La superficie filtrante es igual a las superficies útiles que presentan, al paso de los jugos turbios, las telas interpuestas. ™ Presión de filtración: La velocidad de filtración depende de la presión a la cual se pone el jugo en el interior del filtro. Esta presión esta dada por la bomba. La presión es normalmente de 3 a 4 Kg/cm2. Puede descender hasta 2 Kg/cm2 en los casos más favorables y subir hasta 4.5 Kg/cm2 en el momento del lavado y en los casos desfavorables. ™ Presión de cierre: El tornillo de cierre o la presión hidráulica deben ser capaces de equilibrar la presión total del jugo y además dar un cierre suplementario que asegure el aislamiento del aparato y evite las fugas del jugo entre los marcos y las placas. Generalmente se calcula que la presión dada por el dispositivo de cierre deber ser por lo menos superior en el 50% a la presión del jugo. ™ Peso de la torta producida: Los filtro dan alrededor de 4 o 5 Kg de la torta por m2 de superficie filtrante por hora. 1. Torta: Cuando la filtración es buena las tortas son porosas, cuando es mala, son semilíquidas y delgadas. 2. Humedad: El contenido de humedad depende evidentemente del estado de la torta. Cuando las tortas son buenas, son secas, el contenido de humedad varia del 50 al 60%, cuando son semilíquidas llegan al 70%.27

51

4. CALCULOS DEL SISTEMA DE FILTRACIÓN

4.1 Descripción del sistema de filtración actual El equipo de filtración consiste en un par de filtro prensa de marcos y placas, los cuales están diseñados para operar con un batch de 3 horas cada filtro, para tratar una solución alcohólica con contenido de levadura al 20%. Fueron suministrados por la empresa PROTÓN Ltda., con las siguientes especificaciones: modelo: PP-1000-22, año: 1.994, N°: 294091, N° de placas: 22, área total de filtración: 35.2 m2, volumen de sólidos total (torta): 1030 litros/batch, 4210 mm de largo, 1400 mm de ancho y 3200 Kg. de peso aprox. Las lonas son en poliéster con una retención de 7 micras. Estos filtros, al igual que la tubería de conducción se encuentran en buen estado, a pesar de tener más de 4 años sin operar. La levadura a filtrar se encuentra almacenada en un tanque (en acero inoxidable con agitación mecánica) y desde éste por la línea de tubería (en acero) existente, es enviada al filtro mediante una bomba centrífuga de 1,5 HP de potencia, 100 gal/min, 50 pies de presión y un motor de 1750 RPM, cuya referencia en el proceso es la P-405 A/B. La presión en la entrada y salida es medida con la ayuda de un manómetro tipo Bourdon, la suspensión a filtrar consiste en una crema de levadura con 22-24% de sólidos. El líquido filtrado es recolectado en un tanque horizontal en acero inoxidable. Transcurrido un tiempo adecuado (3,5-4,0 horas) y cuando se observa que ha disminuido notablemente la velocidad de filtración, se abre el filtro y se descargan las tortas depositadas en los marcos.

52

4.2 Procedimiento experimental Pasos importantes: 1. Revisión, mantenimiento y reparación del sistema de filtración (filtro prensa, lonas de filtración, bomba y líneas de conducción): Se sometió dicho sistema a una revisión por parte de los mecánicos del área de destilación, estos realizaron los arreglos y ajustes necesarios para asegurar el buen funcionamiento durante la fase experimental. 2. Definición de las corridas realizadas (Proceso de filtración): Se partió de la realización de 10 ensayos, considerando que eran necesarios para la recolección de la información necesaria en los cálculos del sistema de filtración. Después de iniciados los ensayos no se noto cambio significativos entre las variables de proceso de un ensayo y otro, razón por la cual se decidió suspender los experimentos en el ensayo N° 7. La información de estos ensayos fue organizada, tabulada y analizada, para luego concluir, que solo 3 de estos 7 experimentos presentaban cambios realmente significativos en sus variables, eligiendo así, estos como los datos representativos para el calculo y análisis del sistema de filtración. (Cuadros 5, 6, 8, 9, 11, 12) Filtración a presión constante 1. Verificar que todas las válvulas de las placas estén cerradas. 2. Acomodar los marcos y las placas de tal forma que estén alternadas y permitan que el fluido pase por los conductos. Asegurarse que la marca que tienen estos coincidan perfectamente unos con los de los otros.

53

Figura 19

3. Colocar una lona a cada lado de los marcos de manera que los huecos de las lonas coincidan perfectamente con los de los marcos. 4. Aplicar presión a los marcos y placas mediante el volante de ajuste. 5. Agitar el tanque de alimentación (encender agitador) 6. Operar las válvulas y prender la bomba de tal forma que se utilice el sistema de recirculación, sin que entre líquido al filtro. Esto es para ayudar a la uniformidad de concentración en el tanque de alimentación. 7. Tomar la concentración de levadura en la solución (% peso), pH, densidad y viscosidad de la suspensión. 8. Abrir la válvula de descarga al filtro 9. Fijar una presión de operación y empezar la toma de tiempos en cuanto salga el líquido filtrado. 10. A volúmenes constantes medir el tiempo de recolección. 11. Medir densidad, viscosidad y pH del filtrado colectado de esta forma. 12. Continuar las mediciones hasta tomar de 15 a 20 datos V/t vs. t 13. Descargar y pesar la torta 14. Tomando una muestra representativa de la torta obtenida en el proceso, determinar su humedad aproximada, espesor, densidad, volumen.

54

Caída de presión total (∆p). La caída de presión ∆P se mide como la presión de entrada al sistema de filtración y a la salida del filtro o presión de descarga. Instalan los manómetros a la entrada y salida del filtro.

4.3 Precauciones: ™ Evitar la agitación muy cercana al filtro porque podría impedir la formación de la torta. ™ Cuidado con el agitador, asegurarse que la hélice esté completamente sumergida y evitar que el motor se sobrecaliente. ™ Registrar presión de operación, densidad de la suspensión, número de marcos, peso y humedad de la torta, caída de presión total. ™ Para evitar que un indicador del manómetro vibre demasiado, cerrar un poco la válvula que se encuentra antes del medidor, hasta la posición en que el valor que registra quede inmóvil, sin que por esto se cierre el flujo. ™ Procurar tener cuidado a la hora de manejar al volante de ajuste, no se acerque al contacto eléctrico y así evitar algún accidente. ™ Al terminar proceso se deberá dejar el equipo y el área de trabajo lo mas limpio posible.

55

Figura 20. DIAGRAMA DE UN SISTEMA DE FILTRACIÓN (FILTRO PRENSA)

56

4.4 Descripción de las variables del proceso ¾ Variables controladas (Manipuladas): Entre estas variables se encuentran aquellas que sus valores son conocidos, por ser propias de las especificaciones de los equipos y aquellas que se le dieron valores fijos durante la practica. ƒ

Número de marcos del filtro: Especificación propia del filtro prensa.

ƒ

Área total de filtración (AT): Especificación propia del filtro prensa.

ƒ

Área de filtración (AFILTRACION): Especificación propia del filtro prensa.

ƒ

Volumen de la torta (VTORTA): Correspondiente al volumen del marco del filtro prensa. Se asumió (por experimentos de prueba realizados con anterioridad) que la torta formada ocupa todo el volumen disponible del marco.

ƒ

Presión de ajuste: Ajuste mecánico del filtro prensa (tornillo mecánico).

¾ Variables no controladas (Perturbaciones): Entre estas variables se encuentran aquellas que sus valores son conocidos, pero que dependen de la fermentación, ya que la crema de levadura es un producto de esta y de los procesos de separación a los que es sometido el vino producido durante dicho proceso de fermentación. Estos valores fueron dados directamente por los sensores del proceso y otros por procedimientos en el laboratorio. ƒ

Temperatura de operación: Corresponde a la temperatura a la cual se envía la crema de levadura al proceso de filtración.

ƒ

pH de la crema de levadura, sólidos contenidos en la crema de levadura (CS), densidad (ρS) y viscosidad (µS) de la crema de levadura, densidad de la levadura fresca (ρSS),

¾ Variables medidas de salida: Entre estas variables se encuentran aquellas que sus valores fueron conocidos directamente por medidores. ƒ

Peso de la torta: Después de terminado el proceso de filtración y descargadas los tortas formadas, se tomaron 3 tortas al azar y utilizando una balanza industrial 57

fueron pesadas individualmente y luego se tomo un valor promedio de los tres obtenidos (si el peso obtenido presentaba variación significativa). ƒ

Espesor de la torta: Correspondiente al grosor de la torta, medido utilizando un metro. pH del filtrado: Variable medida utilizando un pHmetro disponible durante la practica

ƒ ¾

Viscosidad del filtrado: Medida con un viscosímetro

Variables de salida no medidas: Entre estas variables se encuentran aquellas que sus valores fueron conocidos mediante el cálculo de correlaciones o ecuaciones. ƒ

Humedad de la torta: Mediante análisis en el laboratorio (Anexo A)

ƒ

Densidad de la torta: Fue calculada mediante la ecuación ρ = M

V

, que

correlaciona el peso de una muestra de la torta formada con su volumen correspondiente (volumen desalojado). ƒ

Área de la torta: Fue calculada mediante la ecuación A = L * L , que correlaciona los lados (medidos con metro)de una torta formada.

ƒ

Densidad del filtrado: Fue calculado mediante la formula ρ = M

V

, que

correlaciona el peso y el volumen de la muestra de filtrado compuesta recolectada durante la practica. ƒ

Volumen del tanque de almacenamiento: Se calculó utilizando las formulas

V =π *r2 * H y V =

π 3

* r 2 * H , que correlaciona el radio del tanque y la

altura (dependiendo de las secciones cilíndrica y cónica del tanque). ƒ

Otras variables: Fracción hueca o porosidad ( ε ), masa de sólido por volumen de filtrado ( w), volumen de una torta ( VTORTA ), Volumen total de las tortas formadas ( [VTORTA ]TOTAL ), cantidad de sólido contenido en una torta ( M ), masa de suspensión en que está contenida M ( MS ), Volumen de suspensión en que esta contenido MS ( VS ), Cantidad de sólidos totales contenidos en las tortas 58

formadas ( M TOTAL ), Masa de suspensión en que están contenidos M TOTAL ( [MS ]TOTAL), Volumen de suspensión en que esta contenida [M S ]TOTAL ( [VS ]TOTAL ), Volumen de filtrado V por cada placa, VTOTAL totales. Estas variables fueron calculadas siguiendo el algoritmo de la filtración. Las variables correspondientes al filtrado, fueron tomadas para una muestra compuesta representativa formada de la siguiente manera: 1. El filtrado fue recolectado en canecas de 20 galones en volumen. 2. Se tomaron muestras de 500 ml de filtrado por cada caneca recolectada. 3. Se mezclaron las muestras de cada caneca obteniendo así, la muestra compuesta de filtrado a utilizar en la práctica.

4.5 Filtro prensa 4.5.1

Modelo matemático Ec. General de la filtración

∆ Ptorta g c 1 dV ∆ Pmedio g c ∆ Ptotal g c = = = A dθ rtorta rmedio rtortta + rmedio

(1)

Resistencia del medio filtrante

Se considera que permanece constante y se representa por:

rm = µ R m

(2)

Es una fracción muy pequeña de la resistencia total y representa la resistencia ofrecida por el medio con los poros parcialmente obstruidos por el material a filtrar, por lo cual es bastante mayor que la ofrecida por el medio filtrante completamente limpio.

59

Resistencia de la torta

La resistencia de la torta depende del espesor y la naturaleza de la torta, y ha de expresarse teniendo en cuenta que aumenta intensivamente con el transcurso de la filtración por ir aumentando el espesor.

rt = µ R T = µ

L torta K

(3)

El espesor de la torta, Ltorta o simplemente L, es una variable que no puede determinarse con exactitud en la practica de la filtración, como es proporcional al volumen filtrado, puede expresarse en función de este. La masa de sólido depositada sobre el filtro será igual a la masa de sólido que estaba contenida en el volumen V de filtrado mas la masa de sólido contenida en el volumen de suspensión retenida por la torta; es decir,

M = Vρ o,

( m − 1) s s s s + εLA ρ = Vρ + M 1− s 1− s 1− s 1− s

M =

sρ V = Vw 1 − ms

(4)

(5)

ρ = densidad del filtrado s = fracción másica del sólido en la suspensión (Kg sólido/ Kg de suspensión) m=

torta _ humeda torta _ sec a

w = masa de sólido referida al volumen de filtrado. La masa de sólido depositada sobre el filtro vendrá da por:

M = LA(1 − ε ) ρ s

(6)

Siendo ρs la densidad del sólido. Igualando las expresiones (5) Y (6), y despejando L, se tiene:

60

L=

sρ 1 1 V= wV A(1 − ε ) ρ s 1 − ms A(1 − ε ) ρ

(7)

El valor de K despejado de la ecuación ∆Pg c 1 dV =K A dθ µL

(8)

El valor de K es:

K=

ε 31

(9)

kS o (1 − ε ) 2 2

Sustituyendo en (3)

kS o (1 − ε ) 2 L wV RT = = K A(1 − ε ) ρ s ε3 2

(10)

Las propiedades que dependen de las características de la torta se pueden incluir en un factor definido por la expresión:

kS o (1 − ε ) 2

α=

ρ sε 3

=

1 (11) Kρ s (1 − ε )

Denominada RESISITENCIA ESPECIFICA DE LA TORTA (de dimensiones L/M), y representa la resistencia ofrecida por la unidad de masa de torta seca depositada sobre la unidad de área de sección norma al flujo a través de la torta. Sustituyendo el valor de α en la ecuación (10) resulta: R

T

=

α wV A

=

α M A

(12)

Siendo las dimensiones de RT (resistencia de la torta /viscosidad del filtrado) 1/L. 61

Sustituyendo valores en la ecuación (1) resulta dV d θ

1 A

=

∆ Pg

µ  

(13)

c

 α wV

+

A

R

m

  

La resistencia del medio fíltrante puede expresarse en función de la resistencia ofrecida por una capa hipotética de torta que corresponda al volumen Ve de filtrado necesario para formar esa torta hipotética; es decir R

m

=

αρ sV

e

A ( 1 − ms )

=

α wV

e

A

α M

=

e

(14)

A

Siendo Me la masa de sólido depositada por el volumen Ve. Sustituyendo estos valores en la ecuación (13), queda: 1 A

dV d θ

=

µα A

∆ Pg w (V

c

+ V

e

)

=

∆ Pg

µα A

(M

c

+ M

e

)

(15)

Tortas compresibles e incompresibles

El valor de α definido en la ecuación (11) no permanece constante a lo largo de l proceso de filtración, ya que tanto SO como ε dependen de la presión aplicad sobre las partículas que forman la torta y del grado de floculación de la suspensión. Esto exige que el valor de α empleado en los cálculos de filtración sea el valor medio correspondiente a la disposición de la masa de sólido sobre el filtro. En los lechos de partículas rígidas, S0 y ε no están afectadas por la compresión aplicada sobre el lecho, en cuyo caso ha de permanecer constante el valor de α durante el proceso de filtración y la torta se denomina INCOMPRESIBLE; pero si α depende de la presión de filtración, la torta se denomina COMPRESIBLE.

62

El efecto de la presión sobre la resistencia especifica de la torta se expresa por la relación sugerida por Almy y Lewis, aplicable a un intervalo limitado de presiones, que tienen la forma:

α = α o ∆P n

(16)

Siendo la resistencia especifica a presión cero, o resistencia especifica de la torta si fuera totalmente incompresible, y n el factor de compresibilidad que se considera como una constante característica de la sustancia a filtrar, aunque realmente también esta afectada por la presión. El valor teórico de n esta comprendido entre cero y la unidad, pero el intervalo real de variación es de 0.9 (para las sustancias altamente compresibles como los hidróxidos) y 0.15 (para los coadyudantes) Para la ecuación (16), n es la pendiente de la recta obtenida al representar α frente a ∆P en escala logarítmica:

log α = log α o + n log ∆ P

(17)

Filtración a presión constante

Partiendo de la ecuación (13)

µRm µα w dϑ = V + 2 dV ∆ Pg c A ∆ Pg c A

(18)

Para tortas incompresibles y filtración a presión constante resulta:

dθ dV

= k 1V + k

2

(19)

Siendo

k1 =

µα w ∆ Pg

c

A2

=

µαρ s ∆ Pg

c

A 2 (1 − ms )

=

µ R torta ∆ Pg c VA

(20) 63

dθ

por medio de

dV

para el intervalo de tiempo ∆θ, en el que se ha recogido el

volumen de filtrado ∆V. La ecuación (19) permite calcular la velocidad de filtración (volumen / tiempo) en el instante en que se ha recogido el volumen V de filtrado. Podemos calcular el volumen de filtrado obtenido antes que se alcance una velocidad de filtración determinada (velocidad mínima) por debajo de la cual la filtración se hace demasiado lenta, por lo cual ha de descargarse y limpiarse el filtro, este volumen de filtrado se calcula a partir de la ecuación (19) y viene dado por: =

V

d θ dV

1 k 1

− V

e

(21)

Para calcular el volumen total de filtrado en función del tiempo de filtración hemos de integrar la ecuación (19) entre los limites adecuados. Considerando que se empezó a contar el tiempo de filtrado en el instante en que se ha formado una torta de espesor tal que la resistencia ofrecida a la filtración sea igual a la del medio filtrante, es decir cuando el volumen del filtrado es Ve. El tiempo necesario para recoger ese volumen Ve. Se expresa por θe, y sea V el volumen de filtrado recogido en el instante de tiempo comprendido entre 0 y θ. Prescindiendo del volumen de líquido retenido por la torta, a partir de la ecuación (19): θ

∫θ −

dθ = ∫

V +Ve

0

θ + θe =

k1 (V + Ve )dV

k1 (V + V e ) 2 2

(22)

(23)

Como para θ = 0, V = 0, resulta:

θ

e

k 1V = 2

2 e

(24) 64

y entonces,

θ

=

k1 V 2

2

+ k 1 VV

e

(25)

e

(26)

y de aquí V

=

2

V

e

+

2θ k1

− V

De acuerdo con la ecuación (25), si se representa θ en abscisas frente a V en ordenada, se obtiene una parábola cuyo vértice es el punto (-θe,Ve). En el caso de que la resistencia del medio filtrante sea despreciable frente a la de la torta, el vértice de la parábola será el origen de coordenadas, y el tiempo de filtración, proporcional al cuadrado del volumen de filtrado.

Teniendo en cuenta que el área es el único factor en que difiere la constante k1 para las condiciones experimentales y las de operación, se puede calcular el valor de esta constante par las condiciones de operación a partir del valor encontrado para las condiciones experimentales:

( k1 ) oper ( k1 ) exp

=

A 2 exp A 2 oper

(27)

Por lo que respecta Ve, puede observarse que h de ser proporcional a al superficie de filtración. Por consiguiente, ( V e ) oper ( V e ) exp

=

A oper A exp

(28)

Lavado de la torta

El lavado de las tortas suele hacerse sobre el mismo filtro, haciendo pasar el líquido de lavado a través de la torta obtenida en la filtración, pero el líquido de lavado puede pasar a 65

través de la torta siguiendo el mismo camino que ha seguido el líquido filtrado o siguiendo un camino diferente, según el tipo d filtro empleado. Así en los filtros de hojas, de gravedad, de vacío, etc., el líquido de lavado sigue el mismo camino que ha seguido el filtrado, mientras que los filtros prensa de placas y marcos, el líquido de lavado no sigue la misma trayectoria a través del precipitado que seguía el líquido en el periodo de filtración, el líquido de lavado pasa por el espesor total de la torta contenida

en el marco

correspondiente, mientras que el filtrado final ha atravesado solo la mitad de la misma. En este tipo de filtros, el área a través de la cual fluye el líquido de lavado es la mitad de la utilizada en la filtración, y la velocidad de lavado es la cuarta parte de la velocidad final de filtración. La velocidad de lavado puede expresarse en función de la velocidad final de filtración. 1  dV  1  dV   =   =   dθ lav 4  dθ  f 4k1 (V + Ve)

(29)

El tiempo de lavado vendrá dado por:

θ lav =

V lav  dV     d θ  lav

(30)

Para filtros de placas y marcos:

θ lav = Vlav 4k1 (V + Ve )

(31)

Capacidad de filtración:

La capacidad de filtración se define por el coeficiente entre el volumen a filtrar y el tiempo total de l ciclo de filtración C =

V

θ

(32)

ciclo

El tiempo total del ciclo de filtración será la suma del tiempo de filtrado del lavado y del necesario para la carga, descarga y limpieza del filtro. 66

4.5.2 Resumen de variables necesarias y obtenidas en la practica. Cuadro 4. Información necesaria. Experimento 1 Filtro Prensa 22

Número de marcos

35,2 m2

Área total de filtración

1,6 m2

Área de filtración

0,096 m3 7 micras

Volumen de la torta Retención de las lonas

Presión de ajuste Tiempo de operación Caída de presión total

Operación 660 bar 5,5 hr. 2,1 atm

2 Kg/cm2 20 °C

Presión de bomba Temperatura

PH Sólidos Densidad Viscosidad

Suspensión: Crema de levadura 2,83 23,5 % 0,96 g/ml 7,5 cp

2,61 g/ml

Densidad de la levadura Fresca:

Cuadro 5. Datos obtenidos. Experimento 1

Tiempo (min) 87.000 89.000 91.000 93.000 95.000 97.000

Volumen (L) 1935.929 1967.949 1995.042 2022.135 2049.228 2096.025

X = V/A (L/m2) 1152.339 1171.398 1187.525 1203.652 1219.779 1247.634

Y = (A*t)/V (m2*min/L) 0.075 0.076 0.077 0.077 0.078 0.078

67

99.000 101.000 103.000 105.000 107.000 109.000 111.000 113.000 115.000 117.000 119.000 121.000 123.000 125.000 127.000 130.000 135.000 140.000 145.000

2120.655 2150.212 2177.305 2201.935 2229.028 2256.121 2283.214 2307.844 2337.401 2362.031 2384.198 2408.828 2430.995 2458.088 2482.719 2519.664 2566.461 2640.351 2743.798

1262.295 1279.888 1296.015 1310.676 1326.802 1342.929 1359.056 1373.717 1391.310 1405.971 1419.165 1433.826 1447.021 1463.148 1477.809 1499.800 1527.655 1571.638 1633.213

0.078 0.079 0.079 0.080 0.081 0.081 0.082 0.082 0.083 0.083 0.084 0.084 0.085 0.085 0.086 0.087 0.088 0.089 0.089

Cuadro 6. Información obtenida. Experimento 1 TORTA

Peso de la torta Espesor de la torta Humedad de la torta Densidad

105,84 Kg 0,06 m 66,7 % 0,64 g/ml 1,6 m2

Area

PH Viscosidad Densidad

FILTRADO 3,44 5 cp 0,8 g/ml

TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE LA SUSPENSION Volumen 22,26 m3 Nivel utilizado 42 %

68

Cuadro 7. Información necesaria. Experimento 2

Número de marcos

Filtro Prensa 22

35,2 m2

Área total de filtración

1,6 m2

Área de filtración

0,096 m3 7 micras

Volumen de la torta Retención de las lonas

Presión de ajuste Tiempo de operación Caída de presión total

Operación 660 bar 5 hr. 2,0 atm

1,8 Kg/cm2 20 °C

Presión de bomba Temperatura

pH Sólidos Densidad Viscosidad

Suspensión: Crema de levadura 2,83 24 % 0,98 g/ml 7,5 cp

2,61 g/ml

Densidad de la levadura Fresca:

Cuadro 8. Datos obtenidos. Experimento 2

Tiempo (min)

Volumen (L)

65 70 75 80 85 90 95

1398,879 1451,147 1480,365 1543,368 1609,254 1638,365 1684,574

X

Y

V/A

(A*t)/V

832,6661 863,7780 881,1696 918,6714 957,8893 975,2170 1002,7226

0,0781 0,0810 0,0851 0,0871 0,0887 0,0923 0,0947 69

100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185

1784,126 1829,219 1879,214 1936,547 1980,128 2036,496 2085,478 2129,178 2187,478 2239,487 2279,254 2332,145 2384,782 2440,961 2482,239 2539,254 2578,819 2635,279

1061,9796 1088,8205 1118,5798 1152,7065 1178,6476 1212,2000 1241,3560 1267,3679 1302,0702 1333,0280 1356,6988 1388,1815 1419,5131 1452,9530 1477,5232 1511,4607 1535,0113 1568,6185

0,0942 0,0964 0,0983 0,0998 0,1018 0,1031 0,1047 0,1065 0,1075 0,1088 0,1106 0,1117 0,1127 0,1136 0,1151 0,1158 0,1173 0,1179

Cuadro 9. Información obtenida. Experimento 2 TORTA

Peso de la torta Espesor de la torta Humedad de la torta Densidad

107,61 Kg 0,06 m 67,8 % 0,64 g/ml 1,6 m2

Area

pH Viscosidad Densidad

FILTRADO 3.38 5 cp 0,8 g/ml

TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE LA SUSPENSIÓN Volumen 22,26 m3 Nivel utilizado 40 %

70

Cuadro 10. Información necesaria. Experimento 3

Número de marcos

Filtro Prensa 22

35,2 m2

Área total de filtración

1,6 m2

Área de filtración

0,096 m3 7 micras

Volumen de la torta Retención de las lonas

Presión de ajuste Tiempo de operación Caída de presión total

Operación 660 bar 5,3 hr. 2,2 atm

Presión de bomba Temperatura

PH Sólidos Densidad Viscosidad

2 Kg/cm2 19 °C

Suspensión: Crema de levadura 2,84 23,5 % 0,97 g/ml 7.5 cp

2,61 g/ml

Densidad de la levadura Fresca:

Cuadro 11. Datos obtenido. Experimento 3

Tiempo (min)

Volumen (L)

70 80 90 100 110

1762,217 1884,190 1995,042 2082,135 2149,228

X

Y

V/A

(A*t)/V

1152,3389 1171,3979 1187,5248 1203,6517 1219,7786

0,0755 0,0760 0,0766 0,0773 0,0779 71

120 130 140 150 160 170 180

2266,025 2342,655 2450,212 2577,305 2671,935 2729,028 2856,121

1247,6341 1262,2949 1279,8878 1296,0147 1310,6755 1326,8024 1342,9293

0,0777 0,0784 0,0789 0,0795 0,0801 0,0806 0,0812

Cuadro 12. Información obtenida. Experimento 3 TORTA

Peso de la torta Espesor de la torta Humedad de la torta Densidad

106,69 Kg 0,06 m 65,3 % 0,65 g/ml 1,6 m2

Area FILTRADO

PH Viscosidad Densidad

3,5 5 cp 0,8 g/ml

TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE LA SUSPENSION Volumen 22,26 m3 Nivel utilizado 40,5 %

La información revela la gran similitud de entre los datos de un experimento y otro, debido a que las perturbaciones creadas por las propiedades de entrada de la crema de levadura la filtro prensa solo dependen de los procesos de filtración y separación a los que es sometido el vino producido durante la fermentación. Por otra parte variaciones que se podían modificar como la presión de entrada al filtro prensa no se pudo ocasionar, ya que por los resultados de los ensayos de prueba se concluyó que al disminuir significativamente la apertura de la válvula para la corriente de entrada al filtro se provocaban grandes fugas en las llaves y corriente de salida del filtrado, lo cual provocaba perdidas de suspensión (crema 72

de levadura) entre las placas y marcos del montaje, aumentando el tiempo de proceso y por ende costos. Esta es la razón por la cual no se analizó la compresibilidad de la torta (para lo cual se necesita una variación de la caída de presión en cada experimento).

4. 5.3

Cálculos

4..5.3.1 Algoritmo para el cálculo de la resistencia específica de la torta y la resistencia del medio filtrante

Se asumió que la torta de la levadura se comporta como incompresible, puesto que no se pudo realizar los ensayos pertinentes para el cálculo del factor de compresibilidad (variación de la caída de presión en el proceso). Esto fue debido a que al modificar la apertura de las válvulas de entrada y/o salida de las corrientes del filtro, con el fin de generar cambios significativos en la lectura de los manómetros, se presentaron entre los marcos y las placas y en las llaves de desague de filtrado de cada placa. (causado por el tiempo que tiene el juego de lonas filtrantes, lo que indica que han cumplido su ciclo y requieren ser reemplazadas por un juego nuevo).

Se tiene que la ecuación de diseño para torta incompresible es:

At  µ * α * w  V   µ * Rm  =   +   V  2 ∆ P  A   ∆ P 

A partir de los datos obtenidos en la practica se construyeron las tablas 5, 6, 8, 9, 11 y 12 Con la información de dichas tablas se realizaron las regresiones lineales con x = V/A e y = A*t/V, graficas, obteniéndose los valores de: Intercepto =

Pendiente =

µ * Rm ∆P

µ *α * w 2∆P 73

Donde: α = Resistencia especifica de la torta Rm = Resistencia del medio filtrante µ = Viscosidad del filtrado ∆P = Caída de presión en el filtro w = Masa de torta por volumen de filtrado, dada por w =

ρs 1 − ms

Gráfica 1. Regresión lineal. Experimento 1

EXPERIMENTO N°1

y = 3E-05x + 0,0373 2

R = 0,9917 0,090 0,088 0,086

A*t/V

0,084 0,082 0,080 0,078 0,076 0,074 0,072 1000,000

1100,000

1200,000

1300,000

1400,000

1500,000

1600,000

1700,000

1800,000

V/A

74

Gráfica 2. Regresión lineal. Experimento 2

EXPERIMENTO N°2

y = 5E-05x + 0,0402 R2 = 0,9786

0,1300 0,1200

A*t/V

0,1100 0,1000 0,0900 0,0800 0,0700 0,0600 600,000 700,000 800,000 900,000 1000,00 1100,00 1200,00 1300,00 1400,00 1500,00 1600,00 1700,00 0 0 0 0 00 00 00 00 00 00 00 00 V/A

Gráfica 3. Regresión lineal. Experimento 3

EXPERIMENTO N°3

y = 3E-05x + 0,0428 R2 = 0,9797

0,0820 0,0810

A*t/V

0,0800 0,0790 0,0780 0,0770 0,0760 0,0750 1100,0000

1150,0000

1200,0000

1250,0000

1300,0000

1350,0000

1400,0000

V/A

75

Utilizando los valores necesarios de µ , ∆P, w, para cada experimento (cuadros 4, 7, 10), se calcularon las resistencias de medio filtrante y la resistencia de la torta. Obteniéndose los siguientes resultados.

Cuadro 13. Valores de Rm y α para los 3 experimentos

Intercepto R

Exp. N°1 Exp. N°2 Exp. N°3

2

0,9786 0,9917 0,9797

=

µRm ∆P 5,0E-05 3,0E-05 3,0E-05

Pendiente

=

µαw

Rm

α

2,10E-05 1,26E-05 1,26E-05

0,0970 0,0900 0,1033

1.54E-05

0.0967

Ecuación de la recta

2∆P

0,0402 0,0373 0,0428

Y=0,00005X+0,0402 Y=0,00003X+0,0373 Y=0,00003X+0,0428

Promedio

Con respecto a las graficas 1,2 y 3, se puede observar que la tendencia de los datos es muy similar, y su desviación con respecto a la tendencia es muy baja. Los valores de las resistencia ofrecidas por el medio filtrante y por la torta, son muy aproximados entre un experimento y otro, lo que indica que para efectos de cálculos de diseño se puede trabajar con cualquiera de estos valores o con su promedio. La resistencia del medio filtrante presenta un valor muy bajo, casi despreciable, lo cual quiere decir que las lonas filtrantes están colocando una resistencia muy baja durante el proceso de filtración, debido a su desgaste.

76

4.5.3.2

Muestra de cálculos:

Como la suspensión se comporta como un fluido incompresible se tiene:

Para Experimento 1 Fracción hueca o porosidad ε

= 1 −

ρ ρ

= 1 −

TS

0 . 64 2 . 61

S

g ml g ml

= 0 . 245

Masa de sólido por volumen de filtrado w =

ρs 1− ms

=

kg 0 . 235 0 . 235 = = 0 . 348 0 . 235 . 675 l (1 − 0 . 235 ) − * 0 . 2439 0 . 64

Volumen de una torta

VTORTA = AFILTRACION * eTORTA V TORTA = 1 . 6 m 2 * 0 . 06 m = 0 . 096 m 3 Volumen total de las tortas formadas

[VTORTA ]TOTAL = VTORTA * N °MARCOS

[VTORTA ]TOTAL = 0.096m3 * 22 = 2.112m3 Cantidad de sólido contenido en una torta

M

= V TORTA

* ρ

M = 0 . 096 m 3 * 640

TS

kg = 61 . 44 Kg m3

77

Masa de suspensión en que están contenidos los 61.44 kg

MS =

61 .44 Kg M = = 261 .45 Kg CS 0 .235

Volumen de suspensión en que esta contenida esta masa

V

S

=

M

=

S

ρ

S

261 . 45 Kg g 0 . 96 ml

= 272 . 34 l

Cantidad de sólidos totales contenidos en las tortas formadas

M

TOTAL

= [V TORTA

]TOTAL

M TOTAL = 2 . 112 m 3 * 640

* ρ TS

kg = 1351 . 68 Kg m3

Masa de suspensión en que están contenidos los 1351.68 kg

[M S ]TOTAL

=

M TOTAL 1351 .68 Kg = = 5751 .829 Kg CS 0 .235

Volumen de suspensión en que esta contenida esta masa

[V S ]TOTAL

=

[M S ]TOTAL ρ

S

=

5751 . 829 Kg g 0 . 96 ml

= 5991 . 488 l ≅ 6000 l

6.000 l, es el valor teórico que representa la cantidad de crema de levadura necesaria gastada durante el proceso de filtración, Volumen de filtrado

El volumen de filtrado V, se calcula a partir de un balance de materia aplicado a la torta, suponiendo que la suspensión retenida por la torta ocupa el volumen correspondiente a la porosidad.

78

V S = V + V TORTA

V = 272 .89 l − 96 l = 176 .34 l Por cada placa.

V TOTAL = 5991 .488 l − 2112 .l = 3879 .488 l totales Valor que representa la cantidad de filtrado que se produce durante el proceso de filtración. Los resultados correspondientes a los 3 experimentos y sus valores promedios se encuentran resumidos en el siguiente cuadro.

Cuadro 14. Resultados de la práctica

VALORES EXPRIMENTO EXPRIMENTO EXPRIMENTO 1 2 3 PROMEDIO

ε [ ] w [ Kg/l]

0,245 0,348

0,245 0,359

0,249 0,348

VTORTA [ m3] M [Kg]

0,096 61,44

0,096 61,44

0,096 62,4

MS [Kg]

261,45

256,00

265,53

VS [ l] V [ l] [VTORTA ]TOTAL [ m3] MTOTAL [Kg] [MS]TOTAL [Kg] [VS]TOTAL [ l] VTOTAL [ l]

272,34 176,34 2.112 1351.68 5751.829 5991.489 3879.489

261,22 165,22 2.112 1351.68 5632.00 5746.93 3634.938

273,74 177,74 2.112 1372.80 5841.702 6022.373 3910.373

0.2463 0.3516 0.096 185.28 260.993 269.100 173.100 2.112 1358.72 5741.843 5920.264 3808.080

Al igual que los datos recolectados en la práctica , en estos valores se puede ver la gran similitud entre una variable y otra .

79

4..6 Sistema de tuberías (transporte de crema de levadura)

P5 7m

30°

18 m 6m P6

P4

2m P7 P8

FILTRO PRENSA

30 cm

10 m

P3

Piso de filtro

P1 P2

2m 11 m

Piso

Figura 21. Sistema de tubería para el transporte de la levadura hacia el filtro

Válvula Flanshe Manómetro Codo

80

En el sistema de tubería de la figura anterior circula crema de levadura a 20°C, a razón 128 l/min. La tubería es en acero inoxidable cédula 40 de 2” de diámetro.

4.6.1 Modelo Ec. Teorema de Bernoulli Z1 +

2

5

10

p1 v1 + ρ1g n 2g

= Z

2

10

5

p2 v2 + ρ2gn 2g

+

n

2

+ hL n

Donde Z = Altura o elevación potencial sobre el nivel de referencia. [m] p = Presión relativa o manométrica. [bar]

ρ = Densidad del fluido [Kg/m3] v = Velocidad media de fluido [m/s] gc = Aceleración de la gravedad = 9.81 m/s2 hL = Perdida de carga debida al flujo de fluido [m de columna de fluido] Como ρ1 = ρ2 y v1 = v2 p1 − p

2

=

ρg 10

n 5

((Z

2

− Z

1

)+

h

L

)

Entonces,

∆P =

ρg n 10

5

((Z 2

− Z1 )+ hL

)

Perdida de carga debido a flujo de fluido hl

hL =

22 . 96 KQ d 4

2

Donde

K = Coeficiente de resistencia o de perdida de carga por velocidad. Q = Caudal [l/min] d = Diámetro interior de la tubería [mm] 81

Número de Reynolds Re R

e

21 , 22 Q ρ dµ

=

ó

R

e

=

dv ρ

µ

Donde:

µ = Viscosidad absoluta del fluido [cp] Velocidad media de fluido v v =

21 , 22 Q d2

Coeficiente de resistencia debida a la tubería y los accesorios k,

K = 30 fT

Codo de 90°

K = 45 fT

válvula de mariposa

K = 1,0

Salida de tubería

K= f

L D

tubería recta

Donde:

f = Factor de fricción L = Longitud de la tubería [m] D = Diámetro interior de la tubería [m]

4.6.2 Información necesaria

Q =128 l/min d = 52,.2 mm Para tubería de 2 pulgadas y cédula 40 en acero inoxidable. D = 0,0522 m Para tubería de 2 pulgadas y cédula 40 en acero inoxidable.

µ = 7,5 cp fT = 0,098 L =55,3 m

ρ = 0,97gr/l

82

4.6.3

Cálculos

Velocidad media de fluido v v=

21, 22 * 128 m = 0 ,985 2 s 52 . 5

Número de Reynolds Re

Re =

52 , 5 * 0 , 985 * 960 = 6619 , 2 7 ,5

f = 0.019 Coeficiente de resistencia debida a la tubería y los accesorios k

K = 6*30(0.098) = 17,64

6 codos de 90°

K = 1*10(0.098) = 0,98

Codo de 30°

K = 1*60(0.098) = 5,88

“T”, flujo desviado a 90°

K = 2*45(0.098) = 8,82

2 válvulas de mariposa

K = 1,0

Salida de tubería

K=

0,019 * 56,3 * 1000 = 20,375 52.5

Para 55.3 metros de tubería de 2” cédula 40

KTOTAL = 17,64 + 0,98 + 5,88 + 8,82 + 1 + 20,375 = 54,695 Perdida de carga debida a flujo de fluido hl

hL =

22 . 96 * 54 , 695 * 128 52 . 5 4

2

= 2 , 708 m

Altura Total H [m de columna]

H = 8 + 2 , 708 = 10 , 708 m

83

Caída de presión entre los puntos p1 – p8 ∆P =

∆P =

ρg 10

n 5

((Z

2

− Z

1

)+

hL

960 * 9 , 81 (8 + 2 , 708 10 5

)

)=

1 bar

Realizando la respectiva conversión se tiene una caída de presión igual a 10.199 m. Este valor es relativamente pequeño comparado en la gran distancia que recorre la crema de levadura para llegar a el filtro y la cantidad de accesorios que en esta se encuentran instalados. Este sistema de tubería se encuentra en buen estado y será capaz de suplir las necesidades que el proceso real puede tener, pues la tubería no presenta ningún tipo de fugas, ni corrosión de su material (acero inoxidable). El motor de la bomba tendrá que ser capaz de suministrar la potencia necesaria para vencer las perdidas que se presentan en el sistema de conducción de la levadura, valor que corresponde aproximadamente a 11 m. Todos los datos e información para los cálculos de la tubería fueron tomados de CRANE. Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías. McGraw-Hill, Mexico 1987.

4.7 Tanque de almacenamiento de la crema de levadura a filtrar

Se trata de un tanque agitado en acero inoxidable con control de temperatura y presión. El tanque disponible para esta operación es el B-405, cuya área y volumen respectivamente son: 30.92 m2 y 22.26 m3.. El tanque tiene la siguiente forma:

84

2.93 m

B-405

2 54 m

1 64 m Teniendo en cuenta el volumen necesario para la obtención de la torta en el filtro presa, el cual tiene un valor de 6000 l de suspensión, el volumen para este tanque deberá ser igual a

V T = 1,2V

S

donde, VT = Volumen _ Tanque VS = Volumen _ Su sup encion 1,2 = Factor _ seguridad

Entonces

V T = 1, 2 * 6000 L V T = 7200 L = 7 . 2 m 3 Por lo tanto el tanque B-405 cumple con el volumen de diseño necesario para el proceso. Para la agitación del tanque se cuenta con una agitador de paletas en acero inoxidable de 20 rpm.

85

4.8 Tanque de almacenamiento para el filtrado

Se trata de un tanque horizontal El tanque disponible para esta operación es en acero inoxidable, cuya área y volumen respectivamente son: 10.46 m2 y 5.23 m3.. El tanque tiene la siguiente forma: 1.85 m D=0.05 m D=0.10 m

1.80 m

Teniendo en cuenta el volumen de filtrado producido durante la filtración es aproximadamente igual a 3879 l, el volumen para este tanque deberá ser igual a

V T = 1,2V

S

De donde VT = Volumen _ Tanque VS = Volumen _ Su sup encion 1,2 = Factor _ seguridad

Entonces

V T = 1, 2 * 3879 L V T = 4655 . 37 L = 4 . 65 m 3 Por lo tanto el tanque cumple con el volumen de diseño necesario para el proceso.

86

4.9 Bomba

Figura 22. Esquema interno de una bomba centrifuga

La bomba utilizada fue la referenciada como P-405 dentro del proceso de la I.L.C, bomba centrífuga con una altura máxima de 50 pies de presión, caudal de 100 galones/min y un motor con 1750 rpm y 1,5 HP de potencia. Altura máxima de la bomba HT = 11.02 m calculada a las condiciones de operación..

La altura máxima o cabeza que puede dar la bomba fue calculada utilizando el programa TDH 1.0 diseñado y desarrollado por Ingenio Colombiano IngCo Ltda. Bogotá (Colombia) [email protected] www.procesosvirtuales.com (Anexo F). Con esta altura máxima se calculo la potencia de la bomba así: Para un caudal de 128 l/min = 33.81 gal/min y un a altura máxima igual a 11m = 36.08 pies, se tiene una potencia de motor de bomba de 1 HP. (PETERS, Max S. y TIMMERHAUS, Klaus D. Plant design and economics for chemical engineers. McGrawHill Book Company. New York. 1980. Figura 13-40). 87

Asumiendo el valor mas bajo para la eficiencia de una bomba centrifuga, el cual corresponde al 40%, se tiene una potencia real igual a:

P=

1HP = 2.5HP 0.4

Se puede observar que el valor calculado por el programa TDH 1.1 (11,02 m), es muy aproximado al hallado en la sección del cálculo del sistema de conducción (10,19 m), con lo cual se puede tomar este valor promedio de 11 m como confiable para la elección de la bomba a utilizar en el proceso. Finalmente la bomba que se recomienda es una centrífuga con motor de 2,5 HP de potencia y revoluciones un poco mayor que la utilizada en el experimento, con el fin de mejorar el transporte de la crema de levadura al filtro y disminuir la caída de presión generada en el sistema. No se recomienda una bomba con valores para la potencia del motor muy superiores a la recomendada, puesto que genera un sobredimensionamiento en el sistema y un aumento en el consumo energético, innecesario.

88

5. ANÁLISIS PRELIMINAR DE COSTOS

Para el estudio preliminar de costos del proceso de filtración de la crema de levadura, se tuvo en cuenta la cantidad de levadura que se puede tratar en un batch de operación del filtro prensa. Esta cantidad de levadura es la correspondiente a la gastada para la producción mensual. Ya que la Industria Licorera de Caldas, desea implementar el sistema de filtración para tratamiento de la levadura sobrante en el proceso de fermentación, buscando un producto prensado, con una humedad relativamente baja, apta para comercialización, se hizo una estimación aproximada de los costos que genera la puesta en marcha del proceso. Como no se cuenta con datos experimentales que muestren la tendencia de la curva de crecimiento de la levadura, no se tiene un valor aproximado de la cantidad de biomasa producida durante la fermentación y por ende a tratar en la filtración. A pesar que se podría utilizar cinéticas ya publicadas, acerca del crecimiento de biomasa en fermentación alcohólica y utilizarlas de manera aproximada para el cálculo de de biomasa generada , por decisión de la I.L.C. se decidió utilizar otro método para este calculo. Como no se conoce el comportamiento durante la reproducción de la levadura, es por esta razón que el cálculo de los costos de la operación se realizaron teniendo en cuenta la cantidad de levadura (6000 L), necesaria para producir las 22 torta de 2.11 m3 en total. Como puede que esta cantidad de levadura se recolecte en un día, puede que no, es por esto que se toma la base de 3 días para su recolección, tiempo que asegura este contenido en el tanque de almacenamiento de la levadura. Lo que indica que el proceso de filtración se realizará cada 3 días, es decir que se procesara 10 veces al mes.

Con base en esto se consultaron y se obtuvieron las cotizaciones para el juego de 22 lonas para filtro prensa. Anexo G. Estructura de costos.

C O S T O S

FIJOS

Depreciación Mano de Obra Directa Reactivos

VARIABLES

Para el lavado

Energía Agua Materiales

Los costos serán calculados por mes, estimando una producción mensual de 21,11 m3 de torta/mes, correspondiente a 13.728 Kg de levadura (13.728 toneladas ) filtrada, con un porcentaje de humedad de 66,7% así: Inversión: ™ Costo de la bomba: este valor corresponde a cotización obtenida de catálogos presentados en Internet de la firma WORTHINTONG, escogida por se la marca de prácticamente todas las bombas utilizadas en el ara de fermentación, presenta buenos costos y buenos materiales de construcción. Costo aproximado para la Bomba = US$ 2.000 dólares = $ 5’740.000 ™ Costo del juego de lonas = US$ 1.492 = $ 4’282.040

Los precios son basados en un valor del dólar de $ 2870). Depreciación: La depreciación esta estimada a 1 año para las lonas y de 5 para la bomba.

 $4'282.040  1año  1año  12meses = $356.836,67 / mes Para las lonas    $5'740.000  1año  5años  12meses = $95.666,67 / mes Para la bomba   Mano de Obra Directa:

Durante el proceso de fermentación se contará con 1 operario encargado de monitorear el proceso, ya que la recolección de la levadura puede estar a cargo del ingeniero de turno. El operario tendrá turnos de 12 horas cada 3 días, (las 12 horas destinadas a filtrar, desmontar, lavar y montar el filtro prensa). El salario del operario puede corresponde al mínimo estipulado por la empresa $580.000.

$580.000 $580.000 ⋅ 1operario = mes mes

COSTOS FIJOS TOTALES:

CF =

$ 356.836,67 $ 95.666,67 $580.000 + + mes mes mes

CF =

$1'032.506,34 mes

COSTOS VARIABLES: Energía:

- Bomba centrífuga para transporte de la levadura l filtro prensa: La potencia requerida por la bomba es de 1,864 KW.

1,864 KW ⋅

$142,07 10días 6h $15.889,10 ⋅ ⋅ = KWh mes 1 mes 1 día

Agua de lavado (agua potable): El agua requerida para el lavado de tanques, tuberías, lonas

y filtro prensa, es aproximadamente de 55,65 m3. 55,65 m 3 $1619.1 10 días $901.029,15 * * = dia m3 1 mes mes

Reactivos: El reactivo utilizado será el hipoclorito liquido para el lavado y desinfección de

los tanques, la tubería, el filtro prensa y las lonas. ™ Hipoclorito:

5Kg $1800 10dias $ 90.000 ⋅ = dia Kg mes mes

COSTOS VARIABLES:

CV = Energía + Agua Potable + Re activo CV =

$15.889,10 $901.029,15 $90.000 + + mes mes mes

CV =

$1'006.918,25 mes

El costo total vendrá dado por la suma de los costos fijos y los costos variables, para un valor de $2’039.425,59 por mes. El precio al cual saldría cada Kg de levadura es el siguiente: $2'039.425,59 $148,6 mes = 13.728Kd _ levadura kg _ levadura mes

De este análisis se concluye que el proyecto resulta técnico y económicamente viable, ya que su costo es relativamente bajo.

DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO CREMA DE LEVADURA 23% SÓLIDOS ALMACENAMIENTO

TORTAS DE LEVADURA

DE LA CREMA DE

FORMADAS 67% HUMEDAD

LEVADURA B-405

CREMA DE LEVADURA BOMBEADA

FILTRADO

TANQUE RECOLECTOR DE FILTRADO

6.

PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS DE APROVECHAMIENTO

Teóricamente, si todas las levaduras fueran recuperadas y retuvieran su nivel original de actividad, pueden ser mantenidos altos niveles de levadura, dando velocidades de conversión rápidas y ningún azúcar se utiliza para el crecimiento de las levaduras, lo que origina un aumento de eficiencia de conversión. La recuperación de las levaduras es igualmente esencial para la conversión rápida en los procesos de fermentación continua. En la práctica, la recuperación nunca es total, una proporción de la levadura muere por causas naturales y parte de la levadura separada debe siempre ser eliminada para impedir la acumulación de materia en suspensión. Es a esta levadura que normalmente se elimina del proceso, a la que se plantearon algunas alternativas de aprovechamiento para así disminuir la carga contaminante que se crea al descargarla a la cañería de la empresa sin previo y adecuado tratamiento. Los organismos unicelulares como levaduras y bacterias se recuperan normalmente por filtración y centrifugación. Las bacterias requieren mayor energía de centrifugación para su separación, y la aglomeración, por flotación o por decantación en presencia de agentes floculantes adecuados puede ser esencial. Es importante eliminar toda el agua posible antes del secado final, ya que éste es normalmente un procedimiento costoso tanto en capital como en requerimientos energéticos, excepto cuando pueden ser utilizados el secado al sol (generalmente originando un producto de menor calidad) y mano de obra de bajo costo. La mayor parte de las levaduras utilizadas industrialmente tienen un rango de tamaño entre 5 y 20 µm y su densidad no es mucho mayor que la del agua. Tales células no sedimentan a partir de la suspensión a ninguna velocidad adecuada, solamente por floculación, cuando las células forman fóculos con un tamaño de partícula combinado adecuado para una velocidad de sedimentación razonable puede ser recogida la levadura. 94

6.1 FILTRACIÓN Método objeto de estudio de este trabajo, puesto que el sistema requeridos ya se encuentra instalado en la empresa. Este método es el más ampliamente utilizado para separar la levadura de la suspensión que la contiene. (Ver Ítem 4.3). Los filtros rotatorios de tambor a vacío son tal vez los dispositivos más ampliamente utilizados para la separación de los microorganismos de los caldos de fermentación; en estos, el elemento de filtración es un tambor rotatorio mantenido bajo presión interna reducida. Las mayores ventajas son la efectividad de la filtración, con elevación mínima de la temperatura, el bajo consumo de energía y la integración de la filtración en el lavado y la parcial eliminación de agua. La contaminación del material que se filtra con el material de ayuda en la filtración puede ser un serio inconveniente. Los filtros rotatorios que operan bajo presión positiva pueden también ser utilizados mientras que los filtros de correa son una modificación obvia del principio y son muy adecuados para precipitados fácilmente filtrables que requieren extenso lavado. Los filtros de correa pueden combinarse con una prensa para facilitar la eliminación de agua. Para cada una de las corrientes producidas en este proceso se plantearon alternativas de aprovechamiento: 6.1.1

Levadura prensada

Aprovechamiento en la elaboración de abonos orgánicos fermentados. Tipo Bocashi. El compostaje o “composting” es el proceso biológico aeróbico, mediante el cual los microorganismos actúan sobre la materia rápidamente biodegradable (restos de cosecha, excrementos de animales y residuos urbanos), permitiendo obtener "compost", abono excelente para la agricultura. El compost es un nutriente para el suelo que mejora la estructura y ayuda a reducir la erosión y a la absorción de agua y nutrientes por parte de las plantas. Es el resultado de la descomposición de diferentes materiales (por lo general con el 95

apoyo de oxigeno), realizada por la actividad de micro y macro organismos. El producto de esta descomposición es el “humus”, sustancia que proporciona nutrientes a las plantas. Generalmente tienen un buen efecto al mejorar los componentes físicos, químicos y biológicos del suelo: El compost, mejora las propiedades físicas del suelo. La materia orgánica favorece la estabilidad de la estructura de los agregados del suelo agrícola, reduce la densidad aparente, aumenta la porosidad y permeabilidad, y aumenta su capacidad de retención de agua en el suelo. Se obtienen suelos más esponjosos y con mayor retención de agua. Mejora las propiedades químicas. Aumenta el contenido en macronutrientes N, P, K, y micronutrientes, la capacidad de intercambio catiónico (C.I.C.) y es fuente y almacén de nutrientes para los cultivos. Mejora la actividad biológica del suelo. Actúa como soporte y alimento de los microorganismos ya que viven a expensas del humus y contribuyen a su mineralización. La población microbiana es un indicador de la fertilidad del suelo. Para la elaboración del compost se puede emplear cualquier materia orgánica, con la condición de que no se encuentre contaminada.

CONVENIO CON LA FACULTAD DE AGRONOMIA ORGANICA DE LA UNISARC Puesto que en la Facultad de Agronomía Orgánica de Universidad de Santa Rosa de Cabal, elaboran algunos tipos de abonos orgánicos fermentados, se les realizó una visita invitándolos a utilizar la levadura que se obtuvo en la parte experimental del trabajo, estos la utilizaron únicamente en el elaborado tipo Bocashi, obteniendo buenos resultados con esta levadura prensada. Ellos en este momento se encuentran muy interesados en el proyecto, ya que de poder utilizar la levadura en la elaboración de todos sus productos (Anexo C). Podrían obtener un buen resultado y a menores costos.

96

Estas muestras, fuera de ser utilizadas en la elaboración del Bocashi, están siendo analizadas en el laboratorio, para ellos poder presentar la ficha técnica de esta levadura prensada. La facultad se encuentra interesada en tener un contacto personal con los encargados de la empresa del proyecto para así poder obtener dicho producto en grandes cantidades, para la elaboración de sus productos, se quiere llegar a un acuerdo o convenio que desarrolle un poco mas este proyecto y tenga beneficios tanto a la empresa como a la facultad de Agronomía Orgánica de la UNISARC. Aprovechamiento para alimentación animal: La levadura de forraje se produce para pasto de animales. Esta y la de consumo humano se fabrican en condiciones similares, a acepción de las materias primas usadas y del tratamiento final de los productos. La levadura es una excelente fuente de proteína de gran valor biológico y digestibilidad, y tiene mucho empleo en las raciones para aves de corral y cerdos, en las cuales, sin embargo, se utiliza principalmente por las vitaminas de complejo B, y como fuente de factores de crecimiento no identificados de importancia para la producción avícola. Cuando se irradia con luz ultravioleta, también aporta vitamina D. Cuando la levadura contiene componentes de lúpulo, el sabor amargo hará que el forraje no sea apetecible si se incluye en grandes cantidades. Este sabor amargo puede eliminarse mezclando el orujo con una solución de hidróxido sódico y fosfato sódico, de pH 10, a una temperatura de 450 °C, después de lo cual se concentra, lava y deseca. La levadura se suele incluir a niveles de 2-5% en las raciones para los cerdos y aves de corral, pero, si el precio de la levadura es bajo, puede reemplazar hasta el 80% de la porción de proteína de origen animal de la ración para los cerdos y aves de corral, siempre que se añada más calcio. Los terneros pueden recibir hasta 200 g. diarios de levadura de desecada y, en algunos casos, este producto parece aumentar el contenido graso de la leche de vaca. La levadura fresca puede suministrarse a los bovinos y cerdos, los cuales se acostumbran rápidamente a consumirla. Cuando se suministran grandes cantidades a los cerdos, hay que elegir una mezcla mineral que contenga mucho calcio y poco fósforo, añadiendo también 97

vitamina B12. No se debe suministrar levadura fresca a las cerdas nodrizas, a causa del peligro de diarrea en los lechones. En la facultad de Zootecnia de la Universidad de Santa Rosa de Cabal, se encuentran interesados en el producto para la utilizarlo como suplemento alimenticio de sus animales.

6.1.2

Filtrado producido

¾ La empresa cuenta con un decanter para lodos de clarificación de miel, se puede tomar en cuenta la opción de mezclar la corriente de los lodos de mil, con la obtenida en el proceso de filtración, y lograr aplicaciones exitosas como se obtuvo con la levadura prensada en la UNISARC, esto cuando el decanter sea reparado, ya que en estos momentos no se encuentra en funcionamiento.. ¾ Lograr la adecuación apropiada para poder llevar esta corriente a la planta de Vinazas de la empresa, una vez se logre arrancar con éxito esta, y haber estabilizado los parámetros de la corriente de filtrado a los indicados en la planta de Vinazas. ¾ Estimar conveniente los análisis necesarios para esta corriente, con el fin de poder contemplar la posibilidad de recircularla a la predilución, dependiendo de sus condiciones físico-químicas, bacteriológicas y organolépticas, que no interfieran en el proceso de fermentación. ¾ Ya se ha pensado en esta corriente solo que va de la mano con otros proyectos que tiene la empresa en un futuro muy cercano.

6.2 CENTRIFUGACIÓN Los precipitados de proteínas deben ser separados frecuentemente por centrifugación con dificultades. Para la separación de la levadura del caldo agotado se utilizan centrifuga tipo Westphalia. La crema que de esta forma se obtiene se lava dos veces, se enfría a 8-9°C y se prensa entre placas y bastidores. La pastilla resultante contiene 31% de sólidos. Se diluye con agua hasta un contenido de 25% de sólidos antes de empaquetarla. 98

También, la crema de levadura se diluye con agua, se centrifuga. Este proceso se repite a continuación, tras dos lavadas con agua , la crema de levadura se seca en secaderos rotatorios de cilindro único, hasta un contenido de humedad próximo al 5 %. La levadura seca se pasa por un imán eléctrico para eliminar cualquier fragmento de hierro que pudiera haberse desprendido, se muele, empaqueta y almacena. Esta centrifugación puede ser realizada, seguida de una plasmolisis, evaporación y del secado por secador spray.

6.3 DESINTEGRACIÓN DE LAS CÉLULAS La ruptura de los microorganismos es generalmente difícil debido a la fuerza de la pared celular y a la alta presión osmótica que existe dentro de ella; las partículas son demasiado pequeñas para ser sometidas a simples métodos mecánicos, como la molienda, por tanto deben conseguirse fuerzas más intensas. Al mismo tiempo la desintegración debe ser llevada a cabo sin dañar los componentes celulares y frecuentemente ambos requerimientos son contradictorios. Los métodos utilizados para romper los microorganismos se resumen en la figura 23. Su efecto puede ser estimado frecuentemente en términos de niveles de actividad de una enzima celular recuperada en la suspensión rota, combinando una medida de la eficiencia de la ruptura con una estimación del grado de daño.

Ruptura de células Métodos mecánicos (Presión, trituración, ultrasonidos)

Métodos no mecánicos Lisis

Físicos (choque osmótico, congelación

Químicos (detergentes, antibióticos

Desecación (liofilización, secado con solventes orgánicos) Enzimáticos (lisozina, otras enzimas, antibióticos )

Figura 23. Métodos para la ruptura de los microorganismos.

99

6.4 DESECACIÓN El secado de los bioproductos, es en muchos casos el método final por el que los productos son llevados a una forma estable adecuada para su manejo y almacenamiento; la sensibilidad al calor de la mayor parte de los productos biológicos significa que los únicos métodos que pueden ser utilizados son los que conducen a la eliminación de agua con elevación mínima de la temperatura. Para eliminar agua como vapor, debe ser transferida la energía del calor y se requieren condiciones estrictamente controladas para asegurar que la elevación de la temperatura, que resulta del balance entre la velocidad de entrada de calor y el calor latente equivalente de la evaporación, están dentro del limite tolerable. La transferencia de calor puede ser efectuada por contacto (conducción), convención o radiación, o por una combinación de ellas. La desecación a vacío se aplica en forma discontinua, en cámaras secadoras, o continuamente como en los tambores rotatorios de desecación a vacío. La transferencia de calor ocurre principalmente por contacto con superficies calentadas y deben ser tenidos en cuenta los cambios en las características de la fase líquida a medida que se hace más concentrada. La desecación por pulverización proporciona el ejemplo más importante de un método de convención, en el que la transferencia de calor, el movimiento del producto y la eliminación del vapor son todas efectuadas por una corriente de gas. Grandes cantidades pueden ser tratadas en una operación continua. La solución que va a ser secada se aplica como una solución o una lechada y es atomizada mediante un inyector o un disco rotatorio. Una corriente de gas caliente (150-250°C) causa una evaporación tan rápida que la temperatura de las partículas permanece muy baja. La desecación por pulverización puede ser utilizada para la desecación de enzimas o antibióticos y cuando la presencia de otros materiales no es perjudicial puede ser utilizada para la desecación del caldo completo de fermentación. La liofilización es el método de desecación más suave debido a que el agua es sublimada a partir de una masa congelada. Para la sublimación del vapor de agua han de ser transferidas 100

por conducción desde las placas calentadas aproximadamente 680 Kcal. por Kg. de agua a la superficie de sublimación; para facilitar la sublimación rápida, se mantiene una presión muy baja y el vapor debe ser eliminado por condensación a baja temperatura. La temperatura del sólido es regulada mediante control de la presión en la cámara de desecación utilizando un control muy sensible a la presencia de cualquier agua líquida presente en la masa.

6.5

FLOCULACIÓN

El fenómeno de la floculación de las levaduras no se entiende completamente pero el pH y la presencia de iones cálcicos son factores importantes. La habilidad para flocular naturalmente está determinada genéticamente. Una desventaja es que las levaduras floculantes tienden a separarse antes de que la fermentación se haya completado; a la inversa, algunas levaduras con bajas propiedades de floculación permanecen suspendidas hasta muy tarde en un lote de fermentación y pueden ser separadas solamente por centrifugación mecánica. Se pueden emplear también agentes finalizadores, el más conocido es la cola de pescado, una proteína obtenida del colágeno, derivada de las vejigas natatorias de los grandes peces tropicales. La cola de pescado, de carga eléctrica opuesta a la de las células de levadura, precipita las células y forma un sedimento estable. Los métodos de floculación y precipitación tienen la ventaja de no requerir energía, aunque sean más lentos que la separación mecánica.

6.6 PRODUCCIÓN DE PROTEÍNA UNICELULAR SCP Los piensos compuestos, preparados para satisfacer los requerimientos nutricionales totales del animal, generalmente contienen entre 10 y 30% de proteína por unidad de peso, la SCP podía ser una alternativa válida a algunas de las fuentes tradicionales. Cuando se compara con los métodos tradicionales para producir proteínas para alimentos o piensos, la producción industrial a gran escala de biomasa microbiana para el mismo uso 101

tiene algunas ventajas características: los microorganismos en general tienen una alta velocidad de multiplicación, un alto contenido en proteína, pueden utilizar un gran número de fuentes de carbono diferentes (algunas de las cuales son consideradas tradicionalmente como desechos), pueden seleccionarse o producirse relativamente fácilmente cepas con alta producción y buena composición, las instalaciones de la producción ocupan áreas limitadas y dan una producción alta y la producción microbiana es independiente de variaciones climáticas o estaciónales y por consiguiente son más fáciles de planear. El proceso de SCP Independientemente del tipo de substrato o del organismo empleado la producción de SCP siempre supone ciertas etapas básicas: (1)

Provisión de una fuente de carbono, que generalmente requiere alguna combinación de tratamientos físico o químico de las materias brutas;

(2)

Preparación de un medio adecuado que contenga la fuente de carbono y fuentes de nitrógeno, fósforo y otros nutrientes esenciales;

(3)

Impedir la contaminación del medio o de la planta;

(4)

El cultivo de los microorganismos deseados;

(5)

Separación de la biomasa microbiana del medio agotado;

(6)

Tratamiento posterior de la biomasa con o sin operaciones específicas de purificación.

Dependiendo del tipo de substrato y del tipo de SCP producida, puede ser necesario incluir tratamientos posteriores para eliminar componentes del substrato o más frecuentemente para reducir el contenido de los componentes no deseados en el producto (por ejemplo los ácidos nucleicos), e incluso para aislar la proteína. El contenido en RNA de las células que crecen rápidamente es alto y los métodos prácticos para la reducción de los ácidos nucleicos en la SCP incluyen: hidrólisis alcalina, extracción química, manipulación del crecimiento y de la fisiología celular y activación de RNAsas endógenas (generalmente mediante un breve tratamiento por calor).

102

Fuente de

Reciclaje de agua

Fuente de nitrógeno

Minerales

Agua Oxigeno del aire

Medio almacenado

Mezclado Esterilización

Fermentación

Separación

Secado Almacenamiento del producto

Figura 24. Diagrama esquemático de un proceso general de SCP

Se deben tomar medidas para impedir la liberación al ambiente de grandes cantidades de microorganismos, vivos o muertos. Cuando el medio utilizado es todavía rico en DBO (demanda bioquímica de oxígeno), tiene que ser tratado a fin de evitar la polución ambiental. Una forma obvia de hacer esto es reciclando el medio de crecimiento utilizado, un procedimiento que ayudará simultáneamente a minimizar los requerimientos de agua fresca y los costes. Requerimientos de agua estimados entre 18 y 45 x 106 litros (dependiendo del substrato y del organismo) han sido descritos para una planta productora de 100.000 toneladas de SCP por año.

6.7 USO DIRECTO EN LA TIERRA Solamente cuando la cantidad y la calidad de los componentes en el residuo de destilería es beneficioso para un suelo específico puede ser ventajosa la aplicación sobre el suelo, en 103

otros casos la aplicación del residuo se convierte en un método caro de irrigación del suelo, particularmente cuando esté implicado el transportes por carretera mediante camionescisterna. En circunstancias en las que las relaciones N/P/K son adecuadas y en las que los suelos son bajos en humus, la aspersión durante cierto tiempo, antes y durante el crecimiento, puede mejorar el rendimiento de las cosechas. Sin embargo, el radio de operación entre la destilería y los campos que están siendo tratados es crítico para la economía.

6.8 DIGESTIÓN ANAEROBIA Alrededor del 95% de la carga con Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) puede ser convertida en combustibles gaseosos y en fangos. Sin embargo, el metano en el gas solamente representa aproximadamente el 60% de la materia orgánica original en términos del valor calorífico disponible. El sistema es relativamente barato de instalar y sencillo de operar cuando el residuo de destilería es de calidad aceptable. La principal desventaja es que el DBO en los efluentes tratados puede no estar suficientemente degradado en términos legislativos y es frecuentemente necesaria una terminación aeróbica final.

6.9 EVAPORACIÓN La producción de jarabes para la alimentación animal a partir de residuos de destilería ha sido el método de tratamiento más común en los países industrializados, particularmente cuando los cereales constituyen la materia prima para la fermentación. El residuo de la destilación de melazas está en una categoría diferente. Las sales disueltas al ser concentradas a un alto nivel tienen un efecto laxante sobre los animales y un jarabe de residuos de destilería debe ser dosificado en pequeña proporción con otras raciones. Sin embargo, la evaporación es cara, en coste de capital y de energía térmica, el grado de contenido en sólidos en el residuo de destilería original dicta la economía de la aplicación. 104

La principal ventaja es que la condensación requiere solamente una aireación mínima para su descarga a las vías acuáticas.

6.10 Otras alternativas. ¾ En el Instituto J. “Dimitrov” se ha desarrollado un procedimiento que permite el secado de crema de levadura en condiciones naturales de irradiación solar usando el bagacillo de caña como absorbente.21 ¾ Se han ideado muchos métodos para la producción de proteína monocelular (proteína derivada de microorganismos). El interés se ha centrado en la proteína monocelular (PMC) en los años sesenta como forma de colmar la deficiencia proteica. El motivo de este interés radica en el hecho de que, en condiciones favorables, los microorganismos pueden producir en poco tiempo grandes cantidades de proteína. Mientras 1000 kg de ganado pueden producir como máximo, 1 kg de proteína en 24 horas, 1000 kg de levadura en el mismo tiempo, pueden aumentar a 5 000 kg, de los cuales la mitad es proteína comestible. 2 ¾ En 1996, varias instituciones científicas cubanas y la Universidad de Matanzas Camilo Cienfuegos, emprendieron un proyecto, una de cuyas ramas comprendía la obtención del aditivo a partir de levaduras. Los investigadores eligieron como base un residual de la producción de alcohol, la crema de levadura Saccharomyces Cerevisiae, rica en sustancias con acción probiótica. El producto que proponen posee el mérito de solucionar el destino de la crema de levadura Saccharomyces, muy ácida y contaminante: las 20 mil toneladas de este "desecho" que generan al año las fábricas cubanas de alcohol, podrían proveer una industria de probióticos que, por ahora, todavía no existe. 18 ¾ Uno de los inconvenientes que en el mundo enfrentaban los investigadores en general en la utilización de levaduras para el consumo humano, es que son poco digeribles debido a 105

su gruesa pared celular ( la envoltura de la célula) y que tienen un contenido muy alto de ácidos nucleicos (AN), que al degradarse durante el metabolismo dan lugar a la formación de ácido úrico. Los humanos tenemos una capacidad máxima de eliminación de 2 gr. por día de AN, y en promedio el 10 %

del peso total de las levaduras

corresponde a esos ácidos. En consecuencia, una persona solo podría consumir un máximo de 20 gr. de levadura al día, lo que representa únicamente 12% de proteína microbiana en ese lapso. Se iniciaron trabajos sobre la extracción de los AN. Posteriormente el grupo realizo una prueba panel para embutidos del tipo de las salchichas, que fueron preparadas con carne, los mononucleótidos saborizantes, proteína de levadura para sustituir parte de la carne.22

106

CONCLUSIONES

1. Con el tratamiento de la levadura sobrante en el proceso de fermentación, la empresa continua como gestora de proyectos ambientales, que integran y dan participación a las diferentes instituciones interesadas en este tipo de trabajos. 2. Se realizaron los análisis de laboratorio pertinentes para tener el conocimiento de la composición físico - química y bacteriológica de la crema de levadura y de las corrientes producidas durante el proceso de la filtración (levadura prensada y filtrado). Ver anexos A y B. 3. La evaluación del sistema de filtración, permitió establecer la gran viabilidad que el proceso técnicamente presenta, pues, el sistema se encuentra en buen estado y su funcionamiento durante la fase experimental fue bueno. 4. Por medio del estudio del proceso de filtración se pudo establecer, que este resulta aplicable como alternativa al aprovechamiento de la crema de levadura sobrante en el proceso de fermentación que se realiza en la Industria Licorera de Caldas, por que permite obtener una levadura prensada de buenas características físicos–químicas y bacteriológicas. 5. La levadura obtenida después de la filtración, por las características que presenta es un producto apto, principalmente para la elaboración de abonos orgánicos fermentados, obteniendo los mismos y en algunos casos, mejores resultados que cuando se utiliza la levadura de pan. 6. La facultad de Agronomía Orgánica de la UNISARC, logró obtener un abono orgánico fermentado (Bocashi), con propiedades muy buenas, utilizando como base la levadura prensada de la empresa.

107

7. Respecto a las variables del proceso de filtración, no presentaron cambios significativos entre un experimento y otro, lo que indica que el filtro prensa a pesar del tiempo que tiene sin ser utilizado, se encuentra en buenas condiciones. 8. El tiempo de uso del juego de lonas filtrantes, actualmente utilizado para la elaboración de los experimentos, puede ser uno de los factores que permitió el pequeño cambio en el valor de las resistencias calculadas entre un experimento y otro. 9. El valor del costo del proceso es de $2’039.429,59 por mes, lo cual indica, que los costos de operación son muy bajos, además se debe tener en cuenta que se pueden reducir un poco más, si el proceso de fermentación amerita recircular toda la levadura durante varios días. Por otro lado en este momento no se tiene en cuenta el valor de la comercialización, pues aún se está en etapas experimentales. 10. La realización de estudio de mercado del producto (levadura prensada), dará un estimativo verdadero de la cantidad de levadura que puede ser adquirida por los consumidores departamentales y hasta regionales, y poder así tener una producción mas aproximada y no crear otro tipo de problema , como seria el caso de un producto en exceso. 11. Se logra poner de nuevo el filtro prensa en funcionamiento, pues tenía ya varios años (mas de 4) sin operar y logrando el funcionamiento de todo el sistema de filtración se llega a disminuir la carga contaminante que se produce en el área de fermentación, durante el proceso que se realiza en la I.L.C. 12. La I.L.C. se encuentra satisfecha con el trabajo realizado en la facultad de Agronomía Orgánica de la UNISARC, por que permite vincular a un consumidor potencial del producto al proyecto, se encuentra interesada en el convenio, para iniciar los análisis y experimentos necesarios.

108

RECOMENDACIONES

1. Comprobado que el proceso de filtración muestra gran viabilidad técnica y económica, amerita lo más pronto posible su puesta en marcha, logrando de esta manera la disminución de la carga contaminante producida en los diferentes procesos que se llevan acabo en la Industria Licorera de Caldas y la comercialización de la levadura prensada, producto obtenido en la filtración. 2. Se debe aprovechar que se cuenta con un consumidor potencial e interesado en la levadura prensada y lograr un convenio interinstitucional y continuar buscando otras entidades que puedan aprovechar la levadura prensada en la empresa y así poder ejecutar la comercialización a gran escala. 3. Se puede vincular al Agrónomo de la empresa al proyecto, con el fin de buscar un acuerdo con la facultad de Agronomía Orgánica de la UNISARC, de utilizar un porcentaje de esta levadura prensada para los abonos orgánicos de la empresa, ya que se cuenta con una micro cuenca y grandes zonas verdes en las instalaciones. 4. Aunque la bomba utilizada P-405 A/B para la filtración, sirvió para la fase experimental, para la puesta en marcha del proceso, no resultaría útil su uso, debido a que el motor de esta no cuenta con la potencia necesaria para superar las alturas y perdidas de presión que se presentan durante el proceso, por lo cual se recomienda adquirir e instalar la bomba necesaria para mejorar los resultados obtenidos durante la filtración.

109

5. El otro filtro prensa que se encuentra sin lonas filtrantes, al ser dotado de estas y sometido a un minucioso mantenimiento podría ponerse en funcionamiento alternado con el otro, produciendo de esta manera aumentar el número de batch operados al mes y al igual que la producción de levadura prensada y disminuir el tiempo de residencia que la crema de levadura tiene en el tanque de almacenamiento, ya que es un poco largo. 6.

Se recomienda realizar análisis de metales pesados tanto a la levadura prensada como al filtrado, con el fin de poder obtener un valor estimado de la contaminación real generada.

7. El Grupo Ecológico de la Industria Licorera de Caldas, debería hacerse cargo del estudio del mercado de la levadura prensada para su comercialización, ya que la producción será alta, comparada con la demanda de los posibles consumidores ya encontrados.

110

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28.

http://www.geocities.com/icasegunda/ procquim/filtra/filt01.html

29.

LEGISLACIÓN ECONOMICA. Decreto N° 1594 de 1984.

112

ANEXOS

113

ANEXO A Resultados de análisis, reportados por el laboratorio

114

ANEXO B Resultado de análisis microbiológicos Levadura tratada y sin tratar

122

ANEXO C Formas y fórmulas para preparar y aplicar abonos orgánicos fermentados. Compost y tipo Bocashi. Utilizadas por la Facultad de Agronomía Orgánica de la Universidad de Santa Rosa de Cabal FORMULA 1: CON GALLINAZA Y BUENESAS CANTIDAD 5 20 5 2 10 10 50 ½

MATERIALES Bultos de gallinaza. Kilos de cal viva. Kilos de miel de purga. Bultos de tierra buena. Kilos de calfos o fosforita Huila. Kilos de ceniza. Kilos de hierva picada - buenesas. Libra de levadura.

PREPARACIÓN: Se vacían los bultos de gallinaza y se le esparce la cal, por todos los lados. A continuación se mezcla con la tierra y las buenesas, y con la miel de purga y el agua se va remojando la pila a medida que se va volteando para lograr que toda la mezcla quede húmeda. Posteriormente se le van agregando el resto de materiales y se van mezclando de manera que estén bien integrados. La cantidad de agua se determina realizando la prueba de puño, que consiste en "tomar un puñado de compostaje; comprimirlo con la mano hasta que corra un poco de agua entre los dedos, más no debe chorrear demasiado". Si nota q2ue quedó muy seca se puede añadir un poco más de agua. A los 5 días se realiza el primer volteo. A esta fecha ya la temperatura 124

está alta y el color del material es un poco blancuzco.

Esto quiere decir que los

microorganismos se están multiplicando y están haciendo la labor de transformación de la materia. A los siguientes 8 días, es decir a los 15 de haber iniciado el proceso se realiza el segundo volteo. Realice un volteo cada 8 días hasta completar de 30 a 45 días. A este abono se le puede añadir 50 kilos de lombricompos. El lombricompos no se debe agregar antes, ya que la temperatura mata a los microorganismos benéficos que están en él. En general los compostajes se pueden iniciar a utilizar cuando pierden la temperatura y el olor no es desagradable. APLICACIÓN Y DOSIS Este material como casi en todos los casos se puede mezclar con dosis de una parte del compostaje por dos partes de tierra para la elaboración de los semilleros. Para la siembra de cualquier cultivo se mezclan bien en el hoyo la cantidad dependiendo la planta. Para hortalizas mezclar hasta 5 Kg por m2 y en plantas perennes como frutales o plátano se recomienda en el hoyo de 2 a 3 Kg de compostaje o bien se mezcla en el surco o terraza antes de sembrar, todo depende del cultivo a sembrar. Para abonar plantas ya establecidas se puede aplicar de 1 a 2 kilos de este compostaje por mata, procurando que no quede a pleno sol, en este caso conviene tapara con hojarasca el abono para que no se reseque y no pierda las propiedades. La dosis para árboles frutales debe ser de 5 kilos por árbol. RECOMENDACIÓN: A todos los compostajes se les puede agregar con el agua de remojo 5 litros de caldo supermagro o caldo de mantillo de bosque, pero a partir de los 30 días cuando ya halla bajado la temperatura. La temperatura se regula haciendo volteos cada 5 a 8 días y procurando que los montones no queden muy gruesos. Los abonos compostados deben terminar el proceso de transformación en el campo de cultivo para evitar perdida de energía. 125

FORMULA No 2

CON PULPA DE CAFÉ Y ESTIERCOL

CANTIDAD 1 1 1 3 2 2 50 ½ 10

MATERIALES Bulto de pulpa de café Bulto de tierra fértil Bulto de estiércol de bovino Kilos de miel de purga Kilos de calfos o cal dolomita Litros de caldo supermagro Kilogramos de buenesas Libra de levadura Kilogramos de ceniza de cocina.

Según la disponibilidad de materiales usted puede aumentar o disminuir la cantidad de ellos. PREPARACION: Se revuelven todos los materiales secos y el caldo supermagro los mezcla con 50 litros de agua aproximadamente y la miel de purga. Esta mezcla la va rociando a la pila a medida que la revuelve. (No olvide que la humedad se mide con la prueba de puño). APLICACIÓN Y DOSIS: Para semilleros, mitad de tierra y mitad de este compostaje. La misma dosis recomendada en la fórmula número 1 se emplea para el abonamiento de cultivos. Realice bajo techo la preparación de estos abonos fermentados.

126

FÓRMULA N° 3

CON GALLINAZA Y TIERRA

CANTIDAD 5 2 2 10 2 20 ½ 10

MATERIALES Bulto de gallinaza Bultos de tierra fértil Bultos de cascarilla de arroz o de café Kilos de miel de purga Litros de caldo supermagro Kilos de calfos o fosforita Huila Libra de levadura Kilos de ceniza o carbón de madera

PREPARACION: Mezcle bien los productos, agregue el agua necesaria y voltear cada 5 días hasta los 30 o 45 días aproximadamente. APLICACIÓN Y DOSIS. Se deben seguir las mismas recomendaciones anteriores.

FORMULA No 4

CON EL ESTIERCOL DE CABALLO

CANTIDAD 1 3 2 3 5 1/2 10 10 10

MATERIALES Bulto de estiércol de caballo o yegua Bulto de tierra virgen libre de agrotóxicos Bulto de cascarilla de arroz o pulpa de café Litros de caldo M4 Kilos de mogolla de trigo Libra de levadura Kilos de calfos o fosforita Huila Kilos de cal agrícola Kilos de miel de purga - melaza

PREPARACION: Mezclar bien los materiales que deben estar suficientemente húmedos y cubrir con una estopa (taparlo). 127

Revolver a partir del quinto día, todos los días durante una semana sin dejar de mantener la humedad constante. Al cabo de 25 días está listo para usarlo como abono en el cultivo.

FORMULA No 5

CON ESTIERCOLES DE CERDO Y VACA

CANTIDAD 5 1 10 10 2 2 2 2 1/2 2 20

MATERIALES Carretadas de estiércol de cerdo Bulto de estiércol de vaca fresco Kilos de mantillo de bosque Litros de caldo supermagro Kilos de miel de purga disuelta en agua Bultos de tierra fértil Bultos de cascarilla de arroz Bultos de buenesas Libra de levadura Bultos de tierra arenosa de subsuelo Kilos de fosforita huila, cal dolomita o calfos

PREPARACION: Mezclar bien el estiércol de la vaca y el de cerdo con el capote, el cisco de arroz y la tierra, más los otros ingredientes a medida que se va humedeciendo con el agua, (si la humedad de los estiércoles no es mucha), mezclando con el caldo supermagro y la miel de purga hasta lograr una pila uniforme y lo suficientemente húmeda, pero no demasiado, la buenesa bien picada se va adicionando en el momento de la mezcla. Cada semana se debe voltear la pila hasta la tercera semana y cuando la temperatura haya disminuido lo suficiente y se observa una mezcla homogénea ya está listo para ser usado como abono. La temperatura en la primera semana se eleva lo suficiente y esta es una buena señal de que los microorganismos están actuando en la descomposición y transformación de la materia, pero se debe estar controlando para que no suba demasiado, haciendo os volteos necesarios.

128

A este compostaje se le debe agregar algunos otros residuos de cosecha o desperdicios de cocina que estén disponibles.

FORMULA N° 6 DE BUENESAS Y ESTIERCOLES. CANTIDAD 5 60 10 10 2 1/2 20

MATERIALES Bultos de hierbas frescas ojalá de vagas o sitios fértiles Kilos de estiércol fresco de cualquier origen Kilos de miel de purga Kilos de capote o mantillo de bosque Bultos de tierra de subsuelo Libra de levadura Kilos de fosforita Huila, calfos o cal dolomita

PREPARACION: La hierba se pica lo mejor posible y el estiércol fresco se revuelve con el caldo de pescado, la miel de purga, la levadura, el capote y la tierra. Luego se mezclan todos los productos hasta formar una pila bien distribuida. A los 8 días de voltea el material, y se repite el volteo a los siguientes 8 días. Este abono está listo para utilizarlo a los 40 días de haber iniciado el proceso. Cualquier estiércol con mantillo de bosque, desechos de cosecha y miel de purga, ya garantizan un buen abono orgánico. RECOMENDACIÓN: Los estiércoles a utilizar deben provenir de animales sanos y el agua a utilizar no debe ser tratada con coro. Los compostajes deben estar siempre a la sombra y libres de la lluvia. Las mezclas en los compostajes o abonos fermentados no deben estar encharcadas, porque no permita la actividad microbial. Para el caso de la gallinaza, que es tan utilizada por muchos agricultores, se recomienda compostarla, pues sus contenidos no son lo 129

suficientemente asimilables al suelo y se ha comprobado que pueden quedar algunos residuos como antibióticos y gérmenes patógenos.

FORMULA N°. 7

TIPO BOCASHI

CANTIDAD 5 2 2 5 10 1/2 50 5

MATERIALES Bultos de gallinaza Bultos de cascarilla de arroz o de café Bultos de tierra fértil Kilos de miel de purga o melaza Kilos de carbón de leña Libra de levadura Kilos de fosforita huila o calfos Kilos de cal agrícola

PREPARACION: De la misma forma como se procedió a la preparación de la fórmula N° 1, se debe proceder acá, solo algunos materiales cambian y las cantidades. RECOMENDACIÓN. Para todos los abonos fermentados y compostados, las pilas no deben quedar muy gruesas, es decir que en la parte más alta de la altura máxima no supere los 50 cm, debido a que si la temperatura se eleva demasiado el consumo de energía es alto y en el campo se va a necesitar esa energía para terminar el proceso de transformación. RECOMENDACIONES GENERALES: La dosis: En general se recomiendan entre 2 y 3 kilos por árbol grande, distribuido alrededor de la planta y tapado con hojarasca de los alrededores. Para la siembra de hortalizas u otras plantas s3 mezcla la materia orgánica con la tierra y se siembran las plántulas, plánticas o semillas sin peligro de que se quemen.

130

ANEXO D Diagramas de proceso de las diferentes fases de la fermentación llevada a cabo en la I.L.C.

131

Ácido Sulfúrico Miel Almacenada

Agua

MEZCLADOR ESTATICO S-20 1 A/B

TANQUE DE PREDILUCION B-202

Vapor

RECIRCULACIÓN DE AGUA DE RECICLO B-205

Agua Vapor

Miel prediluida a clarificación

Diagrama de proceso 1: PREDILUCION DE MIELES I.L.C. 132

Agua potable E-202

Miel predilucion

HIDROCICLONES

CENTRÍFUGAS CLARIFICADOR AS S-203 A/D

TANQUE PULMON

Lodos

Lodos

RECIPIENTE DE MIEL DE CLARIFICACIÓN B-204

Agua

RECIPIENTE DE LAVADO DE LODOS B-203

Lodos Miel clarificada a fermentación

Diagrama de proceso 2 : CLARIFICACIÓN DE MIEL I.L.C.

133

Antiespumante Levadura

Miel clarificada Salesa

Agua potable

Levadura propagada a fermentación

CUBA DE PROPAGACIÓN B-301

Aire

COMPRESORES DE AIRE K-301 A/E

ENFRIADOR E-301

A enfriamiento

Diagrama de proceso 3: PROPAGACIÓN DE LEVADURA I.L.C. 134

MEZCLADOR ESTATICO S-206 Levadura

ENFRIADOR E-202

Sales

Agua

Mosto fermentado a recuperación de levadura

Antiespumante

CUBA DE FEMENTACION B-351 – B-354

ESTERILIZADOR S-204

CALENTADOR DE MIEL J-202

CO2

ENFRIADOR E-203

Vapor

ENFRIADOR E-351 - E-354 Miel clarificada

Diagrama de proceso 4: FERMENTACION I.L.C.

135

Agua

Mosto Fermenta

Vino

CENRIFUGA SEPARADORA S-402 A/B

FILTROS

Vino deslevadurizado a destilación

Agua Levadura reciclo a fermentación

TANQUE LAVADO DE CREMA DE LEVADURA B-403

Vapor

Ácido sulfúrico Agua

TANQUE DE TRATAMIENTO DE LEVADURA B-405

CENTRÍFUGA REPASADORA S-406 A/B

TANQUE DE VINOS B-402

Diagrama de proceso 5: RECUPERACIÓN DE LEVADURA I.L.C.

136

ANEXO E Normas Ambientes actuales

El decreto 1594 de 1984 presenta los limites que se deben considerar en el momento usar el agua y los residuos líquidos.

DE LAS NORMAS DE VERTIMIENTO

Artículo 72: Todo vertimiento a un cuerpo de agua deberá cumplir, por lo menos, con las siguientes normas: Referencia

Usuario Existente

Usuario Nuevo

5 a 9 unidades

5 a 9 unidades

Temperatura

< 40°C

< 40°C

Material flotante

Ausente

Ausente

PH

Grasas y aceites

Remoción > 80% en carga

Remoción > 80% en carga

Sólidos suspendidos, domésticos o industriales

Remoción > 50% en carga

Remoción > 80% en carga

Demanda bioquímica de oxígeno: Para desechos domésticos

Remoción > 30% en carga

Remoción > 80% en carga

Para desechos industriales

Remoción > 20% en carga

Remoción > 80% en carga

Carga máxima permisible (CMP), de acuerdo con lo establecido en los artículos 74 y 75 del presente Decreto. 137

Parágrafo: Declarado nulo por el Consejo de Estado en Sentencia del 14 de agosto de 1992. De acuerdo con las características del cuerpo receptor y del vertimiento, la EMAR decidirá cuál o cuáles de las normas de control de vertimiento señaladas en este artículo podrán excluirse. Artículo 73: Todo vertimiento a un alcantarillado público deberá cumplir, por lo menos, con las siguientes normas: Referencia

Valor

pH

5 a 9 unidades ≤ 40°C

Temperatura Ácidos, bases o soluciones ácidas o básicas que puedan causar contaminación; sustancias explosivas o inflamables.

Ausentes

Sólidos sedimentables

≤ 10 ml/l

Sustancias solubles en hexano

≤ 100 mg/l

Referencia

Usuario Existente

Usuario Nuevo

Sólidos suspendidos para desechos domésticos e industriales

Remoción > 50% en carga

Remoción > 80% en carga

Demanda bioquímica de oxígeno: Para desechos domésticos

Remoción > 30% en carga

Remoción > 80% en carga

Para desechos industriales

Remoción > 20% en carga

Remoción > 80% en carga 138

Caudal máximo

1.5 veces el caudal promedio horario

Carga máxima permisible (CMP) de acuerdo a lo establecido en los artículos 74 y 75 del presente Decreto. Parágrafo: Declarado nulo por el Consejo de Estado en Sentencia del 14 de agosto de 1992. De acuerdo con las características del cuerpo receptor y del vertimiento, la EMAR decidirá cuál o cuáles de las normas de control de vertimiento anotadas, podrán excluirse. Artículo 74: Las concentraciones para el control de la carga de las siguientes sustancias de interés sanitario, son: Sustancia

Expresada como

Arsénico

As

0.5

Bario

Ba

5.0

Cadmio

Cd

0.1

Cobre

Cu

3.0

Cromo

Cr+6

0.5

Compuestos fenólicos

Fenol

0.2

Mercurio

Hg

0.02

Níquel

Ni

2.0

Plata

Ag

0.5

Plomo

Pb

0.5

Selenio

Se

0.5

Cianuro

CN

1.0

Difenil policlorados Mercurio orgánico

Concentración de agente activo Hg

Concentración (mg/l)

No detectable No detectable

Tricloroetileno

Tricloroetileno

1.0

Cloroformo

Extracto Carbón Cloroformo (ECC)

1.0

Tetracloruro de carbono

Tetracloruro de Carbono

1.0

Dicloroetileno

Dicloroetileno

1.0 139

Sulfuro de carbono

Sulfuro de carbono

1.0

Concentración agente activo

0.05

Concentración agente activo

0.1

Otros compuestos organoclorados, cada variedad Compuestos organofos forados, cada variedad Carbamatos

0.1

Parágrafo: Cuando los usuarios, aún cumpliendo con las normas de vertimiento, produzcan concentraciones en el cuerpo receptor que excedan los criterios de calidad para el uso o usos asignados al recurso, el Ministerio de Salud o las EMAR podrán exigirles valores más restrictivos en el vertimiento. Artículo 75: La carga de control de un vertimiento que contenga las sustancias de que trata el artículo anterior, se calculará mediante la aplicación de las siguientes ecuaciones: A = (Q) (CDC) (0.0864) B = (Q) (CV) (0.0864) Parágrafo: Para los efectos de las ecuaciones a que se refiere el presente artículo adoptándose las siguientes convenciones: A: Carga de control, kg/día. Q: Caudal promedio del vertimiento, l/seg. B: Carga en el vertimiento, kg/día. CDC: Concentración de control, mg/l. CV: Concentración en el vertimiento, mg/l. 0.0864: Factor de conversión. Parágrafo 2: La carga máxima permisible (CMP) será el menor de los valores entre A y B. 140

Artículo 76: Cuando la carga real en el vertimiento sea mayor que la carga máxima permisible (CMP), aquella se deberá reducir en condiciones que no sobrepase la carga máxima permisible. Artículo 77: Cuando el caudal promedio del vertimiento se reduzca y por consiguiente la concentración de cualesquiera de las sustancias previstas en el artículo 74 se aumente, la carga máxima permisible (CMP) continuará siendo la fijada según el parágrafo 2 del artículo 75 del presente Decreto. Artículo 78: El control del pH, temperatura (T), material flotante, sólidos sedimentables, caudal y sustancias solubles en hexano, en el vertimiento, se hará con base en unidades y en concentración. El de los sólidos suspendidos y el de la demanda bioquímica de oxígeno con base en la carga máxima permisible (CMP), de acuerdo con las regulaciones que establezca la EMAR. Artículo 79: Las normas de vertimiento correspondiente a las ampliaciones que hagan los usuarios del recurso se calcularán de acuerdo con lo establecido en los artículos 75, 76, 77 y 78 del presente Decreto. Artículo 80: El control de vertimientos para las ampliaciones deberá efectuarse simultáneamente con la iniciación de las operaciones de ampliación o modificación. Artículo 81: Las ampliaciones deberán disponer de sitios adecuados para la caracterización y aforo de sus efluentes. Artículo 82: De acuerdo con su caracterización, todo vertimiento puntual o no puntual, además de las disposiciones del presente Decreto deberá cumplir con las normas de vertimiento que establezca la EMAR. Artículo 83: Los usuarios que a la fecha de expedición del presente Decreto estén desarrollando obras conforme a las exigencias de la EMAR respectiva o del Ministerio de 141

Salud, deberán cumplir con las normas de vertimiento establecidas en los plazos convenidos. Parágrafo: Los usuarios a que hace referencia el presente artículo, una vez expirados los plazos de los permisos o autorizaciones correspondientes, deberán cumplir con las normas contenidas en el presente Decreto o cualesquiera otras que en desarrollo del mismo establezca la EMAR. Artículo 84: Los residuos líquidos provenientes de usuarios tales como hospitales, lavanderías, laboratorios, clínicas, mataderos, así como los provenientes de preparación y utilización de agroquímicos, garrapaticidas y similares, deberán ser sometidos a tratamiento especial, de acuerdo con las disposiciones del presente Decreto y aquellas que en desarrollo del mismo o con fundamento en la ley establezcan el Ministerio de Salud y la EMAR. Artículo 85: El Ministerio de Salud y la EMAR establecerán las normas que deberán cumplir los vertimientos de residuos líquidos radiactivos. Artículo 86: Toda edificación, concentración de edificaciones o desarrollo urbanístico, turístico o industrial fuera del área de cobertura del sistema de alcantarillado público, deberá dotarse de sistemas de recolección y tratamiento de residuos líquidos conforme a las normas especiales que para cada caso señalen el Ministerio de Salud y la EMAR correspondiente. Artículo 87: Se prohíbe el vertimiento de residuos líquidos no tratados provenientes de embarcaciones, buques, naves u otros medios de transporte marítimo, fluvial o lacustre, en aguas superficiales dulces, marinas y estuarinas. Parágrafo: La EMAR fijará las normas de vertimiento para el caso contemplado en este artículo teniendo en cuenta lo establecido en el presente Decreto. Artículo 88: Los puertos deberán contar con un sistema de recolección y manejo para los 142

residuos líquidos provenientes de embarcaciones, buques, naves y otros medios de transporte. Dichos sistemas deberán cumplir con las normas de vertimiento. Artículo 89: Las disposiciones del presente Decreto también se aplicarán a las exploraciones y explotaciones petroleras o de gas natural, el beneficio del café, los galpones, las porquerizas, los establos y similares. Artículo 90: En ningún caso se permitirán vertimientos de residuos líquidos que alteren las características existentes en un cuerpo de agua que lo hacen apto para todos los usos señalados en el presente Decreto. Artículo 91: No se admite ningún tipo de vertimiento: a. En las cabeceras de las fuentes de agua. b. En un sector aguas arriba de las bocatomas para agua potable, en extensión que determinará, en cada caso, la EMAR conjuntamente con el Ministerio de Salud. c. En aquellos cuerpos de agua que la EMAR y el Ministerio de Salud, total o parcialmente declaren especialmente protegidos. Artículo 92: El Ministerio de Salud o su entidad delegada, así como la EMAR, establecerán el sitio de toma de muestras para la evaluación de las concentraciones de sustancias de interés sanitario en un vertimiento. Artículo 93: Cuando en un cuerpo de aguas se presenten vertimientos accidentales o por fuerza mayor o caso fortuito, tales como de petróleo, hidrocarburos y otras sustancias, que originen situaciones de emergencia, el Ministerio de Salud coordinará con las EMAR los procedimientos tendientes a controlar dicha situación. Artículo 94: Se prohibí el lavado de vehículos de transporte aéreo y terrestre en las orillas 143

y en los cuerpos de agua, así como el de aplicadores manuales y aéreos de agroquímicos y otras sustancias tóxicas y sus envases, recipientes o empaque. Artículo 95: Se prohíbe el vertimiento de residuos líquidos sin tratar, provenientes del lavado de vehículos aéreos y terrestres, así como el de aplicadores manuales y aéreos, recipientes, empaques y envases que contengan o hayan contenido agroquímicos u otras sustancias tóxicas. Parágrafo: Los residuos líquidos provenientes de embarcaciones, buques, naves o medios de transporte similares, se dispondrán de conformidad con el artículo 88 de este Decreto. Artículo 96: Los usuarios que exploren, exploten, manufacturen, refinen, transformen, procesen, transporten o almacenen hidrocarburos o sustancias nocivas para la salud y para los recursos hidrobiológicos, deberán estar provistos de un plan de contingencia para la prevención y control de derrames, el cual deberán contar con la aprobación de la EMAR y el Ministerio de Salud o de su entidad delegada. Artículo 97: El Ministerio de Salud o la EMAR podrán prohibir el vertimiento de residuos líquidos que ocasionen altos riesgos para la salud o para los recursos hidrobiológicos, o exigir la ejecución de un programa de control de emergencia.

144

ANEXO F Programa TDH 1.0 ¾ Descripción Este cálculo en línea permite calcular el TDH (Total Dinamic Head) o Cabeza Total Dinámica de una Bomba Centrífuga. El script se realizó con base en la ecuación de Hazen Willians, y es un programa muy práctico y de fácil uso, para acercarse al cálculo del TDH cuando se transporta un fluido de un punto a otro punto. El programa calcula la cabeza total dinámica que requiere la bomba para transportar el fluido de un tanque a otro.

¾ Uso del cálculo e línea El uso del cálculo en línea es muy sencillo, simplemente basta con introducir los siguientes datos y el programa calcula el TDH: 1. Diámetro de la tubería que transporta el fluido. Las unidades pueden ser introducidas en milímetros o en pulgadas. 2. Caudal del fluido. Las unidades se pueden introducir en metros cúbicos por hora (m3/h), litros por segundo (l/s), o galones EU por minuto (GPM) 3. Longitud de la tubería. Las unidades pueden ser introducidas en metros o en pies. 4. Elevación. Se refiere a la elevación que sufre el fluido a ser transportado de un lugar a otro. Las unidades pueden ser introducidas en metros (m) o en pies (ft).

145

5. Material de la tubería. En el cálculo en línea hay parámetros para tuberías en: Plástico, acero nuevo, usado, corroído y recubrimiento en caucho, dependiendo del fluido a manejar.

¾ Presentación:

TDH Versión 1.0

TDH 11.026712 m

Diámetro

2

in

Caudal

7.68

m^3/h

long de Tubería

55.3

m

Elevación

7

m

Material

Acero Corroido

Borrar

146

ANEXO G COTIZACIONES

147

ANEXO H FOTOGRAFIAS

158

CREMA DE LEVADURA

LEVADURA PRENSADA

ENTRADA FILTRO PRENSA

PLACAS Y MARCOS DE FILTRO PRENSA