PROYF.CTO DE UNA PLANTA PARA LA OBTE.NCION DE GELATINA COMESTIBLE Por OSCAR LONDOÑO RESTREPO (Capítulos IV, V, VI, VII y VIII de la tesis de grado pre­ sentada por

su

autor para optar el título de Ingeniero Químico

Industrial en la Universidad Pontificia Bolivariana).

EXTRACCION

La extrracción es el proceso por el cual el colágeno se con­ vierte a gelatina. Alexander formula la reacción molecular de la si­ guiente manera: C102 H149 N31 038 + H20 C olágeno C 102 H151 N 31 039 + 2H20 Gelatina

=

=

C102 H151 N31 039 Gelatina

C55 H85 N17 022 + C47 H70 N 14 019 Semiglutina Hemicolina

Sin embargo estas reacciones son sólo una indicación de los cambios complejos que se producen a partir de materias primas tan diversas (las distintas variedades de colágenos) para formar productos de naturaleza casi tan variada como ellas (gelatinas y colas de diver­ sas clases) . Para poder comprender mejor por cuales motivos se ha esco­ gi8o el procedimiento que va a seguirse, es preciso considerar la ma­ nera como influyen los diversos factores que determinan el rendi­ miento de la extracción; el pH del medio en que se extrae así como la duración de la extracción son los factores determinantes de este rendimiento como puede apreciarse en los siguientes gráficos publica­ dos por "Intemational Critica! Tables" Vol. II y basados en experi­ mentos verificados con trozos de piel encalados suficientemente. Las curvas que a continuación se presentan, se obtuvieron haciendo los experimentos de extracción por un período de 8 horas a menos que otra cosa se especifique. 528-

Proyecto de una Planta para la obtención de Gelatina comestible

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La figura 1 expresa el porcentaje de nitrógeno total recobra­ do en una solución de gelatina cuando se extrae con distinta acidez.

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La figura 2 indica el porcentaje de nitrógeno obtenido en for­ ma de amoníaco (NH3) en una solución de gelatina cuando se extrae con distinta acidez. -529

Osear Londoño Restrepo

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La figura 3 indica la influencia del pH del medio que extrae sobre la cantidad de nitrógeno recobrado con aminoácido en la solu­ ción.

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La figura 4 indica la influencia del pH del medio que extrae sobre la viscosidad del producto resultante (expresada en unidades arbitrarias) . 530-

Proyecto de

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Planta para la obtención de Gelatina comestible

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La figura 5 indica la influencia del pH del medio que extrae sobre la fuerza o rigidez del gel sólido que forma el producto ob­ tenido, a 109C.

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La figura 6 indica la influencia del pH del medio que extrae sobre la cantidad de nitrógeno total obtenido en la solución después de extraer a las temperatur�s incLc:;.d..; '. -531

Osear

Londoño

Restrepo

La figura 7 indica la influencia del pH del medio que extrae sobre el nitrógeno recobrado como aminoácido en la solución después de extraer a las temperaturas indicadas.

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La figura 8 indica la influencia del pH del medio que extrae sobre la cantidad total de nitrógeno obtenido en la solución después de extraer a 809C durante los tiempos indicados. 532-

Proyecto de una Planta para la obtención de Gelatina comestible

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La figura 9 indica la influencia del pH del medio que extrae sobre la cantidad de nitrógeno obtenido como aminoácido en la so� lución después de extraer a 809C durante los tiempos indicados. Los resultados que deben procurarse para obtener una gela­ tina de buena calidad son los siguientes: a) Obtener la mayor cantidad posible de gelatina en la pri­ mera extracción (mayor cantidad de nitrógeno recobrado). Según la figura 1, esto se logra manteniendo el pH entre 3 y 4; más bajo de 3 no se justifica la extracción porque al neutralizar la solución resul­ tante quedaría mayor cantidad de electrólito en ella, y por lo tanto, su sabor sería desagradable; hacia el lado alcalino no se justificaría tampoco la extracción puesto que sería . aún mayor la cantidad de e­ lectrólito resultante al neutralizar esta basicidad; además el rendimien­ to que se lograría al disminuir el pH de 3 o aumentarlo de 4 sería muy poco comparado con los perjuicios que puede acarrear. Hay que tener presente además que la corrosión del equipo empleado para ma­ nejar el extracto de gelatina, aumenta considerablemente a pH muy ácido o muy básico. En los ensayos efectuados por mí, he empleado paJr'a la extracción un pH entre 3 y 4 y he obtenido resultados bas­ tante satisfactorios. b) Debe procurarse que se forme la menor cantidad posible de amoníaco durante la extracción puesto que su presencía en la g� latina demerita mucho su valor (la gelatina fotográfica, por ejemplo, -533

Osear Lcmdoño Restrepo

debe indicar solamente trazas de amoníaco con reactivo de Nessler). Según lo indica la figura 2, el mejor porcentaje de amoníaco produ­ cido ·se obtiene con pH por debajo de 4. e) Debe procurarse que se obtenga la menor cantidad posi­ ble de aminoácidos en la gelatina; estos deben estar formando molé­ culas complejas de proteínas. Según la fig. 3, este efecto se consigue a un pH de 5 aproximadamente; a pH entre 3 y 4, la cantidad de amino­ ácidos recuperada es un poco mayor pero dentro de límites que pue­ den permitÍirse en la práctica. d) La viScosidad y rigidez del gel sólido que presenta el pro­ d ucto, deben ser lo más altas posibles; esto se l'Ogra según las figu­ ras 4 y 5 solamente a pH entre 6 y 7 por lo cual el extracto resultante con el pH 3 o 4, debe llevarse casi a neutralización pero solamente des­ pués de terminada la extracción a pH ácido. e) La extracción debe llevarse a cabo en el menor tiempo posible y con un gasto de calor mínimo. Las figuras 6 y 7 indican que a mayor temperatura, mayor será también el nitrógeno en forma de aminoácido que se produce; hay que tratar de equilibrar estos dos factores lo que sólo se consigue a una temperatura entre 60 y 75QC. Además mientras mayor sea el tiempo de extracción, mayor será la cantidad de nitrógeno recobrado y mayor será también la de nitróge­ no como aminoácido. Las figuras 8 y 9 indican cómo varían estos dos factores a un determinado pH y de ellas se puede deducir que con Un. tiempo de extracción de 8 horas y un pH entre 3 y 4, se logra obtener resultados satisfactorios. De acuerdo con las anteriores consideraciones y con los resul­ taidos obtenidos por mi trabajando con carnaza encalada por tres me­ ·ses, los cuales están de acuerdo con lo dicho anteriormente, he esco­ gido las siguientes condiciones de trabajo para la extracción: Se harán dos extracciones sobre cada lote de carnaza enea­ Jalda y lavada, a temperaturas de 60 y 70QC respectivamente y por un período de 8 horas cada una, manteniendo el pH de la solución entre 3, 5 y 4. En las condiciones anteriores debe obtenerse como mínimo un rendimiento en gelatina seca del 50% del peso 'de la carnaza emplea­ da (pesada con 3% de humedad), siempre que para las extracciones se empleen las condiciones ya descritas y aproximadamente las canti­ dades de agua que fueron empleadas por mí durante los ensayos que decidieron las condiciones de trabajo. Según lo dicho antes, se tratará diariamente en los extracto­ res la cantidad de material encalado que proviene de 900 kgms. de carnaza seca; por ser demasiado grande el volumen necesario, la o­ peración se llevará a cabo en dos tanques extractores cada uno car­ gado con el material correspondiente a 450 kgms .. de carnaza seca. Balance de materiales para cada extractor proporcional al ba­ lance que resultó de las extracciones que determinaron· las condicio­ nes de operación: 534-

Proyecto de una Planta para la o btención de Gelatina comestible

Primera extracción a 609C. Peso del material lavado sin el agua que lo impregna

270 kgms.

Peso del agua que impregna el material lavado ..

1125 kgms.

Peso del agua añadida para la primera extracción

1125 kgms.

Peso total de componentes en el extractor ....... .

2520 kgms.

Solución de gelatina al 8% en peso obtenida ....

2250 kgms.

Gelatina seca obtenida de la primera extracción (80% del total que se extrae) ..................

180 kgms.

.

Según la ecuación qttímida de tranformación de colágeno a gelatina, los 180 kgms. de gelatina provienen de:

2415

180 X

.. . . . . . . . . . . . . . . . . .

178 kgms. de 2433

Colágeno

Colágeno sobrante de la primera extracción supo­ niendo que los 270 kgms. originales fueran· colágeno (270-178) .

.

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.

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.

.

.

.

92 kgms.

.

92 kgms.

Segunda extracción a 709C. Peso del material sólido seco ................... Peso del agua que lo impregna:

(1125 + 1125) - (2250 X 0,92)

=

180 kgms.

Peso del agua añadida ......................... .

430,5 kgms.

Peso total de los componentes del extractor

702,5 kgms.

Solución de gelatina al 8% en peso obtenida

562,5 kgms.

Gelatina seca obtenida de la segunda extracción (20'X del total que se extrae) .................. Los 45 kg. de gelatina provienen de 45 X

2415 --

2433

=

45

kgms.

44,5 kgms. de Colágeno

Residuo de las dos extracciones: Material sólido sobrante seco ................... Agua que impregna el residt•o .................

.

.

.47,5 kgms. 93

kgms. -535

OAca:r Londoiio

Restrepo

En este balance de materiales se expres6 el peso de los ex­ tractos de gelatina ya filtrados, y el peso del residuo, 47,5 kgms. es el peso del material seco que quedó en el tanque sin convertirse a gela­ tina, más el residuo resultante de la filtración de dicho extracto; no es posible predecir la cantidad de sólidos en suspensión que van a quedar en cada extracto puesto que dicha cantidad depende de la fa­ cilidad para disgregarse que tenga la materia prima, la cual no siempre es la misma. . No siempre ·el extra�to de gelatina resultará de una concen­ tración del 8%; por lo general, en la primera extracción se obtiene una concentración mayor .que puede llegar hasta un 10% y. en la se­ gunda extracción la concentración puede ser inferior al 8%; en aquellos casos en que la concentración resultante sea muy baja, se puede sal­ var la dificultad que esto crea para el secado usando esa solución di­ luída para extraer con ella en un nuevo lote de material encalado fresco. He supuesto la concentración prom�ia de los extractos en un 8% (algo más diluída del promedio práctico), porque ella es la que determina la capacidad del secador y de esta manera se logrará obtener un margen de seguridad en este equipo para casos en que haya dificultad con la concentración demasiado baja. Cálculo del equipo para la extracción

·

Los tanques extractores son recipientes cilíndricos que se fa­ brican de madera y están provistos de un falso fondo sobre el cual descansa la carga. Por debajo del falso fondo, que se coloca a 10 cen­ tímetros del piso, va un tubo de aluminio calentado con vapor y pues­ to en forma de espiral. El diámetro de cada tanque es de 1,70 metros y la altura es de 1,25 metros; la construcción de estos tanques es semejante a la ya descrita para los tanques lavadores, con la única condición de que la madera de la cual se hacen, no produzca color o sabor a la solución de gelatina; ambos tanques se situán sobre una pequeña base de con­ creto y por el fondo se les hace una salida con reja metálica y ta­ pón, todos de material anticorrosivo (níquel o acero inoxidable). El falso fondo se construye de tal manera que al terminar las extraccio­ nes, pueda sacarse con la carga que lleva encima tirándolo por medio de una polea atada al techo y que a su vez puede correrse por un riel de un tanque a otro, con lo cual se facilita el vaciado de los tan-< ques. Los falsos fondos se construyen de una estructura fuerte de va­ rilla de aluminio que a su vez sostiene una malla menuda de este mis­ mo material Ambos tanques tienen una tapa abisagrada que se levanta con la misma polea que los falsos fondos y sirve para impedir la contami­ nación de la solución y evitar pérdidas por evaporación. Además de los dos tanques extractores ya descritos, se necesita un tercer tanque de las mismas dimensiones y características de los extractores excepto que no tiene falso fondo ya que se usa para almacenar solución de gelatina a 609C antes de la filtración y para calentar agua necesaria 536-

Proyecto de una Planta para la obtención de Gelatina comestible

en el lavado de todas las tuberías de conlducción de gelatina y demás equipo empleado para su manipulación. ·

Durante la extracción hay pérdidas de calor y por lo tanto gasto de vapor por las. siguientes razones: a) Para suplir las pérdidas por convección y radiación al ambiente. b) Para suplir el calor conswnido en la J:"eacción. e) Para dar el calentamiento inicial a la solución. a entamiento del tubo del fondo del tanque debe El área de cl ser de tal magnitud que sea capaz de mantener el equilibrio térmico durante la extracción y además debe poder transmitir el calor nece­ 'Sario para el calentamiento inicial de la carga en el tiempo requerido. Calcular el calor perdido hacia el ambiente , es un problema bastante complejo puesto que para resolverlo hay necesidad de cono­ cer datos tales como la temperatura exterior de la pared de madera y otros, los cuales solo pueden obtenerse de una manera experimen­ tal. Para el siguiente cálculo se supondrá que la única resistencia tér­ mica que se opone al paso del calor hacia el ambiente, es la de la pa­ red de madera definida por: Rm=

Lm -----

Km X Am En donde: Rm es la resistencia térmica de la pared de made­ ra; Lm es el grueso de la pared de madera; Am es el área media a través de la cual se transmite el calor. En realidad existen otras dos resistencias en serie con la ya descrita, formadas por las capas de fluídos a ambos lados de la pared de malclera, pero ante la imposibilidad de determinarlas siquiera apro­ ximadas, se tomará la Rm como la única resistencia incurriendo con e]o en un error para este caso en el que se supone un 6t correspon­ diente a la suma de las tres resistencias en serie, error que resultará en un gasto de vapor mayor que el verdadero, pero nunca menor, con lo cual se tendrá un margen de seguridad para casos en los cuales el gasto de calor sea mayor. L a velocidad de transmisión de c.alor a través de las paredes de un recipiente cilíndrico construído con material de conductividad térmica K de espesor L y a través de un área media A con una di­ ferencia de temperatura entre las dos paredes de 6t 9F es: q(Btu/hora) = K (Btu pie/hr . pie2 9F) X A (pies2) X 6t(9F) X

1 L pies

Para el caso presente de la primera extracción, la temperatu­ ra del líquido es de 609C, o sea 1409F y la temperatura ambiente su­ puesta igua l a la externa del cilindro de madera es de 249C o sea de -537

Osear Londoño ReBtrepo

75,29F; por lo tanto, �t

64,89F, esto considerando que aún las par­ tes superiores no bañadas por el líquido estén a 609C por el lado in­ terno. A través tlel fondo se considera despreciable la pérdida de ca­ lor. =

Pérdida de ca1or a través de la pared lateral del tanque

¡

l[

]-

Area media de transmisión:

3,14

1,75

_

0,3048

2,25

1,25

_

0,3048

L

--

q

------

=

12

73,8 pies2

0,187 pies

0,15 X 73,8 X 64,8

=

3835 Btu/hora

0,187 Pérdida del calor a través de la tapa Area de transmisión:

3,14 X 1,70.2 X 10,76

24,4 pies2

4 q

0 ,15 X 24, 4 X 64,8

-------

0,187

=

1270 Btu/hora

Pérdida del calor total: 5100 Btu/hora Pérdida de calor durante las 8 horas de extracción 40 . 800 Btu. El calor consumido por la formación de gelatina es el siguiente: Según datos obtenidos en "J ournal of the American Chemical Society", que son solamente aproximados, el calor de la formación de la gelatina a partir del colágeno varia entre 20 y 30 kilocalorías por mole gramo de gelatina; el peso molecular probable de la gelatina es de 20.000 gramos por mole gramo; luego el calor coll!surrii.d o en la pri­ mera extracción es: 25Kcal/mol-gmo 180 . 000 gmos X

1

------ -

20 . 000 gmos/mol-gmo

225.000 225 kilocalorías o sea:

=

892 Btu.

252 Calor total suministrado por el tubo del fondo durante las 8 horas de extracción 40. 800 + 892 = 41. 692 Btu. 538-

Proyecto de una Planta para la obtención de Gelatina comestible

Calor necesario para el calentamiento inicial de la carga La carga que originalmente entra a los tanques se encuentra a una temperatura de 249C (75,29F) y hay necesidad de calentarla a 609C (1409F) en una hora como máximo, para continuar la extracción por 7 horas más. Para poder calcular el calor necesario para este ca­ lentamiento, hay necesidad de conocer el calor específico de la carga de cueros encalados y agua, pero como no se conoce el dato del calor específico de los sólidos allí existentes, se supone que la carga es en su totalidad de agua oon lo cual se obtendrá una cantidad de calor necesaria que dará un margen de seguridad en el aparato. Q=MXc X 6t

En donde: Q es calor total necesario en Btu. M es la masa calentada: 2520 X 2,2 = 5550 lbs. e

= 1 Btu/lb X 9F

6t = 140 - 75,2

=

64,89F

Q= 5550 X 1 X 64,8 = 359.000 Btu.

Este calor hay que suministrarlo en una hora y por lo tanto la rata de suministro de calor será: 359 . 000 Btu/hora.

Cálculo del tubo de calentamiento para el fondo Para calentar se usa un tubo de aluminio de 2 pulgadas de diámetro externo puesto debajo del falso fondo en forma d e espiral y que lleva vapor saturado a 25 lbs/pulg2 de .sobrepresión o sea para la presión atmosférica de Medellín (640 mm Hg) una presión abso� luta de 37,38 Lbs/pulg2• Ambos tanques están provistos de trampas de vapor, de ma­ nera que la condensación del vapor dentro de los tubos ocurre a su temperatura de saturación o sea a 2639F. Segun "Chemical Engineer's Handbook John H. Perry, 1950" el coeficiente total de trasmisión de calor para el caso de solución a­ cuosa calentada por vapor que 'Se condensa dentro de los tubos del calentador y cuyo calor se transmite solo por convección natural, va­ ría entre 50 y 200 Btu/hr X pie29F. Como no hay mét�o para a­ veriguar tal coeficiente total para este problema, se asumilrá un valor para la U de 70 Btu/hr X pie29F. La mayor rata de suministro de calor ocurr e durante el calen­ tamiento inicial y por ello el tubo de cada tanque debe tener un á.. rea extema de calentamiento tal que sea capaz de suministrar ese calor. Q A=-U X 6t -­

-539

Osear Londoño Restrepo En donde A aluminio en pies2• Q

Calor t ransmitido

=

Llt

Area de calentanúento externo del tubo de

=

263-140 = 1239F

=

359.000

A

359.000 Btu/hora

=

= ----

70 X 123

41,7 pies

=

El tubo usado y ya descrito posee un área externa de 0,5233 pies2 por cada pie de longitud lineal; por lo tanto se necesitan: 41,7

79,7 pies o sean 24,30 metros.

--- =

0,5233

Gasto de vapor durante la primera extracción Calor necesario para el calentanúento inicial ......... Calor necesario para sostener todo a 609C 8 horas ...

359.000 Btu. 41.692 Btu.

Calor necesario total en cada tanque .................

400,692 Btu.

Calor total necesario en ambos t anques:

801.384 Btu.

.

.

.

Btu/lb.

.

..............

El calor latente de condensación del vapor a 2639F es de 936, 3 Lbs de vapor necesarias para la primera extracción: 801.384 856 lbs.

=

936,3

En el proceso de extracción el gasto máximo de vapor será de 1 359.000 X 2 Btu/hora X ------ = 767 lbs de vapor/hora 936,3 Btu/lb vap. a 25 lbs/pulg2 de sobrepresión. Gasto de vapor durante la segunda extracción Para la segunda extracción se reunen en un solo t anque los residuos resultantes de la primera extracción en ambos tanques, ya que no :se justifica la manipulación de una cantidad tan pequeña en uno solo. El peso de los componentes reunidos en un solo t anque es de: Peso del material sobrante de las primeras extracciones: 272 X 2 .. Peso de l agua añadida ................................. .

Peso total 540-

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544 kgms. 861 kgms. 1405 kgms.

Proyecto de una Planta para la obtención de Gelatina comestible

En este caso, 544 kgms de material hay que calentarlos desde 609C hasta 709C; el calor necesario para esto será con un 6t 18QF. Q= (2,2 X 544) X 1 X 18

21.550 Btu

=

=

En realidad el calor específico de esta mezcla no es 1, pero ante la imposibilidad de conocerlo, lo he supuesto con ese valor. Hay necesidad de calentar además 861 kgms de agua desde 24QC hasta 709C; el calor necesario para verificar este calentamiento será: 6t 82,8QF.

Q

=

(861 X 2,2) X 1 X 82,8

=

157.000 Btu.

=

El calor consumido por la reacción será: Q = 25 X

(90.000 X

l

1

20.000

]

= 112 Kcal o sea 447 Btu.

temperatura interior de la pared de madera del tanque a 709C aunque no se halle todo baña