TECNOLOGÍA PARA LA OBTENCIÓN DE SAPONINAS DE QUINUA

Facultad de Ingeniería - INIQUI - CONICET – UNSA

Salta – Argentina - margarita.armada@gmail.com

Ing. Qca. Margarita Armada

El pericarpio o episperma está constituido por varias capas, la más externa es de superficie rugosa, quebradiza, se desprende fácilmente al frotarla y en ella se encuentran las saponinas que le dan el sabor amargo al grano. La adherencia del episperma a la semilla es variable con los genotipos. Con el proceso de escarificado se remueve el episperma.

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 2

Procesamiento del Grano Quinoa

Limpieza del Grano

(piedras - tierra -

hojas, etc)

Clasificación del Grano (por tamaño y color)

Grano fuera de

especificación

Escarificado del Grano (desaponificación)

5% a 8 % de Polvo

que contiene de

22 % a 30 % de

saponinas

Grano Escarificado (recubierto de polvo con saponinas)

Desempolvado del Grano

Escarificado

Envasado del Grano (grano de quinua desaponificada)

Polvo grueso Polvo fino

Muestra %

Saponinas

mg Saponina

/ g Quinua

Quinua entera 0,393 3,93

Quinua

escarificada

0,121 1,21

Q. escarificada desempolvada

0,069 0,69 VII Congreso Mundial de Quinua 2019 3

En el diseño del último prototipo, se incluyó la

alimentación y la separación de

fracciones luego de la escarificación.

Se realiza además la separación de polvo

concentrado en saponinas.

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 4

ESPECIFICACIONES TECNICAS:

Capacidad de escarificado 25 Kg / Hora

Capacidad de separación 3 granulometrías más el

polvo

Capacidad de tolva 20 Kg.

Dosificación de alimentación Caudal calibrado

Separación granulométrica Zaranda vibratoria

Transmisión Poleas en V/Correas “A”

Motor 1 HP a 1500 RPM

Potencia 750 Watt

Dimensiones L x F x H 900 x 600 x 1200 (mm)

Peso 50 Kg

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 5

Quinua Real Entera

Quinua Real Escarificada VII Congreso Mundial de Quinua 2019 6

Se pueden remover saponinas, removiendo el episperma de los granos por el proceso de escarificado y la efectividad de la desaponificación está influenciada por la variedad de quinua, como demostramos en trabajos anteriores, en granos de quinua CICA, REAL y BAER, provenientes de Salta y de Jujuy.

Consiste en un plato recolector (de una cascada de tamices) de 20 cm de diámetro, recubierto el interior, con papel abrasivo (lija fina para madera).

Para escarificar las muestras, estas se colocaron dentro del plato forrado, 50 gr de quinua y sobre los granos, para ejercer presión y lograr un mejor efecto abrasivo, un disco de madera de 15,5 cm de diámetro y 160,00 gr de peso, también forrado con papel lija. Se puso en funcionamiento el equipo de movimientos vibratorios durante 40 minutos. VII Congreso Mundial de Quinua 2019 7

GRANOS ENTEROS Y ESCARIFICADOS DE QUINUAS

Granos Quinua

Enteros (%)

Escarificados (%)

+ ++ +++

REAL 100 5,8 0,0 94,2

CICA 100 47,3 15,5 37,2

BAER 100 34,7 34,7 30,6

GRADO DE ESCARIFICACIÓN EN GRANOS

+ : escarificado escaso o nulo, ++ : escarificado mediano, +++ : escarificado total VII Congreso Mundial de Quinua 2019 8

Quinua

Saponinas Grano Entero (%)

Saponinas Grano

Escarificado (%)

Extracción de Saponinas

(%)

REAL

0,82 0,05 93,90

CICA

0,75 0,31 58,66

BAER

0,57 0,31 45,61

La mayor extracción de saponinas por escarificado la presenta la quinua Real.

CONTENIDOS DE SAPONINAS EN GRANOS

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 9

En un trabajo de correlación entre umbrales sensoriales de amargor y contenidos de saponinas y sapogeninas en quinoa (Chenopodium quinoa Wild) determinados por HPLC, vimos que variación de un tipo de saponina produjo cambios en la percepción temporal del estímulo y que la percepción del gusto amargo ocurrió antes que la diferenciación química en extracto secado por spray.

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 10

DETERMINACIÓN DE SAPONINAS Se realizó la determinación de saponinas por el método de la espuma y por espectrofotometría.

% Saponinas

Espuma Espectrofotometría UV-VIS

13,2 26,6

El método espectrofotométrico es más exacto que el de espuma. La diferencia entre los porcentajes obtenidos es notable.

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 11

…. y ahora estamos desarrollando tecnología para dar valor agregado al residuo de escarificación, que es un polvo rico en saponinas. Durante el procesamiento de desaponificación o desamargado de la quinoa, por escarificación del grano, se produce alrededor de un 3% de polvo del escarificado, el cual contiene alrededor de un 22% de saponinas. Las saponinas en polvo obtenidas, a nivel laboratorio, corresponden a un producto destinado principalmente a la industria de insecticidas y detergentes, con un grado de concentración mínima de saponinas del 85%, es decir un grado comercial no farmacéutico.

Porcentaje de saponinas: 85-90%. Altura de la espuma: 160-190 mm. pH: 5-6,5. Solubilidad: fácilmente soluble en agua. Tensión superficial: 32,86 mN/m. Presentación: paquetes embalados en bolsas

de 5.0 kg. Almacenamiento: mantener en lugar fresco y

seco. VII Congreso Mundial de Quinua 2019 12

OBJETIVO:

Desarrollar una tecnología adecuada para la extracción de saponinas a partir del escarificado de quinua, a pequeña escala, para lo cual se propone un proceso, basado en cuatro etapas principales

PROCESO DE OBTENCIÓN DE SAPONINAS

Se proyecta una planta de producción con la capacidad de procesar 72 Tn anuales de polvo de escarificado de quinua.

La planta trabajará en forma discontinua, 6 meses al año, 8 horas diarias de lunes a viernes. VII Congreso Mundial de Quinua 2019 13

Los principales equipos a usarse en el proceso de obtención de saponinas provenientes del escarificado de quinua son: Silo depósito de

materia prima Tanque agitado

discontinuo para maceración

Tanque Auxiliar Filtros centrífugo Tanque de solución

diluida de saponinas Evaporador Secador spray Ciclón Silo de producto final Envasadora de

producto final Depósito de producto

final envasado VII Congreso Mundial de Quinua 2019 14

Descripción de las Corrientes 1] Ingreso de escarificado de quinua a temperatura ambiente, se almacena en silos. 2] Ingreso de escarificado al tanque de maceración, que tiene agitación. 3] Salida de pulpa proveniente de la maceración del escarificado con agua, luego del tiempo correspondiente de contacto. 4] Salida de pulpa del tanque auxiliar. 5] Salida de solución diluida de saponinas, libre de sólidos insolubles. 6] Salida de solución diluida de saponinas desde el tanque de acopio, hacia el evaporador. 7] Salida de solución concentrada de Saponinas por el fondo del evaporador, con destino al secador spray. 8] Salida de polvo de saponinas seco hacia el silo de producto final. 9] Entrada de polvo de saponinas recuperado en el ciclón. 10] Entrada de producto final a envasadora. 11] Salida de producto final envasado a depósito de producto final. 12] Despacho de producto final 13] Entrada de fluido extractante, agua a T°C. 14] Salida de sólidos insolubles. 15] Entrada de vapor vivo de calefacción a T°C y P bar. 16] Salida de vapor de calefacción a T°C y P bar. 17] Salida de vapores del fluido de extracción a T°C y Pbar. 18] Entrada de aire seco al secador spray, a T°C y Pbar. 19] Salida de vapor húmedo que arrastra polvo fino de saponinas del secador spray al ciclón. 20] Salida de aire húmedo libre de saponinas del ciclón.

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 15

PROCESO DE OBTENCIÓN DE SAPONINAS Se proyecta una planta de producción con la capacidad de procesar 72 Tn anuales de polvo de escarificado de quinua. La planta trabajará en forma discontinua, 6 meses al año, 8 horas diarias de lunes a viernes.

16

Para realizar las operaciones del proceso se dimensionaron los equipos para su adquisición y otro tal como el tanque agitado, se dimensionó y diseñó para su construcción con tecnología apropiada, en el ámbito del NOA.

TANQUE AGITADO DISCONTINUO TAD

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 17

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 18

FILTRO CENTRÍFUGO Se realizó la selección de un Filtro Centrifugo (FC) debido a que presenta una serie de características ventajosas frente a los filtros convencionales que emplean la fuerza de gravedad. Los FC utilizan la fuerza centrífuga para llevar a cabo la separación, por lo cual la operación resulta más rápida y el equipo requiere menos espacio.

CENTRIFUGA DE BOLSA FILTRANTE

Modelo LSD-800 Diámetro del tambor 800 mm Altura del tambor 400 mm Volumen del tambor 90 L Capacidad de carga 120 kg Velocidad máxima 1500 rpm Factor de separación máx.

1007

Potencia 7,5 Kw Peso 2100 kg

Se debe contar con un equipo filtrante cuya capacidad se encuentre entre los 80 y 150 kg/hr, de manera de contar con un porcentaje de seguridad de trabajo y además la posibilidad de aumento de producción futura. VII Congreso Mundial de Quinua 2019 19

EVAPORADOR Este equipo se emplea para concentrar la solución de saponinas logrando una reducción de su volumen, obteniendo una solución concentrada que alimentará posteriormente al secador spray o el horno de bandejas.

La solución acuosa de saponinas se caracteriza por una elevada formación de espuma. Por lo tanto, aparte de las consideraciones de transferencia de calor, la selección del tipo de evaporador más apropiado se basa en las características del material alimentado.

El equipo seleccionado es un Evaporador Vertical de Tubos Largos (EV) de película ascendente, el cual consiste básicamente en un intercambiador de calor de carcaza y tubo vertical de paso simple que se descarga en un cabezal de vapor relativamente pequeño.

El cálculo del área de transferencia se realizó a partir del balance de materia y energía en el evaporador. El valor del área obtenido es: 931kg/h

Los evaporadores de tubo vertical típicos poseen tubos de 3 a 12m de longitud y de 23 a 50 mm de diámetro. Para que sean considerados de tubos largos, la relación longitud/diámetro de los tubos debe ser: L/D > 125. Entonces, limitando la altura de los tubos a 3m y considerando un diametro de 24mm, el numero de tubos debería ser 9.

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 20

EVAPORADOR

El material de alimentación entra por el fondo del tubo, comienza a hervir conforme asciende y la mezcla líquido-vapor sale por la parte superior, con alta velocidad choca contra un deflector situado a la salida de los tubos. Este deflector es eficiente como separador primario y como divisor de espuma.

Entre las ventajas de este equipo, podemos mencionar:

Bajo Costo en comparación con otros tipos de evaporadores.

Superficie de calentamiento amplia en un cuerpo.

Necesidad de poco espacio de terreno. VII Congreso Mundial de Quinua 2019 21

En un principio se planteó la compra de un equipo de secado spray, que para un caudal de 19 kg/hr de agua evaporada, la inversión estimada era de U$S 97.000. Al ser un equipo costoso, se buscó una opción alternativa, lo que se planteó fue el uso de otros secadores, cuya inversión es más económica y su operación también (aunque requiera de mano de obra para las rotaciones de bandejas y la recuperación del producto).

Solución diluida de

saponinas

Solución concentrada de

saponinas en horno de

cocina.

Lamina de saponinas secas

.

Solución de saponinas

Secado de solución de

saponinas con caloventor

Secados en hornos de cocina

a la izquierda y al sol directo

en días secos a la derecha.

SECADO

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 22

Diferentes tipos de secaderos utilizan diferentes fuentes de energía como alimentación. El horno de secado propuesto se alimenta solamente de energía eléctrica.

HORNO DE SECADO ELECTRICO

Modelo JK03RD

Potencia 5,8 KW

Temp. Max. 75 ºC

Deshumidifcación 16 L/h

Capacidad de Secado 300 kg/lote

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 23

ENVASADORA

El producto final será envasado para su almacenamiento y posterior comercialización en bolsas de plástico de 5kg que luego serán ubicadas en el depósito correspondiente.

Dado que en general los equipos de envasado vienen estandarizados, no se realizó el diseño del mismo, por lo tanto se llevó a cabo la selección de la empaquetadora teniendo en cuenta el tipo de material a envasar y los requerimientos de producción y de comercialización.

El equipo seleccionado es una empaquetadora para sólidos pulverulentos. La máquina llenadora y envasadora semi-automática adopta los requisitos del estándar GMP, puede realizar el pesaje y dosificación automáticamente.

Estas máquinas cuentan con una balanza de alta precisión y están diseñadas para que su alimentación sea sencilla por vibración, permitiendo así que la estructura del equipo sea simple. VII Congreso Mundial de Quinua 2019 24

ENVASADORA AUTOMATICA

Modelo NT-G1

Potencia 0,5 kW

Voltaje 220V

Peso 46 kg

Volumen de llenado

5-5000 g

Velocidad de llenado

25/50 bolsas/min

Precisión de llenado

1%

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 25

VII Congreso Mundial de Quinua 2019 26