Tesis, Resumen, Índices e Introducción (Resumen Inglés)

7/25/2019 Tesis, Resumen, Índices e Introducción (Resumen Inglés)

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Instituto Tecnológico de Veracruz

Resumen

López Márquez Fernando Alejandro. Instituto Tecnológico de Veracruz

(nero! "#$%&. 'aluación de la acti)ilidad t*cnico + económica de una l,nea

producción de tanol - Vinagre gourmet a partir de ce)olla de deseco Allium cepa L! utilizando Saccharomyces cerevisiae ITV#$ - Brettanomyces

bruxellensis I/M + %#01.

En este trabajo se realizó el estudio de la factibilidad técnico - económica de una

línea de producción de Vinagre gourmet y otra de Etanol anhidro vía fermentativa,

a partir de jugo de cebolla desecho. En una primera parte, se realizó el estudio de

mercado a través del cual se encontró ue en !é"ico e"iste un déficit de Vinagre

gourmet y el Etanol, ue tiene ue ser cubierto por importaciones de otros países,en especial de Estados #nidos. En cuanto a la cebolla, la investigación

bibliogr$fica arrojó ue cerca del %& de la producción nacional no se comercializa

o se vende a precios mal baratos debido por no cumplir con los criterios de calidad

para la comercialización o e"portación. En una segunda parte se realizaron

estudios a nivel laboratorio donde se encontró ue el mejor tiempo de

esterilización del jugo de cebolla fue de '( minutos, alcanz$ndose una

concentración de Etanol de )'.*+ g y una productividad de ' gh con S.

cerevisiae. or otra parte, B. bruxellensis presentó una productividad y

concentración de $cido acético de (.+/ gh y '/ g, respectivamente bajo

condiciones de semiaerobiosis. os rendimientos obtenidos de $cido acético con

esta 0ltima cepa fueron muy bajos en comparación con los reportados en la

literatura, debido a ue no se realizaron estudios con aireación controlada.

1dem$s, se encontró ue el jugo de cebolla no necesita de adición de nutrientes

para el crecimiento de las levaduras. 2inalmente en el estudio técnico y económico

se encontró ue ambos procesos no son económicamente rentables, debido a ue

los costos de producción son superiores al valor actual de los productos en el

mercado.

1




A)stract.

López Márquez Fernando Alejandro. Instituto Tecnológico de Veracruz

(nero! "#$%&. Tecno + economic e'aluation o a production line o tanol

and gourmet Vinegar rom 2aste onion Allium cepa L. using Saccharomyces

cerevisiae ITV#$ and Brettanomyces bruxellensis I/M + %#01.

3echno 4 economic analysis of Vinegar and anhydrous Ethanol production lines by

fermentation from 5aste onion juice 5ere performed. 2irstly, mar6et study reveal a

national deficit of gourmet Vinegar and Ethanol that has to be met by imports,

especially from the #nited 7tates. 8egarding onion production, almost %& of the

national production that fail uality standards for commercialization and e"portation

is disposed as 5aste product or sold at lo5er prices at local mar6ets. 7econdly,

e"perimental development 5ith S. cerevisiae 93V(/ sho5ed that the best time for

sterilizing onion juice 5as '( minutes, achieving an Ethanol concentration and

productivity of )'.*+ g and ' gh respectively. :n the other hand, under semi-

aerobiosis conditions B. bruxellensis 9;E! 4 <()= produced a ma"imum acetic

acid concentration of ' g, 5ith a productivity of (.+/ gh. o5 product yield 5ere

achieved in comparison 5ith other studies. >esides, no additional nutrient has to

be supplied to onion juice for yeasts to gro5. 2inally, techno-economics analysis

sho5ed that both production lines are not economically feasible, because

production costs 5ere higher that current values on the mar6et.

2




ÍNDICE

3ágina

Resumen 9

Lista de Ta)las V99

Lista de Figuras ? I4TR56788I94 ?99 $. Marco Teórico /

/./ @cido acético y VinagreA generalidades y obtención / /.'. EtanolA Beneralidades y :btención =

/.). Cebolla, Allium cepa /)

/.)./. >iologíaA ta"onomía y descripción /)

/.).'. Composición uímica /D

/.).). roducción de cebolla /%

/.D. 3rabajos realizados en la producción de Etanol y Vinagre apartir de jugo de cebolla /+

/.%. Beneralidades sobre las levaduras Saccharomyces cerevisiaey Brettanomyces bruxellensis '%

/.%./. Saccharomyces cerevisiae '<

/.%.'. Brettanomyces bruxellensis )/

/.<. 3rabajos realizados sobre Brettanomyces bruxellensis ))

". nunciado de dise:o! justiicación! - o)jeti'os D/

'./ Enunciado de diseo D/

'.' Fustificación D/

'.) :bjetivos D'

3




0. Metodolog,a para el desarrollo e;perimental D)

)./ !aterial biológico y medios de cultivo D)

)././. !icroorganismos D) )./.'. !edios de cultivo D)

).'. Estrategia e"perimental D%

).). !étodos analíticos D<

).)./ 1n$lisis de biomasa D<

).).' Geterminación de glucosa fructosa, etanol y $cido acéticopor Cromatografía íuida de 1lta 8esolución HC18I D*

).D 8endimientos y roductividades D*

<. studio de mercado %/

D./. Gefinición de productos %/

D.'. Gisponibilidad de la materia prima y selección de la planta endonde se instalar$ la línea de producción %'

D.). 1n$lisis de la Gemanda y :ferta del Vinagre %D

D.D. 1n$lisis de recios del Vinagre %*

D.%. 1n$lisis de mercado de Etanol %+ =. Resultados e;perimentales =(

%./. Efecto térmico en el jugo de cebolla sobre el crecimiento de S.cerevisiae 93V(/ =(

%.'. Efecto de los nutrientes en S. cerevisiae 93V(/ =)

%.). Efecto térmico en el jugo de cebolla cobre el crecimiento de B.bruxellensis 9;E!-<()= =<

%.D. Efecto de los nutrientes en B. bruxellensis 9;E!-<()= =+

%.%. Efecto de la aireación en B. bruxellensis 9;E!-<()= *(

%.<. Conclusiones *'

4




%. studio t*cnico *D

<./. Establecimiento de la base de producción. *D

<.'. Gescripción del proceso *= <.). C$lculo del euipo de la línea de producción de Vinagre +'

<.)./. 1lmacenamiento de cebolla +'

<.).'. avado de cebolla +*

<.).). rensa de tornillo /((

<.).D. Gimensionamiento y escalamiento de los >iorreactores /(/

<.).%. >alance de masa en los >iorreactores /(*

<.).<. >alance de energía en el >iorreactor principal H>8)I //(

<.).=. C$lculo del $rea de enfriamiento ///

<.).*. Esterilización //D

<.).+. 2iltración //+

<.)./(. Evaporador /''

<.D. ínea de producción de Etanol anhidro /'D

<.D./. avado /'D

<.D.'. rensa de tornillo /'%

<.D.). Gimensionamiento y escalamiento de los >iorreactores /'<

<.D.D. >alance de masa de los >iorreactores /'*

<.D.%. >alance de energía en el >iorreactor principal H>8)EI /)(

<.D.<. C$lculo del $rea para enfriamiento /)/

<.D.=. Esterilización /)/

<.D.*. Columna de absorción /))

<.D.+. 2iltración /)=

5




<.D./(. Gestilación /)*

<.D./(./. Columna de agotamiento 9 /)*

<.D./(.'. Columna de agotamiento 99 /D)

<.D./(.). Columna de rectificación /D%

<.D./(. Gimensionamiento de las columnas de destilación /%(

<.D.//. Columna de adsorción /%%

<.%. :rganización de la línea de producción /%*

<.<. ocalización de la línea de producción /</

<.<./. !acrolocalización /</ <.<.'. !icrolocalización /<D

1. Aspectos am)ientales - sanitarios /<=

>. studio económico /=(

*./. Geterminación de los costos totales de producción de la líneade Vinagre /=(

*.'. Geterminación de los costos de producción de la línea deEtanol anhidro /==

8onclusiones/*D

?i)liogra,a/*<

Lista de Tablas

6




Ta)la3ágina

7




/./ ropiedades físicouímicas del $cido acético /

/.' #sos del $cido acético '

/.) Giferentes tipos de Vinagres y su procedencia )

/.D ropiedades fisicouímicas del Etanol =

/.% rocesos de obtención de Etanol a partir de síntesis uímica +

/.< 3a"onomía y variedades de cebolla. /)

/.= Composición uímica de la cebolla H Allium cepa I. /%

/.* rincipales productores de cebolla en el mundo. /%

/.+ rincipales productos agrícolas y ganaderos en !é"ico. /</./( roducción de cebolla a nivel nacional. /=

)./ Composición del medio de conservación. D)

).' Composición del medio sintético DD

).) Estrategia e"perimental para evaluar el efecto de los nutrientes. D%

D./ Gistancia H6mI entre los municipios productores de cebolla, y los

ingenios. %)D.' royecciones de la Gemanda de Vinagre al '(/= %%

D.) 1lgunas comercializadoras de Vinagre en !é"ico %<

D.D recios y procedencia de algunos Vinagres %=

D.% Valor de las importaciones de Vinagre durante los 0ltimos aos %*

D.< Valor de las e"portaciones de Vinagre durante los 0ltimos aos %+

D.= Estados con ingenios y alcohol producido en zafra '(/)'(/D </

D.* Cantidad de Etanol, az0car producida, caa procesada y petróleoconsumido <'

D.+ royecciones de la Gemanda de Etanol al '(/+ <D

D./( roducción de Etanol en el Estado de 3amaulipas en los 0ltimos

8




aos <D

D.// 1lgunas alcoholeras en !é"ico <%

D./' recios de Etanol en distintas alcoholeras <=

D./) Valor de las importaciones de Etanol <=

D./D recio de las e"portaciones de Etanol <*

%./ ar$metros cinéticos y esteuiométricos de S. cerevisiae 93V(/ en jugo de cebolla tratado a diferentes tiempos de esterilización ='

%.' ar$metros cinéticos y esteuiométricos de S. cerevisiae 93V(/ en jugo de cebolla adicionado con nutrientes =%

%.) ar$metros cinéticos y esteuiométricos de B. bruxellensis 9;E!-<()= en jugo de cebolla tratado a diferentes tiempos de esterilización =*

%.D ar$metros cinéticos y esteuiométrico de B. bruxellensis 9;E!-<()= en jugo de cebolla adicionado con nutrientes =+

<./ Gimensiones de los >iorreactores de la línea de Vinagre /(/

<.' Gimensiones de los >iorreactores de la línea de Etanol /'<

<./. rincipales productos agrícolas de 3amaulipas /<)

*./ !ateria prima e insumos de la línea de Vinagre /=(

*.'. Costos de energía de la línea de producción de Vinagre /=/

*.) ropiedades del agua de servicios y del diésel de calderas /=/

*.D Costos de combustible en la generación de vapor de la línea deVinagre /=)

*.% Basto en agua de la línea de Vinagre /=)

*.< Costos de mano de obra directa de la línea de producción de Vinagre /=D

*.= Costos de mano de obra indirecta de la línea de producción deVinagre

/=D

*.* Costos de producción de la línea de Vinagre /=%

9




*.+ Costos de administración de la línea de Vinagre /=<

*./( Costos de ventas de la línea de Vinagre /=<

*.// Costos totales asociados a la producción de la línea de Vinagre /==

*./' Costos de materias primas e insumos de la línea de Etanol anhidro /=*

*./) Basto del diésel en el transporte de cebolla /=*

*./D Costos de energía de la línea de Etanol anhidro /=D

*./% Costos en la generación de vapor de la línea de Etanol anhidro /=+

*./< Basto agua de la línea de Etanol anhidro /*(

*./= Costos de mano de obra directo de la línea de producción de Etanolanhidro /*(

*./* Costos de mano de obra indirecta de la línea de producción deEtanol anhidro

/*/

*./+ Costos de producción de la línea de Etanol anhidro /*/

*.'( Costos de administración de la línea de Etanol anhidro /*'

*.'/ Costos de ventas de la línea de Etanol anhidro /*'

*.'' Costos totales asociados a la línea de producción de Etanol anhidro /*)

*./= Costos de mano de obra directo de la línea de producción de Etanolanhidro /*(

*./* Costos de mano de obra indirecta de la línea de producción deEtanol anhidro

/*/

Lista de i!uras

10




Figura 3ágina

/./ 8eacciones enzim$ticas involucradas en la formación de $cidoacético a partir de Etanol %

/.' Esuema general en la producción de Vinagre </.) Giagrama del proceso de obtención de Etanol anhidro a partir decaa de az0car //

/.D >ulbo de cebolla /D

/.% Blucólisis y los principales destinos del piruvato en S. cerevisiae '*

D./ Volumen de las 9mportaciones y E"portaciones de Vinagre %D

D.' roducción nacional de Etanol <(D.) 9mportaciones, e"portaciones y producción nacional de Etanol <)

D.D Gemanda de Etanol en los 0ltimos % aos <)

%./ Consumo de az0cares totales por S. cerevisiae 93V(/ en jugo decebolla tratado a diferentes tiempos esterilización =(

%.' roducción de Etanol HaI y biomasa HbI por S. cerevisiae 93V(/ en jugo de cebolla tratado a diferentes tiempos de esterilización =/

%.). Consumo de az0cares HaI, producción de biomasa HbI, y Etanol HcIpor S. cerevisiae 93V(/ en jugo de cebolla adicionado con diferentesnutrientes =D

%.D. Consumo de az0cares HaI, producción de biomasa HbI, y Etanol HcIpor B. bruxellensis 9;E!-<()= a diferentes tiempos de esterilización. =<

%.%. roducción de Etanol HaI, biomasa HbI y $cido acético HcI por B.bruxellensis 9;E!-<()= en jugo de cebolla en condiciones desemiaerobiosis */

<./ Giagrama de la línea de producción de Vinagre a partir de cebolla +/

<.'. Giagrama de la línea de Etanol anhidro a partir de cebolla +/

<.). Vista aérea del almacén H1I y vista frontal H>I +)

<.D. Giagrama general del >iorreactor /('/D%

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<.%. Curvas de euilibrio para el sistema Etanol 4 agua a /(/ 6a

<.<. Giagrama !cCabe 4 3hiele para la destilación de Etanol hasta unaconcentración de *%& mol /D=

<.= Giagrama !cCabe 4 3hiele para la destilación de Etanolconsiderando eficiencia /D*

<.* :rganigrama de las líneas de producción /</

I4TR56788I94

En !é"ico e"iste una gran demanda de Vinagre gourmet y Etanol ue tiene ser

suplida por importaciones provenientes de países como Estados #nidos y >rasil

H93C, '(/%I. as importaciones de Vinagre ascendieron en '(/D a cerca de ).<

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millones de . os Vinagres producidos a nivel nacional son elaborados de alcohol

de caa, lo cual los hace de bajo valor nutrimental HBarcía, et al ., '((+I, por lo ue

no son considerados de tipo Bourmet.

En cuanto a la producción nacional de Etanol, esta ha ido disminuyendo en las0ltimas tres décadas. or ejemplo, en /+** se llegaron a producir =( millones de

, mientras ue en la zafra '((+ sólo se produjeron un total de // millones de

HCE2, '(('J #KC, '(/(I.

#na de las tareas tecnológicas actuales a nivel mundial es encontrar materias

primas alternas para suplir la demanda de productos cotidianos. Gesechos de

frutas y hortalizas ue no logran comercializarse por no cumplir est$ndares de

calidad han sido empleados para este objetivo. En Fapón y Espaa se hanrealizado estudios para emplear cebolla desechada o malbaratada en mercados

locales para la producción de Vinagre y Etanol H;oriuchi, et al ., /+++, Bonz$lez, et

al ., '((=I. En !é"ico cerca del %& de la cebolla nacional ue no cumple los

est$ndares de calidad tiene un destino similar H9K921, '(/(I, por lo ue su

utilización es de interés desde el punto de vista tecnológico, económico y social.

En este proyecto se planteó la utilización del jugo de cebolla desechada para la

obtención de Vinagre gourmet y Etanol anhidro, empleando dos levaduras

Brettanomyces bruxellensis 9;E! - <()= y Saccharomyces cerevisiae 93V(/,

respectivamente.

Cabe puntualizar ue el Vinagre es producido tradicionalmente por bacterias del

género Acetobacter ( Barcía, et al., '((+I, proceso ue reuiere de una doble

fermentación. 7e planteó en este proyecto la utilización de B. bruxellensis debido a

ue esta levadura tiene la capacidad de producir $cido acético Hcomponente

principal del VinagreI directamente de az0cares fermentables sin la necesidad de

una fermentación alcohólica previa H2reer, '(('I.

or consiguiente las cuestiones a responder fueron las siguientesA

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• LEs técnica y económicamente posible producir Etanol utilizando una

cepa de Saccharomyces cerevisiae 93V(/ a partir del jugo de

cebollaM

• LEs técnica y económicamente posible producir $cido acéticoHmolécula principal del vinagreI utilizando la levadura Brettanomyces

bruxellensis 9;E! - <()=M

ara darles respuesta a estas interrogantes fue necesario un desarrollo

e"perimental.

Como en todo proyecto ingenieril, se busca, a partir de los datos obtenidos en el

laboratorio, escalar un proceso con el objetivo de producir mayores cantidades delproducto deseado. or tal motivo, la razón principal de este royecto de

>ioingeniería, ha sido el diseo de las líneas de producción Hc$lculo y selección de

los procesos y algunos euiposI partiendo previamente de los balances de materia

y energía correspondientes a cada uno.

Blobalmente estas cuestiones fueron las ue impulsaron, delimitaron y definieron

este proyecto.

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