Estudio experimental para el diseño de una planta industrial para la producción de pectinas a partir de mango y naranja (2017)
RESUMEN: El objetivo del proyecto fue determinar el efecto de los parámetros de extracción de pectina de la naranja valencia (Citrus sinensis Osbeck) y mango Vallenato (Mangifera indica) que se producen en el Departamento del Cesar, para obtener la mayor cantidad y calidad de pectina mediante el diseño de una planta industrial. En el capítulo 1, se presenta el estudio realizado en cuatro lotes con mango vallenato (La Mina, La Estancia) y naranja valencia (Los Deseos y Nueva Esperanza) para describir horizontes y propiedades diagnósticas y en el capítulo 2, se presentan las características de los frutos a diferentes estados de madurez, encontrándose que presentan condiciones agrológicas y ambientales requeridas para el cultivo de naranja a escala industrial con deficiencias nutricionales y los frutos se puede cosechar a partir de estado de madurez dos (NTC 4086), cumpliendo estándares de calidad de la industria. En el capítulo 3, se evaluó el efecto del solvente, potencia, tiempo de exposición al microondas, en el rendimiento y composición del aceite esencial, encontrándose un rendimiento ligeramente superior agregando agua adicional, (limoneno determinado por CG-MS entre 90,5 y 97,9%). Sin solvente, la cáscara se carboniza con potencia superior a 600 W. El aceite esencial de naranja decrece con estado de madurez. El contenido de aceite esencial en cáscaras de mango fue menor al 0,1%. En el capítulo 4, se presenta la optimización del rendimiento de pectinas por calentamiento convencional (CH) y por microondas (MH) de cáscaras en agua acidulada con tres ácidos a diferentes pH (relación 1:10), agitación e inactivación de enzimas a tiempos diferentes. Se utilizó diseño de superficie de respuesta de Box-Behnken con factores y niveles. Se realizó la comparación estructural determinando la composición de uniones glicosiladas por GC/MS y la distribución de peso molecular por HPSEC. Para naranja, la hidrólisis de los grupos metilester es menor con CH y la β- eliminación es menor con MH, siendo la región principal la homogalacturona. La pectina extraída con MH, es de mayor peso molecular, pero menor grado de esterificación y azúcares neutros que la pectina extraída por CH. Para mango, el ácido galacturónico es muy bajo para CH y MH, indicando fuerte ruptura de la región suave y la relativa alta proporción de arabinosa, galactosa y glucosa comparado con ácido galacturónico sugiere la presencia de alta ramificación de polisacáridos pécticos y la ruptura de enlaces galacturónico. La hidrólisis es menor con CH y la β-eliminación con MH. En el capítulo 5, se presenta la cinética de extracción y de degradación de pectinas, utilizando un reactor por lotes a las condiciones determinadas en el capítulo 3, obteniendo parámetros adicionales a los obtenidos por otros autores de dos constantes cinéticas de producción y de degradación (kp (s1) y kd (s-1)) tales como el coeficiente de transferencia de masa km (ms1) y la difusividad de la fase líquida Dpf (m2s1). El modelo fenomenológico permitió describir el sistema, resuelto por el método Laticce Boltzman y un simulador desarrollado en la Universidad de Sao Paulo (Brasil). La simulación sugirió que la velocidad de degradación depende principalmente de la temperatura (para el mismo pH) mientras que el mecanismo de calentamiento influye en la cinética de extracción. En el capítulo 6 se muestra el comportamiento reológico de pectinas a diferentes concentraciones variando °Brix, pH y temperatura en la viscosidad leída en reómetro. Con base en los resultados reológicos se produjo yogurt bajo en grasa con tres concentraciones (0,15, 0,3 y 0,45 %) de pectina comercial y experimental con prueba del producto cada 7 días, donde la pectina experimental presentó resultados similares a la pectina comercial, siendo el porcentaje ideal 0,3% para una vida útil de 21 días con aceptación del 90% en catadores espontáneos. La pectina experimental se utilizó en la elaboración de una bebida (refresco de mora) (NTC 5514), evaluando sabor, aceptación y viscosidad de dos bebidas preparadas con la misma concentración de pectina, siendo el refresco más viscoso y preferido el obtenido con pectina de naranja, dando buena estabilidad para fibras y células en suspensión, elevada viscosidad, buena palatabilidad y buena conservación de aromas originales. Se utilizó la pectina de naranja experimental como matriz para producir película biodegradable por técnica de Casting con glicerol, encontrando que la película con pectina experimental presenta un espesor adecuado, menor brillo y luminosidad, mayor retención de humedad y solubilidad, pero mejores propiedades estructurales y emulsificantes, brindándo alta estabilidad; disminuye la tensión a la ruptura y el modulo elástico y aumenta la elongación. En el capítulo 7 se presenta la simulación de la planta en Aspen Plus según reacción de hidrólisis, definiendo la pectina y protopectina por el método de contribución de grupos, evaluación de las necesidades energéticas para enfriamiento y calentamiento en proceso semicontinuo con tanques auxiliares y una torre de destilación para recuperar 91,24% del alcohol. Se establecieron costos de equipos, consumos energéticos y costos directos e indirectos para 2768 kg/mes de pectina con ingresos 17,8% mayor que los egresos.