PROCESO DE EXTRACCION DE COMPONENTES NUTRICIONALES; SUPLEMENTO ALIMENTICIO.

MEMORIA DESCRIPTIVA

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se relaciona con el desarrollo de un proceso de extracción de componentes nutricionales, que provienen del prensado en la fabricación de harina de crustáceos con el fin de obtener un concentrado para alimentación acuícola rico en proteínas, ácidos grasos y carotenos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Varios estudios han demostrado que los residuos de cáscaras de camarón tienen un potencial de ser usados como materia prima en la producción de productos con valor agregado, donde componentes como: las proteínas, aminoácidos esenciales, el quitosano, astaxantina y el carbonato de calcio, han sido reconocidos como responsables de las propiedades benéficas de las cascaras de camarón.

Las proteínas de cáscaras de camarón han sido identificadas como una fuente con un gran potencial de bioactividades, incluyendo actividad antioxidante, antimicrobiana y antihipertensiva (Yuan et al., 2019). Mientras que los aminoácidos esenciales que poseen las cáscaras de camarones tienen aplicaciones en farmacia, salud humana, nutrición animal e industrias cosméticas.

La quitina y el quitosano destacan por sus propiedades favorables tales como biocompatibilidad, no toxicidad y biodegradabilidad, por lo cual puede ser usado en una variedad de aplicaciones biomédicas y farmacéuticas, incluyendo antibacterial, antitumoral y antioxidante. (Resmi et al., 2020).

La astaxantina es un potente antioxidante incluso mayor que el ácido ascórbico, tocoferol y los Bcarotenos, y es usada en la acuicultura y las industrias cosméticas y farmacéuticas por sus múltiples propiedades; incluyendo el efecto anti-aging, la salud ocular, hígado, sistema cardiovascular y efecto anti neurodegenerativo. Finalmente, en cuanto al carbonato de calcio de cáscaras de camarón tiene aplicaciones en agricultura e industrias farmacéuticas (Deng et al., 2020).

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere al desarrollo de un proceso de extracción de componentes nutricionales, que provienen del prensado en la fabricación de harina de crustáceos; obteniendo un concentrado para alimentación acuícola rico en proteínas, ácidos grasos y carotenos.

Los objetivos específicos son:

1. Diseñar y evaluar metodología de extracción y decantación a con mejoras basadas en pruebas metodológicas a escala laboratorio.

2. Evaluar la operación del proceso de extracción.

3. Evaluar la factibilidad de implementar un proceso de extracción a escala industrial. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1 . Diagrama de flujo planta de harina de crustáceo

Figura 2. Balance de materia general (Langostino) para producción de harina de crustáceo

Figura 3. Balance de materia general (Camarón) para producción de harina de crustáceo

Figura 4. Balance de materia al sistema de lavado de gases

Figura 5. Variación del caudal en el tiempo para el RIL 2 (Langostino).

Figura 6. Variación del pH en el tiempo para el RIL 2 (Langostino)

Figura 7. Variación de la temperatura en el tiempo para el RIL 2 (Langostino).

Figura 8. Variación del caudal en el tiempo para el RIL 2 (Camarón).

Figura 9. Variación del pH en el tiempo para el RIL 2 (Camarón).

Figura 10. Variación de la temperatura en el tiempo para el RIL 2 (Camarón).

Figura 1 1 . Disposición de bins utilizados en planta de harina de crustáceo

Figura 12. Planta de harina de crustáceo (Tablero de control y zona de ensacado)

Figura 13. Planta de harina de crustáceo (Zona de carga tolva receptora)

Figura 14. Tolva receptora con materia prima (Cascarilla de Langostino).

Figura 15. Entrada de la materia prima a la prensa (En azul)

Figura 16. Prensado de la materia prima (Cascara de Langostino)

Figura 17. Salida de la prensa y segunda tolva

Figura 18. Segunda tolva de recepción de torta de prensado. Figura 19. Quemador (en azul y gris) y Ciclón 1 (en verde)

Figura 20. Molino de martillos (debajo de ciclón 1 y quemador).

Figura 21 . Medición de pH mediante tiras colohmétricas

Figura 22. Medición de temperatura mediante termómetro de mercurio

Figura 23. Materia prima para la fabricación de harina de crustáceos.

Figura 24. Filtro de Marcos y platos en planta.

Figura 25. Esquema del proceso de secado por bandejas

Figura 26 Secado por tambor rotatorio

Figura 27. Variación del caudal en el tiempo para el RIL 2 (Langostino)

Figura 28. Filtro de Marcos y Platos HILCO de 12"

Figura 29 Posición del filtro en la planta

Figura 30 Filtración de solidos gruesos a nivel laboratorio

Figura 31 Sistema de filtración ensayo ultrafiltración .

Figura 32 Comparación de los diversos flujos pre y post ultrafiltración

Figura 33 Diagrama de bloques del proceso.

Figura 34 Diagrama de Procesos Propuesto para la recuperación de sólido.

Figura 35 Comparación de precios (FOB) de alimento para peces del periodo 2017-2018 [USD/kg],

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

METODOLOGÍA ANALÍTICA

Para el desarrollo del trabajo se utilizaron las metodologías analíticas recomendadas por la normativa NCH 41 1/10 para descarga de aguas residuales: Tabla 1 . Metodologías analíticas para distintos parámetros.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO El objetivo comprende procesar los desechos producidos en el proceso de cocción y descolado que provienen de pesqueras. Estos desechos corresponden a exoesqueletos, intestinos, patas, antenas y cabezas, y a partir de ellos se genera una harina con alto contenido de proteínas, ácidos grasos y carotenoides naturales para alimentación de peces. Esta planta es única en su tipo dentro del país. La planta posee una superficie de 130 m ² y 6 metros de altura con el siguiente equipamiento:

• Bins isotérmicos

• Tolva de Acopio de materia prima de 10m ³

• Tomillos de arrastre • Prensa de acero inoxidable, tolva de recepción y tornillo alimentador

• Molino deshidratador Flash KY4

• Sistema de transporte neumático de harina, ciclón de enfriamiento

• Molino de martillos de granulometría y chute de ensacado

• Sistema de lavado de gases

• Bodega para 40 Ton de harina.

ELABORACIÓN DE HARINA DE CRUSTÁCEOS

El procesamiento de los residuos de camarón y langostino provenientes de pesqueras, comienzan con la acumulación de las cascarillas producidas durante el día en las dependencias de producción de camarón y langostino, además de incorporar materia prima de otros proveedores. Se almacenan las cascarillas, exoesqueletos, patas, antenas y cabezas en bins isotérmicos de 1 ,5 m ³ de capacidad, los cuales son cargados con hasta 280 Kg para langostino y 350 Kg para camarón, durante la temporada diurna que es donde se generan estos desechos. Estos son almacenados en una bodega acondicionada para mantener la cadena de frío. Una vez finalizada la producción se da comienzo a la jornada vespertina, donde la materia prima es transportada mediante una grúa horquilla hasta una tolva receptora de 10 m ³ , en la que se vacían los bins. Posteriormente, un tornillo de Arquímedes (tornillo sin fin) eleva la carga hasta la entrada de la prensa de tornillo tipo expeller.

Del proceso de prensado se obtiene una corriente líquida de color rojizo (RIL) la cual es desechada al alcantarillado, mientras que la torta del prensado llega a una segunda tolva receptora que mediante un tornillo sin fin es transportada a un molino de martillos, donde se realiza el proceso de molienda húmeda.

En la etapa siguiente, la materia ingresa a un separador ciclónico donde ocurren el secado y cocción a aproximadamente 120°C con aire proveniente de un quemador industrial que opera a 350°C. De este equipo salen dos corrientes, una gaseosa que pasa a un sistema de lavado de gases, y otra sólida en polvo (harina de crustáceo) que es llevada por un sistema de transporte neumático a un segundo ciclón, donde es enfriada. Una vez enfriada, la harina es almacenada en sacos de 25 Kg o si es necesario en maxi sacos de 500 Kg según requerimiento del cliente.

Para la determinación de los caudales se utilizó el método de volumen- tiempo mediante el uso de probeta graduada y cronómetro. El trabajo en terreno se complementó con la medición y monitoreo del consumo de agua y descarga general de la descarga de agua residual industrial.

Las actividades se desarrollaron según la siguiente secuencia:

1 . Identificación de las corrientes de entrada y salida del sistema

2. Identificación de los procesos unitarios de la planta

3. Cuantificación de los flujos del RIL proveniente del prensado

4. Cuantificación de los parámetros de pH y Temperatura en el RIL y sistema de secado

5. Toma de muestras del RIL para análisis en laboratorio

6. Caracterización del RIL

7. Balance de Masa del sistema

8. Balance de Energía del sistema 9. Determinación y caracterización de los sólidos extraídos por diferentes métodos

10. Determinación del potencial uso de los sólidos separados como potencial uso en alimentación acuícola.

En la Figura 1 se muestra el diagrama de flujos del proceso mientras que en las Figuras 2, 3 y 4 se muestran los respectivos diagramas de bloques del proceso, considerando una base de cálculo de 1 hora.

Algunos datos complementarios al balance general de materia para el caso del camarón son los que se detallan en la Tabla 2, donde M1 , M2 y M3 fueron analizados en laboratorio mientras que PF son datos recopilados en terreno.

Tabla 2. Temperaturas y humedad de diferentes puntos de muestreo y producto final.

RESULTADOS DE ANÁLISIS DE CARACTERIZACIÓN DE MUESTRAS DE. LABORATORIO

■ Perfil de temperaturas, pH y caudal

Dada las características del RIL (flujos muy variados), se procedió a determinar el caudal del RIL de interés (RIL 1 y RIL 2) tomando muestras a determinados intervalos de tiempo y luego cuantificando el volumen descargado. A cada muestreo se midió pH y Temperatura, detallados en las figuras 5, 6 y 7 para el langostino y figuras 8, 9 y 10 para el camarón.

El caudal del RIL 2 proveniente del procesamiento de la cascarilla del camarón en la etapa de prensado varía entre 200 y 1300 L/h durante las 5 horas de medición de este proceso con un promedio de caudal de 728 ± 392 L/h, con mayor variabilidad en el tiempo, sin embargo la cantidad generada durante el proceso requiere efectivamente de una revalorización efectiva ya que proviene de la primeras etapas de procesamiento y la cantidad de compuestos de interés como son las proteínas pueden encontrarse en mayor cantidad. De la misma manera el caudal de RIL 2 proveniente del procesamiento de langostinos posee una alta variabilidad debido a la poca homogeneidad de la materia prima, ya sea por su contenido de humedad, dureza, entre otras características, generan que los parámetros de operación dentro de la línea de proceso deban ser modificados constantemente, los resultados arrojados durante 30 mediciones en dos días de trabajo se encontraban en el rango entre los 70 y 720 L/h, con un promedio de 318 ± 246 L/h. (Medición 07/21 ,) Dada la variabilidad del caudal es posible considerar la acumulación de este RIL en un estanque ecualizador para su posterior procesamiento continuo hasta la obtención de un producto proteico.

GENERACIÓN DE RESIDUOS EN EL PROCESO DE LAVADO Y MANTENCIÓN

Durante la jornada vespertina se llevan a cabo los procesos de producción de harina de crustáceo, los cuales abarcan desde las 17:00 hr hasta las 07:00 hr. del día siguiente. A partir de ahí, se realizan labores de mantenimiento en la planta, principalmente limpieza, donde se utiliza agua potable para realizar el lavado de los equipos y de residuos que hayan quedado en el suelo. Si el proceso de producción finaliza antes de lo previsto debido a que se utilizaron todos los bins de materia prima, se procede a realizar el lavado de equipos. El caudal y tiempo de operación del lavado se encuentran en la Tabla 3.

Tabla 3. Lavado de tolva receptora y prensa.

ANTECEDENTES ADICIONALES DEL PROCESO

En relación con la generación de residuos es posible obtener ciertos parámetros de operación del proceso los cuales se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4. Parámetros de relevancia en la generación de residuos

Adicionalmente se deben tener en consideración las siguientes observaciones: • El caudal que se obtiene del RIL 1 (efluente de la tolva receptora) depende de la maniobra manual de remover restos acumulados en el fondo de la tolva, lo que explica su gran variación en el tiempo.

• El caudal que se obtiene del RIL 2 (post-prensado) depende de la carga que exista en el tornillo de Arquímedes (tornillo sin fin) y de las revoluciones del motor en la prensa. Una menor carga de materia prima implica menor producción de RIL y una menor revolución del motor implica menos RIL descargado por unidad de tiempo.

• Las pérdidas de RIL 2 (post-prensado) se deben a que la tolva que recibe la torta después del prensado no es cerrada, liberando en ocasiones RIL y material sólido.

• Las pérdidas de producto final en el área de ensacado dependen de la coordinación y manipulación de los sacos y su llenado.

• Los bins utilizados en la producción son ubicados cerca de la tolva con anticipación para facilitar la recarga de materia prima, lo que explica que posean una temperatura similar a la del ambiente.

PROTOCOLOS DE EXTRACCION - TECNOLOGÍAS DISPONIBLES PARA LA OBTENCIÓN DE UN PRODUCTO PROTEICO

Dada la caracterización de la muestra líquida MR2 (RIL 2), se puede confirmar la concentración de proteínas presentes en el RIL generado en el proceso de prensado de la cascarilla de camarones.

La corriente generada tiene un contenido de proteínas de un 48,6% en base seca de las cuales un 70,8% aproximadamente son solubles por lo que un proceso de separación de proteínas es adecuado para obtener un producto final de calidad.

Se considera necesario para la obtención de un producto rico en proteínas las siguientes etapas: Obtención, deshidratación, estabilización y envasado del sólido. A continuación, se presentan las tecnologías disponibles en el mercado actualmente.

MÉTODO PARA LA OBTENCIÓN O RECUPERACIÓN DEL SÓLIDO

Para la obtención del sólido que está contenido en el Ril de interés, existen numerosas metodologías disponibles. De las cuales destaca el sistema de filtración (diferentes tipos) y centrifugación, junto a la adición de coagulante.

Filtración

La filtración es un proceso físico, químico y en algunos casos biológico que se usa para separar del agua las impurezas suspendidas mediante el paso del líquido por un medio poroso. La filtración consiste en la remoción de partículas suspendidas y coloidales presentes en una solución acuosa que pasa a través de un medio poroso.

Para que el fenómeno de la filtración pueda ocurrir es necesario aplicar gradientes de presión, los cuales hacen que la mezcla a filtrar atraviese el filtro en diferentes formas de aplicación, dependiendo de las necesidades y del equipo y estas pueden ser: gravedad, vacío, presión, vacío y presión en conjunto, con gradiente de saturación o una fuerza centrífuga (Salazar, 2012).

Según el tamaño de las partículas a separar, el proceso se denomina “filtración” cuando se separan macromoléculas, mientras que cuando se separan partículas más pequeñas se usa la tecnología por membranas (microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración, osmosis inversa).

Este proceso puede realizarse en conjunto con la adición de coagulante, el cual ayudaría a sedimentar una mayor cantidad de sólidos, ya que desestabiliza las partículas coloidales que se encuentran en suspensión, favoreciendo su aglomeración.

Sistema de membranas para la separación de proteínas

Un sistema de filtración por membrana es una de las opciones para poder separar compuestos de interés en un producto líquido de forma más específica, ya que de acuerdo con el tamaño del poro que se utiliza se pueden separar diferentes compuestos.

La ultrafiltración reduce la concentración de colorantes de elevado peso molecular, el carbono orgánico total y la turbidez del agua de alimentación. Las tablas sobre el tamaño de poro de las membranas y dimensiones de los microorganismos indican que su uso puede desinfectar el producto final. Existe la posibilidad de que, por falla de membrana, puedan traspasar la membrana componentes indeseados. Esta operación se usa para separar polímeros y almidones, dispersiones coloidales de arcillas, partículas de látex, microorganismos y mezclas de proteínas de diferentes pesos moleculares. El límite del peso molecular de la membrana se define como el peso molecular de las proteínas globulares que son retenidas en un 90% por la membrana (Solís et al., 2017).

Los procesos con membranas han sido utilizados en variados sectores, en industria alimentaria, farmacéutica, tratamiento de aguas industriales, entre otros. Esta membrana tiene tamaño de poro entre 0,2 y 0,02 mm. Esta operación es empleada para la remoción de material particulado y coloidal de aguas brutas. Las filtraciones de membranas se destacan por permitir un ahorro energético, tener selectividad y por su simplicidad de operación.

Dentro de sus desventajas están sus elevados costos, tazas de flujo pequeñas, tiempo de vida útil limitado, operaciones restringidas debido al taponamiento de la membrana, además de la necesidad de realizar etapas de limpieza, y considerar que existe un flujo de rechazo de la operación de membrana que genera otro residuo de agua (Ribeiro et al., 2007).

Es importante considerar que aguas con alta concentración de materia orgánica y además presencia de bacterias puede promover a bio-ensuciamiento de las membranas, por lo que para utilización de membranas es necesario un pretratamiento de la corriente de ingreso para extender la vida útil del equipo.

Equipos de filtración

A continuación, se describen algunos tipos de filtros que podrían utilizarse:

- Filtro prensa (Filtro de marcos y placa) Está formado por un acoplamiento de varias placas, separadas entre sí por marcos y diseñadas para producir una serie de cámaras o compartimentos en los que se recogen los sólidos. Las placas y marcos se acoplan alternadamente adaptando telas de filtración sobre los dos lados de cada placa. El conjunto se mantiene acoplado, formando una unidad, por aplicación del esfuerzo mecánico de un tornillo o con ayuda de una prensa hidráulica (Haro, 2016).

- Filtro de tambor

Este filtro de funcionamiento continuo está compuesto por un tambor orientado hoñzontalmente que gira a bajas velocidades (0,1 - 3 rpm) medianamente sumergido en un estanque al que se alimenta la pulpa. Este tambor está envuelto herméticamente por el medio filtrante por el cual mediante un vacío producido en el interior de este se produce la formación del queque. El filtro además permite el lavado del queque (opcional) y limpieza de la tela. La descarga de los sólidos se puede producir por un cambio pronunciado en la dirección de la tela y fuerza de gravedad o por raspado de la tela (Brito, 2019).

- Filtro de banda

Los filtros de banda de vacío cuentan con una banda filtrante continúa soportada por dos cilindros en sus extremos, que se desplaza a velocidad variable, donde se deposita el material a filtrar, bajo la banda se dispone un sistema de bomba de vacío que extrae el agua del material, dejando un material filtrado que se descarga al final de la banda hacia una correa recolectora. En los filtros de vacío la separación sólido-líquido tiene lugar gracias a la aspiración que imprime la bomba de vacío bajo la superficie donde reposa el producto (Brito, 2019).

• Centrifugación

La centrifugación realmente no constituye una operación de separación por sí misma, sino que consiste en operaciones de sedimentación y de filtración, en el que la acción de la gravedad es acelerada y/o sustituida por la acción de la fuerza centrífuga en un eje rotatorio a gran velocidad. Así, puede distinguirse entre sedimentación con centrifugación (la más común) y filtración con centrifugación.

Dentro de las centrífugas de sedimentación se encuentran la tubular, de disco, cámara múltiple, etc., mientras que dentro de los filtros centrífugas se encuentran por ejemplo la centrífuga tamizadora continua y la centrífuga de platos con empuje (Pusher plate) (Martín et al., 201 1 ).

• Equipos de centrifugación

A continuación, se describen algunos tipos de centrífugas que podrían utilizarse:

- Centrífugas Tubulares (CT)

Consisten básicamente de un tubo vertical esbelto que gira a altas velocidades por la acción de un motor eléctrico, o una turbina de aire o vapor. Este tipo de centrífuga es uno de los más eficientes y sencillos, capaz de separar partículas hasta de 0,1 pm. Las CT pueden contar con un sistema de enfriamiento por lo que son empleadas en el manejo de caldos con enzimas o proteínas (Valdés, 2019).

- Centrífugas de cámara múltiple

Las centrífugas de cámara múltiple fueron creadas para incrementar la capacidad de manejo de sólidos de las centrífugas tubulares. Estas centrífugas consisten en una serie de tazones concéntricos con deflectores que provocan un flujo en serie de la suspensión. Su operación permite la clasificación de las partículas conforme pasan de una cámara a otra. El líquido claro se obtiene por rebosamiento en la última cámara. Este arreglo permite un mayor tiempo de residencia del líquido y una mayor capacidad de manejo de sólidos, que la centrífuga tubular (Valdés, 2019).

- Centrífugas de discos

Consiste en una pila de discos delgados en forma de conos. La sedimentación toma lugar en dirección radial en el espacio entre los conos adyacentes. La centrífuga tipo disco usualmente opera en forma continua. Estas centrífugas son usadas para separación de líquidos en los cuales el sólido o componentes inmiscibles que están en bajas concentraciones. Son usadas para la purificación de aceites combustibles, para el aprovechamiento de aceites usados de motores, y para refinación de aceites vegetales (Valdés, 2019).

Este proceso al igual que en la filtración puede realizarse en conjunto con la adición de coagulante, para una mayor sedimentación de sólidos.

DESHIDRATACIÓN DEL SÓLIDO RECUPERADO

Una amplia cantidad de tecnologías es utilizada para el secado de alimentos, como secadores de bandeja y de túnel, aerosol (secadores spray), rodillos, liofilizadores. A continuación, se detalla el proceso de secado por bandeja y tambor rotatorio.

Secado por bandejas

Las secadoras de bandejas consisten en una cabina con bandejas que se conecta a una fuente de aire calentado por gas, diésel. La temperatura suele ser controlada por un termostato que se establece normalmente entre 50 y 70[°C], temperatura que es considerada razonable al estar tratando con un concentrado proteico y evitar desnaturalización del producto. El aire entra en la parte inferior de la cámara por debajo de las bandejas y luego se eleva a través de las bandejas con los alimentos a secar, saliendo por una abertura en la parte superior de la cámara. Hay sistemas en los que las bandejas están diseñadas para forzar el aire a seguir un camino más largo, en zigzag, lo que aumenta el tiempo de contacto entre el aire y los alimentos y por lo tanto la eficiencia. Este sistema también reduce la presión desde atrás, lo cual significa que pueden utilizarse ventiladores más baratos y pequeños. El flujo de aire mencionado se esquematiza en la Figura 25.

Secado por rodillo o tambor rotatorio

En el secado en tambor, la superficie calentada es la envoltura de un cilindro metálico giratorio horizontal. El cilindro se calienta mediante vapor de condensación en el interior, a una presión en el rango de 200-500 kPa, lo que eleva la temperatura de la pared del cilindro a 120-155 °C. El material húmedo se aplica sobre la superficie del tambor como una capa relativamente delgada mediante una variedad de métodos diferentes que se describirán más adelante. El producto seco se retira del tambor con la ayuda de una cuchilla. En la Figura 26 se representa un secador de tambor típico, que es una unidad de doble tambor con alimentación central. El líquido de alimentación queda confinado en la parte superior de los dos rodillos y limitado por placas estacionarias. El calor es transmitido por conducción hacia el líquido que está parcialmente concentrado en el espacio comprendido entre los rodillos. El líquido concentrado desciende formando una capa viscosa que recubre el resto de la superficie de los tambores. Prácticamente todo el líquido se vaporiza al girar los tambores, dejando una delgada capa de material seco que es retirado mediante cuchillas rascadores y cae en los transportadores situados debajo. La humedad evaporada se recoge y retira a través de la campana situada encima de los tambores (Almena et al 2019; Zeki, 2013).

Los secadores de doble tambor son eficaces con disoluciones diluidas, disoluciones concentradas de materiales muy solubles, así como con suspensiones de partículas relativamente finas. No son adecuados para disoluciones de sales de solubilidad baja o para suspensiones de sólidos abrasivos que sedimentan y crean una presión excesiva entre los tambores.

Otros equipos como liofilizadores y secado en spray, requieren de una purificación más exhaustiva del concentrado proteico para obtener un producto final de mejor calidad, por lo que son equipos de proceso descartadles para esta operación.

Es importante considerar que con la deshidratación de este producto puede requerir de un procesamiento posterior, una vez evaluadas las características físicas del producto obtenido.

ESTABILIZADO DEL PRODUCTO

Una vez conocidas las características del producto obtenido y dependiendo de su uso final puede ser necesaria una etapa de estabilización, por lo que puede ser requerido un ajuste de pH o la adición de algún preservante o conservantes.

Existen una amplia variedad de conservantes que se utilizan en diferentes tipos de productos y procesos alimentarios. Estos aditivos pueden inhibir o retardar los procesos que hacen que se deterioren los alimentos, evitando que aparezcan ciertos microorganismos patógenos. Algunos ejemplos son:

- Ácido Propiónico y sus Sales (E-280)

Es un conservante inocuo muy efectivo para inhibir la aparición de moho, pero poco eficaz contra levaduras y bacterias.

- Ácido Benzoico y sus Sales (E-210 — E-217)

Una de sus aplicaciones son alimentos que tengan un pH ácido, y alimentos líquidos como refrescos, gaseosas u otras bebidas. Es un conservador alimentario que se utiliza para la protección de los alimentos frente al moho y levaduras, siendo menos efectivo contra las bacterias.

- Di acetato de Sodio (E-262)

Este conservante de origen natural es la sal potásica del Ácido Acético, el cual está presente en la mayoría de las frutas. Este aditivo también puede obtenerse de forma sintética. Es un componente utilizado en alimentos como agente conservante y sabohzante. Su función es evitar la aparición de hongos y bacterias.

ENVASADO DEL SÓLIDO RECUPERADO

Finalmente, el producto terminado (con o sin estabilización) necesita ser envasado para su posterior venta. El envasado se realizaría en sacos similar al envasado de la harina del proceso principal.

CARACTERIZACION DE RILES

Se realizó el análisis de caracterización a cuatro muestras de la planta de harina de crustáceos, denominadas como M1 (Muestra sólida n°1 de camarón local (cascarilla)), M2 (Muestra sólida N°2 de camarón (cascarilla) de otros proveedores), M3 (Muestra sólida N°3 de camarón post-prensado (torta)), y MR2 (Muestra líquida del RIL 2).

Se analizó el pH, humedad, DQO (total y soluble), lípidos, turbidez, conductividad, color y proteínas Kjeldahl, los resultados se encuentran en la Tabla 5 y Tabla 6.

Balance al proceso de prensado de la cascarilla de camarón

Es necesario realizar un análisis al proceso de prensado para comprobar la presencia de compuestos de interés en estas etapas. En la Tabla 5 se caracteriza la muestra que ingresa al proceso de prensado tradicional y además se considera una muestra de otros proveedores, y sus resultados son similares, no hay variación en su composición.

La muestra M3 que corresponde a la torta del proceso de prensado, tiene buenas características en relación con compuestos de interés como proteínas y lípidos, considerando su uso posterior para elaborar una harina como producto final, lo cual ya es parte del proceso productivo.

Tabla 5 Resultados análisis caracterización muestras sólidas M1 , M2 y M3.

Análisis del residuo líquido del prensado En la Tabla 6 se puede identificar la caracterización completa del RIL generado en este proceso, el cual se desea revalorizar dada su concentración de proteínas que se mantuvieron en solución posterior al proceso de prensado.

Tabla 6 Resultados análisis caracterización muestra líquida MR2 (RIL 2).

Se realizaron pruebas de decantación filtración, obteniéndose un sobrenadante equivalente a un 74 % del volumen inicial. Utilizando un filtro de 0,45 pm se logró un sólido con casi un 60 % de contenido proteico. Igualmente, luego el sobrenadante puede concentrarse en proteínas a través de una columna de micro o ultrafiltración.

Como se observa, mediante un proceso de filtración y/o decantación es posible obtener un sólido con un alto porcentaje de proteínas, el cual puede llegar casi a un 50 % en base seca. Se observa además que en el RIL hay una mayor cantidad de proteína porcentual que en el exoesqueleto de los crustáceos procesados. Esto permite generar un concentrado proteico de alta calidad que puede ser utilizado como suplemento para la nutrición acuícola.

Caracterización de los RILes de Camarón y Langostino (Julio/21)

En este punto al igual que anteriormente podemos ver una caracterización completa del RIL generado, el cual se desea revalorizar dada su concentración de proteínas que se mantuvieron en solución posterior al proceso de prensado. En la tabla 7 se pueden apreciar los resultados efectuados a las nuevas muestras tomadas para analizar el contenido de solidos de los RILes.

Tabla 7 Resultados análisis de Solidos

Para determinar la cantidad de lípidos presentes en los Riles se realizó una extracción soxhlet por 8 horas para cada uno de los tipos de ril, los resultados se muestran en la tabla 8. Tabla 8 Resultados Análisis Soxhlet para determinar la cantidad de lípidos presentes en el RIL.

En las tablas 9 y 10 se pueden apreciar los resultados del análisis de proteína a través del método Kjeldahl el cual permite determinar el porcentaje de nitrógeno presente los RILes y que por medio de un factor es posible determinar el porcentaje de proteína en base seca.

Tabla 9 Resultados análisis Kjeldahl para el RIL proveniente del procesamiento de camarón.

Tabla 10 Resultados análisis Kjeldahl para el RIL proveniente del procesamiento de langostino.

Posterior al análisis Kjeldahl se utilizó el método de lowry, el cual también permite determinar las proteínas presentes los RILes, con la diferencia que este método colohméthco permitió determinar la concentración de proteínas presentes en solución, los resultados se pueden apreciar en la tabla 1 1 .

Tabla 1 1 Resultados análisis de proteínas via método de Lowry.

En la tabla 12 se muestran los resultados de la caracterización de cascaras de camarón. Tabla 12 Caracterización de carotenoide extraída de los desechos de cáscaras de diferentes especies de camarones (en peso húmedo).

La composición promedio de aminoácidos de la carotenoproteína extraída desde las muestras se presenta la Tabla 13.

Tabla 13 Composición aminoácidica de la proteina y caratenoide obtenido del RIL.

De la composición antes presentada, se puede observar que es variada la presencia de aminoácidos en el residuo de las cascaras de camarón y langostino y el total de aminoácidos es igualmente elevado. Las características anteriores convierten a esta harina en un producto de alto valor agregado y atractivo para el mercado.

MEDICIÓN DE CAUDALES EN EL TIEMPO Se efectuaron una serie de mediciones de los caudales de ril durante el procesamiento respectivo de camarón y langostino, los resultados se muestran en las tablas 14 a 20.

Tabla 14 Medición del caudal para RIL 1 (Langostino).

Tabla 15 Medición del caudal para RIL 2 (Langostino). ujo (L/h) 558

Tabla 16 Medición del caudal para RIL 1 (Camarón).

Tabla 17 Medición de caudal para RIL 2 (Camarón). Promedio 728,54

Tabla 18 Medición Caudal RIL 2 (Langostino).

Tabla 19 Resumen parámetros balance de masa a la entrada del proceso. Tabla 20 Resumen parámetros balance de masa a la salida del proceso.

METODO OPTIMIZADO DE EXTRACCION DE CONCENTRADO

PROTEICO DISEÑO EXPERIMENTAL METODO DE EXTRACCION PILOTO

DISEÑO DEL PROCESO DE RECUPERACIÓN

A continuación se presentan las etapas realizadas para el diseño del proceso de recuperación.

• Pruebas experimentales para la determinación de parámetros operacionales en la recuperación de sólidos

Para realizar la recuperación del sólido del Ril, se utilizó la filtración y la centrifugación como posibles alternativas. Ambas metodologías fueron complementadas con coagulante para facilitar la separación del sólido. Para lo anterior se ha realizado un estudio sobre las variables: concentración de coagulante y floculante, y se ha considerado como variable de respuesta el porcentaje de remoción de sólidos, el cual está definido en la Ecuación 1 .

% Remoción de sólido= (sólido inicial - sólido final)

Ecuación (1 )

Sólido inicial

Efecto de la coagulación

Se realizó una prueba preliminar para determinar el coagulante a utilizar. Los químicos más utilizados para desestabilizar las partículas y formar flóculos son cloruro Férrico (FeCh) y sulfato de aluminio (AL2(SC )3). Se realizó un barrido de 2 concentraciones de estos coagulantes, sobre el ril crudo, obteniéndose los resultados de la Tabla 21 .

Tabla 21 Resultados del porcentaje de ST al adicionar distintos coagulantes al Ril crudo

Con esta prueba se seleccionó el coagulante cloruro férrico ya que tiene una mayor remoción de sólidos para continuar con las siguientes pruebas.

Comparación entre muestras filtradas y centrifugadas

La siguiente etapa consideró el efecto del coagulante, previamente seleccionado, sobre el ril crudo (sin tratamiento), centrifugado o filtrado, de manera de evaluar la remoción de sólidos en respuesta a diferentes concentraciones de coagulante. El diseño experimental utilizado, junto a los resultados obtenidos, se pueden apreciar en la Tabla 22.

Tabla 22 Remoción de sólidos (%) en función de la concentración del coagulante elegido y el tratamiento de recuperación de sólidos.

De los resultados anteriores se puede observar que el tratamiento de filtración, en conjunto a una adición de coagulante de 300 mg/L, presentó los mayores porcentajes de remoción de sólidos.

Con el fin de aumentar el porcentaje de remoción de sólidos sobre la estrategia antes seleccionada, se consideró suplementar el sistema de coagulación filtración, con la adición de floculantes. El floculante se probó a diferentes concentraciones, obteniéndose los resultados presentados en la Tabla 23.

Tabla 23 Remoción de sólidos en muestras con adición de coagulante y floculante.

De la tabla anterior se puede observar que la condición que presentó mayor porcentaje de remoción corresponde a la muestra filtrada con 300 mg/L de FeCh y 50 mg/L de floculante Al2(SC )3).

SELECCIÓN FINAL DEL MÉTODO PARA RECUPERAR LOS SÓLIDOS

Finalmente, las condiciones seleccionadas para la recuperación del sólido, corresponde a una filtración con adición de coagulante FeCh [300 mg/L] y floculante A (SO4)3) [50 mg/L],

SELECCIÓN DE EQUIPOS PARA PRUEBAS PILOTO

Recuperación de sólido El filtro seleccionado para el proceso de recuperación es un equipo de marcos y platos, marca Hillard Corporation, Modelo Star Filter, el cual se muestra en la Figura 28. El equipo seleccionado cuenta con las siguientes características:

• Número de discos: 10

• Acero Inoxidable 316, grado alimenticio aprobado por la FDA.

• Diámetro del filtro: 12 pulgadas

• Área de filtrado: 6,59 pie ²

• Capacidad de torta: 0,48 pie ³

El filtro consta a su vez con una prensa de tornillo para asegurar una máxima compresión entre discos, previo al funcionamiento y, evitar filtraciones del fluido de operación, además de una bandeja de recepción de tortas filtradas y remanentes húmedos para ser dispuestos según corresponda.

El posicionamiento del equipo en la planta se indica en la Figura 29. Su posición fue determinada en función de la disponibilidad de espacio, las zonas de tránsito, la proximidad a sistema energético y tablero de control, y las zonas de seguridad. Gracias a este análisis previo se logró un perímetro de un metro de zona de tránsito alrededor de equipo y sin afectar el tránsito y zonas pehmetrales de otros equipos.

Con el objetivo de evaluar el método final de separación a utilizar en la planta procesadora se realizaron una serie de ensayos a nivel de laboratorio y posterior planta piloto, se comenzó con una filtración con telas filtrantes con un embudo a vacío para emular la separación de solidos gruesos que en la planta de procesamiento ocurrirá con por medio del uso del filtro de marcos y platos. Estos primeros ensayos a nivel laboratorio permitieron obtener como resultado preliminar que por cada 800 ml de RIL procesado se obtiene aproximadamente 650 mi de filtrado y 150 mi de sólido, lo que refleja una proporción casi de 1 es a 5 entre sólidos y filtrado (18,75 % solidos / 81 ,15 % filtrado). En la figura 30 se puede apreciar el proceso de filtrado a nivel de laboratorio para la eliminación de solidos gruesos. Deshidratación del sólido

Para la etapa de deshidratación del sólido obtenido del filtro de plato y marco, se plantea utilizar el mismo secador de lecho fluidizado existente en planta utilizado para el secado de los caparazones. En la Tabla 24 se observa que se tienen que retirar entre 150 y 220 kg de agua por día, para obtener el producto final de interés.

Tabla 24 Parámetros de diseño para elección del equipo de deshidratación.

Langostino Camarón

Ensayos de ultrafiltración Posterior al proceso de filtración de solidos gruesos, es necesario un proceso de ultrafiltración con el objetivo de concentrar las proteínas desde la corriente líquida que sale del filtro. Para evaluar la filtración de RIL y obtención de un concentrado proteico se realizaron diversos ensayos piloto, seleccionándose una membrana de ultrafiltración de 30 kDa y una bomba peristáltica de 12 L/min como flujo máximo En la figura 31 se puede apreciar el sistema utilizado para el ensayo.

Los resultados de esta concentración de proteínas se muestran en la tabla 25, en esta se pueden ver las corrientes involucradas en el proceso de ultrafiltración tanto de entrada (Ril filtrado) como las salidas (Concentrado y permeado).

Tabla 25 Resultados promedio de los análisis de proteínas presentes en las distintas corrientes.

Tomando en cuenta los datos de la tabla anterior y los datos registrados en las mediciones volumétricas se muestran los resultados del balance de masa involucrado en el ensayo en la tabla 26. De estos datos destaca que de 4 litros de ril prefiltrado, sin solidos gruesos se puede obtener un concentrado proteico de aproximadamente 21 ,5 mg de proteína.

Tabla 26 Contenido de proteínas de cada corriente evaluada en el ensayo de ultrafiltración.

En la Figura 32 se observa la diferencia de color entre las diferentes corrientes.

DIAGRAMA DEL PROCESO SELECCIONADO

El proceso seleccionado contempla el uso de aditivos para mejorar la recuperación de sólido. Para lograr una incorporación en la mezcla de forma uniforme y recuperar la mayor cantidad de sólidos se utilizará tanto el sulfato de aluminio como el cloruro férrico en concentraciones en las cuales no es dañino para el consumo alimenticio. En la Figura 33 se muestra el Diagrama de bloques del proceso.

Para llevar a cabo dicho proceso se debe incorporar tanto un estanque de preparación de mezcla el cual debe contar con un sistema de agitación de una potencia suficiente para generar un torque suficiente de manera de mantener suspendido los sólidos y disolver los aditivos a incorporar. Una vez logrado esta operación se debe impulsar la mezcla resultante a un sistema de filtración donde se obtendrá un sólido con una importante cantidad de humedad retenida (28%). Para ello, se utilizará un tambor rotatorio a través de un sistema de secado indirecto, de esta manera garantizar un secado uniforme y con un consumo energético eficiente. Se utilizará un secador de bandeja para secar el sólido. El proceso de filtración se realizará en dos etapas utilizando dos medios de filtración distintos, uno más adecuado a la fracción gruesa y otro a una fracción fina, de esta manera reducir al máximo la carga de sólidos del ril resultante disminuyendo su nivel de toxicidad.

La Figura 34 indica los equipos seleccionados y la estructura de operación del proceso a ser validado.

CONCLUSIONES

De los resultados obtenidos se puede indicar las siguientes afirmaciones:

El sólido recuperado a partir del Ril, tiene un gran valor nuthcional siendo incluso más alto que la harina de camarón y langostinos principal del proceso en comparación al contenido proteico de ambos, siendo que la harina del proceso tiene una concentración alrededor de un 30%, mientras que la del solido recuperado cuenta con una concentración cercana al 50%.

La diferencia entre el contenido lipídico es un factor para tomar en consideración, debido a que el producto principal del proceso (harina de camarón y langostino), tiene un contenido cercano al 4% mientras que la del solido recuperado cuenta con una concentración cercana al 30%. Este factor puede llevar a generar problemas en una dieta grasa, pero también puede ser beneficioso debido a la presencia de aceites esenciales como son el omega 3 y omega 6 por mencionar algunos. Es por lo anteriormente presentado que se deberá investigar más a fondo cuales son los compuestos lipidíeos presentes en el ril, debido a que podría incluso tener un valor comercial aun mayor al alimento que se piensa comercializar como sucede con compuestos nutraceúticos o de gran valor en la industria química como la astaxantina, quitina, quitosano, entre otros.

La diversidad de compuestos presentes en los residuos de camarones y langostinos, como los mencionados en el párrafo anterior, no solo tienen un valor nuthcional sino también pueden ser utilizados como alimentos nutraceúticos e incluso existen evidencias de su efectividad en el tratamiento contra el cáncer lo cual da como potencial desarrollo a nuevas investigaciones la recuperación de compuestos específicos de mayor valor, a través de mecanismos de transferencia de masa como la extracción por solvente o la adsorción de materias a través de resinas o compuestos selectivos los cuales deberían ser estudiados más a fondo.

Hasta la fecha, el mercado de alimento de animales se encuentra en constante desarrollo con un crecimiento constante y se está buscando con mayor ahínco el consumo de productos que tengan un mayor aporte nutricional dado que no solo alimentan, sino que incluso pueden prevenir ciertas enfermedades.

BIBLIOGRAFÍA

Almena, A., Goode, K. FL, Bakalis, S., Fryer, P. J., & Lopez-Quiroga, E. (2019). Optimising food dehydration processes: energy-efficient drum-dryer operation. Energy Procedía, 161 , 174-181.

Brito, I. (2019). Diseño y optimización de un filtro de placas verticales. Universidad Técnica Federico Santa María. Chile.

Cho, C.Y. (1992). Feeding systems for rainbow trout and other salmonids with reference to current estimates of energy and protein requirements. Aquaculture 100: 107-123. Deng, J. J., Mao, H. H„ Fang, W„ Li, Z. Q„ Shi, D„ Li, Z. W„ & Luo, X. C. (2020). Enzymatic conversion and recovery of protein, chitin, and astaxanthin from shrimp shell waste. Journal of Cleaner Production, 122655.

Global Fishmeal Market Research Report: Information by Source (Salmon & Trout, Marine Fish, Crustaceans, Tilapia, and Others), Livestock (Ruminants, Poultry, Swine, Aquatic Animals and Others), Application (Fertilizers, Animal Feed, and Others), and Region (North America, Europe, Asia-Pacific, and Rest of the World) — Forecast till 2024. Market Research future, (2020). ID: MRFR I AGR / 4085-HCR.

Haro, A. (2016). Efecto de la presión de descarga de solución tánica conteniendo sólidos en suspensión a través del filtro prensa, sobre el tamaño de malla. Universidad nacional de Trujillo. Perú.

Martín, I., Salcedo, R., Font, R. (2011 ). Mecánica de fluido. Tema 5. Operaciones separación sólidofluido. Universidad de Alicante. España.

National Research Council (NRC). 1993. Nutrient requirements of fish. Washington, D.C., National Academy Press, 1 14 pp.

Resmi, R., Yoonus, J., & Beena, B. (2020). Anticancer and antibacterial activity of chitosan extracted from shrimp shell waste. Materials Today: Proceedings.

Ribeiro, R. M., Bergamasco, R., Gimenes, M. L., & Müller, C. M. (2007). Preparación de Membranas para Producción de Agua Potable. Información tecnológica, 18(1 ), 15-22.

Salazar, L. (2012) Diseño de plantas potabilizadoras. Recuperado de: Solis, C. A., Vélez, C. A., & Ramirez-Navas, J. S. (2017). Tecnología de membranas: Ultrafiltración. Entre Ciencia e Ingeniería, 1 1 (22).

Valdés, N. (2019). Factibilidad Técnica- Económica para evaluar la implementación de un separador centrífugo en el área de filtración de planta cervecera CCU Temuco. Universidad Técnica Federico Santa María. Chile.

Yuan, G., Pan, Y., Li, W., Wang, C., & Chen, H. (2019). Effect of extrusion on physicochemical properties, functional properties and antioxidant activities of shrimp shell wastes protein. International Journal of biological macromolecules, 136, 1096-1105.