Dimensionado de una planta piloto para la recuperación de proteínas de cáscaras de crustáceos

1 UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Química DIMENSIONADO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA RECUPERACIÓN DE PROTEÍNAS DE CÁSCARAS DE CRUSTÁCEOS Autor: Loya Pérez, Helena Tutor: Alonso Sánchez, Gloria Esther Departamento Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente Valladolid, junio 2023. 2 RESUMEN Este trabajo de fin de grado se basa en el dimensionado de una planta piloto para la recuperación de proteínas de las cáscaras de crustáceos. Para ello, se desarrolla un estudio experimental en el laboratorio Presstech de la Universidad de Valladolid. Trabajando con cáscaras de Litopenaeus Vannamei y con la técnica de microondas, se obtienen las siguientes condiciones óptimas de operación que maximizan la extracción de proteínas utilizando únicamente agua como disolvente: velocidad de agitación de 1000 rpm, 225°C, 0 minutos de mantenimiento y relación S/F 40. Por otro lado, se realiza el dimensionado de una planta piloto realizando una programación de actividades para un cuatrimestre, es decir, 15 semanas. Se emplean 2 extractores/calentadores en paralelo y un tercer extractor en serie, todos de 2 litros de capacidad. De esta manera, se obtiene como productos proteína pulverizada y fibra, residuo sólido rico en minerales y en quitina. PALABRAS CLAVE Proteínas, mudas, microondas, extracción y crustáceos ABSTRACT This final degree work is based on the dimensioning of a pilot plant for the recovery of proteins from crustacean shells. For this purpose, an experimental study is developed in the Presstech laboratory of the University of Valladolid. Working with Litopenaeus Vannamei shells and using the microwave technique, the following optimum operating conditions are obtained to maximize the extraction of proteins using water as solvent: rotation speed of 1000 rpm, 225°C, 0 minutes of maintenance and ratio S/F=40. On the other hand, the dimensioning of a pilot plant with task planning for a one four-month period, in other words, 15 weeks, is carried out. Two extractors/heaters are used in parallel and a third extractor in series, all with a capacity of 2 liters. In this way, pulverized protein and fiber, a solid residue rich in minerals and chitin, are obtained as products. KEYWORDS Proteins, molts, microwaves, extraction and crustaceans 3 4 ÍNDICE CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y ESTADO DEL ARTE ................................................. 9 1.1 CÁSCARAS DE CRUSTÁCEOS ......................................................................... 9 1.2 PRODUCTOS DE VALORIZACIÓN DE LAS CÁSCARAS DE LOS CRUSTÁCEOS 11 1.2.1 QUITINA ................................................................................................. 11 1.2.2 QUITOSANO ........................................................................................... 12 1.3 FRACCIONAMIENTO DE LA CÁSCARA DE CRUSTÁCEO ................................ 13 1.4 TECNOLOGÍA DE MICROONDAS ................................................................... 14 1.4.1 FUNDAMENTOS DE LA TÉCNICA DE MICROONDAS .............................. 14 1.5 TECNOLOGÍA DE MICROONDAS EN LA OBTENCIÓN DE QUITOSANO .......... 16 CAPÍTULO 2. OBJETO Y ALCANCE........................................................................... 17 2.1 OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN ....................................................................... 17 2.2 ALCANCE ...................................................................................................... 17 CAPÍTULO 3. ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA RECUPERACIÓN DE LA FRACCIÓN PROTEICA DE LA CÁSCARA DE LANGOSTINO VANNAMEI ...................................... 19 3.1 MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................................ 19 3.1.1 EQUIPOS. .............................................................................................. 19 3.1.2 CARACTERIZACIÓN DE MATERIA PRIMA Y PRODUCTOS ...................... 24 3.1.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. ....................................................... 26 3.2 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ......................................................................... 28 3.2.1 EFECTO DE LA VELOCIDAD DE AGITACIÓN: .......................................... 28 3.2.2 EFECTO DE LA RELACIÓN S/F: ............................................................. 29 3.2.3 EFECTO DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA: ................................................. 30 3.2.4 EFECTO DEL TIEMPO: ........................................................................... 31 3.2.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA: ............................................................ 33 CAPÍTULO 4. CÁLCULO Y DIMENSIONADO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA RECUPERACIÓN DE LA FRACCIÓN PROTEICA DE LA CÁSCARA DE LANGOSTINO VANNAMEI .............................................................................................................. 36 4.1 DATOS DE PARTIDA Y BASES DE DISEÑO DEL PROCESO ........................... 36 4.1.1 LOCALIZACIÓN ...................................................................................... 36 4.1.2 CAPACIDAD ........................................................................................... 36 4.1.3 ESPECIFICACIONES DE MATERIAS PRIMAS Y PRODUCTOS ................. 37 4.1.4 EQUIPOS DISPONIBLES ........................................................................ 38 4.1.5 SERVICIOS AUXILIARES DISPONIBLES ................................................. 40 5 4.1.6 DIAGRAMA DE BLOQUES ...................................................................... 41 4.1.8 BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA ..................................................... 48 4.2 INGENIERÍA BÁSICA DE ALGUNOS EQUIPOS DE PROCESO ......................... 51 4.2.1 EXTRACTORES DE LA 1ª Y 2ª ETAPA DE EXTRACCIÓN (B-100, B-200 Y B-101) ............................................................................................................ 51 4.2.2 CÁLCULOS JUSTIFICATIVOS .................................................................. 53 4.2.3 DISEÑO MECÁNICO DE B-101, B102 Y B-103 ..................................... 58 4.2.4 PRESIÓN DE PRUEBA HIDROSTÁTICA .................................................. 62 4.2.5 RESISTENCIA DE CALENTAMIENTO DE LOS CALENTADORES DE AGUA (C-100) y (C-200) ............................................................................................ 62 4.2.5 AISLANTE DE LOS EXTRACTORES (B-100) y (B-200) ............................ 63 4.3 HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS ............................................... 66 4.4 SELECCIÓN DE TANQUE AGITADO COMERCIAL (B-100, B-101 y C-100) .... 68 4.5 NECESIDADES DE LA PLANTA PILOTO ......................................................... 70 CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS ................................................ 74 CAPÍTULO 6. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................... 75 CAPÍTULO 7. ANEXOS ............................................................................................. 78 ANEXO 1. RESULTADOS EXPERIMENTALES ....................................................... 79 ANEXO 2. SELECCIÓN DE MATERIALES. ............................................................ 83 ANEXO 3. PROPIEDADES DEL ACERO INOXIDABLE ........................................... 84 ANEXO 4. CATÁLOGO DE REACTORES COMERCIALES, AUTOCLAVE ENGINEERS ........................................................................................................................... 87 6 ÍNDICE FIGURAS FIGURA 1. Estructura quitina ............................................................................. 11 FIGURA 2. Estructura quitosano ........................................................................ 12 FIGURA 3. Microondas Anton Paar .................................................................... 20 FIGURA 4. Experimento de verificación del sensor IR ....................................... 20 FIGURA 5. Experimento de verificación del sensor presión .............................. 21 FIGURA 6. Análisis FT-IR equipo Bruker Alpha ................................................... 23 FIGURA 7. Equipo TOC Shimatzu ....................................................................... 23 FIGURA 8. Velocidad de agitación frente al rendimiento y el porcentaje de proteína extraida ................................................................................................ 29 FIGURA 9. Ratio S/F frente al rendimiento y el porcentaje de proteína extraida .............................................................................................................. 30 FIGURA 10. Diámetro de partícula frente al rendimiento y el porcentaje de proteína extraida ................................................................................................ 31 FIGURA 11. Tiempo frente al rendimiento y el porcentaje de proteína extraida a 175°C .............................................................................................. 32 FIGURA 12. Tiempo frente al rendimiento y el porcentaje de proteína extraida a 225°C ............................................................................................... 33 FIGURA 13. Temperatura frente al rendimiento y el porcentaje de proteína extraida en 0 minutos ........................................................................................ 34 FIGURA 14. Temperatura frente al rendimiento y el porcentaje de proteína extraida en 10 minutos ...................................................................................... 35 FIGURA 15. Molino de cuchillas RESTCH SM 100............................................. 38 FIGURA 16. Spray dryer Niro Mobile Minor ........................................................ 39 FIGURA 17. Liofilizador TELSTAR ....................................................................... 39 FIGURA 18. Reactor Zipperclave........................................................................ 69 FIGURA 19. Turbina de palas inclinadas ........................................................... 69 FIGURA 20. Diagrama de Gantt semana 1 ........................................................ 71 FIGURA 21. Diagrama de Gantt semana 2 ........................................................ 71 FIGURA 22. Diagrama de Gantt semana 3 ........................................................ 72 FIGURA 23. Diagrama de Gantt semana 4 ........................................................ 72 FIGURA 24. Diagrama de Gantt semana 5 ........................................................ 73 7 ÍNDICE TABLAS TABLA 1. Composición materia prima ............................................................... 10 TABLA 2. Condiciones de los experimentos de cribado con agua ..................... 27 TABLA 3. Condiciones de los experimentos con cáscaras ................................ 27 TABLA 4. Condiciones de los experimentos para estudiar el efecto del tamaño inicial de la partícula ............................................................................ 28 TABLA 5. Rendimiento y proteína de las muestras de diferente agitación ....... 29 TABLA 6. Rendimiento y proteína de las muestras de diferente ratio S/F ........ 30 TABLA 7. Rendimiento y proteína de las muestras de diferente diámetro de partícula ........................................................................................................ 31 TABLA 8. Rendimiento y proteína de las muestras de diferente tiempo ........... 32 TABLA 9. Rendimiento y proteína de las muestras de diferente temperatura .. 34 TABLA 10. Variables óptimas de la extracción .................................................. 35 TABLA 11. Propiedades del agua tipo I.............................................................. 40 TABLA 12. Propiedades del agua tipo III ............................................................ 40 TABLA 13. Tabla de corrientes del diagrama de flujo ....................................... 43 TABLA 14. Datos obtenidos en los balances de materia .................................. 49 TABLA 15. Datos de partida de los extractores ................................................. 52 TABLA 16. Dimensiones del reactor Berghof BR-25 ......................................... 52 TABLA 17. Valores de la variable Npt ................................................................ 56 TABLA 18. Esfuerzos máximos permisibles según el código BPCV ASME sección VIII div 1 ................................................................................................ 58 TABLA 19. Eficiencia máxima permitida según el código BPCV ASME sección VIII div 1 ................................................................................................ 59 TABLA 20. Mínimos espesores de pared en función del diámetro del recipiente egún el código BPCV ASME sección VIII div 1................................... 60 TABLA 21. Características Reactor Zipperclave ................................................ 68 TABLA 22. Fechas de los ciclos del cuatrimestre .............................................. 70 TABLA 23. Selección del material ...................................................................... 83 TABLA 24. Tablas técnicas del acero inoxidable ............................................... 84 8 SÍMBOLOS Y ACRÓNIMOS BCA Análisis del ácido bicinconínico AA Aminoácidos TOC Carbono Orgánico Total TC Carbono Total IC Carbono Inorgánico TN Nitrógeno Total S/F Relación sólido-fluido 9 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y ESTADO DEL ARTE 1.1 CÁSCARAS DE CRUSTÁCEOS El Litopenaeus Vannamei más conocido como langostino blanco o langostino del Pacífico, debido a que es originario de las costas orientales del Océano Pacífico, actualmente es una de las especies más empleadas en la acuicultura. Es un crustáceo gris verdoso con apariencia traslucida en crudo. Su cuerpo se divide en tres zonas: cefalotórax, abdomen y telson. Encontrándose la mayor parte de los órganos en la zona del cefalotórax. (Bioaquafloc, n.d.). Debido a que los recursos naturales son limitados se emplean un conjunto de técnicas para la crianza de especies acuáticas, vegetales y animales: la acuicultura (Acuicultura de España, n.d.). El proceso de producción de los langostinos blancos en acuicultura está formado por tres etapas diferentes: Laboratorio, cultivo e industria. En el laboratorio se desarrollan las siguientes actividades: - Selección en función del género, longitud y peso. - Fecundación de las hembras. - Desove, las hembras tras la fecundación son transferidas a los tanques de desove donde se produce la puesta de huevos. - Desarrollo larvario. Por otro lado, en la etapa de cultivo se produce la siembra, la crianza y la cosecha. Y, en la etapa de la industria se realizan los procesamientos necesarios para su almacenamiento y venta en el mercado (Ministerio de producción, 2010). Actualmente, la acuicultura está muy desarrollada. En 2020 se llegaron a producir 5.812.180 toneladas de langostino blanco en todo el mundo y se obtuvieron 26.929 millones de euros a partir de estas (Volumen, 2021). Los crustáceos tienen un exoesqueleto, llamado cutícula, que protege sus partes blandas, aportando soporte, rigidez e impermeabilidad. Este exoesqueleto consiste en una matriz de cuatro capas. A medida que los crustáceos crecen se desprenden del exoesqueleto por hidrólisis de los componentes cuticulares y sintetizan un nuevo exoesqueleto que se adapte al nuevo tamaño. Este proceso de desechar un exoesqueleto y sintetizar uno nuevo se denominado muda o ecdisis (Rocha et al., 2012). Los ciclos de muda varían en función de las condiciones ambientales del entorno y de la edad de los crustáceos, aunque no se conoce mucha información al respecto. Por lo general mudan cada cuatro u ocho semanas (Manlleus, 2022). 16 1.5 TECNOLOGÍA DE MICROONDAS EN LA OBTENCIÓN DE QUITOSANO El calentamiento convencional para la obtención del quitosano requiere varias horas o incluso días y mucha energía. En cambio, el calentamiento mediante irradiación de microondas se produce en minutos y con mucha menos energía. La tecnología con microondas se ha utilizado para la obtención de quitina y quitosano de bajo peso molecular, combinando las microondas con NaOH en las etapas de desproteinización y desacetilación y HCl en la etapa de desmineralización (EL Knidri et al., 2019). Han utilizado potencias de microondas entre 90W y 650W, obteniendo una eliminación de carbonato cálcico del 98% a 650W y 10 minutos de tiempo de reacción con HCl 2.5 M. La eliminación de proteínas es del 96% cuando trabajan con una potencia de microondas entre 500 y 650W y 6 minutos de tiempo de extracción utilizando 5% de NaOH. La transformación de quitina a quitosano con bajo grado de acetilación (<40%) requiere de tratamientos alcalinos con NaOH al 50% y potencias de microondas entre 500 y 650W (EL Knidri et al., 2019). Estos resultados muestran que con la utilización de microondas se logra una importante reducción del tiempo en las etapas de desmineralización y desproteinización, y suponen una importante reducción de la concentración de NaOH en la etapa de desacetilación, respecto a los métodos convencionales. Sin embargo, siguen utilizando ácidos y bases fuertes y concentrados, con los consiguientes problemas de corrosión de equipos, seguridad, y medioambientales. Por este motivo, en este TFG se estudia el empleo de la tecnología de microondas para la etapa de desproteinización utilizando como disolvente únicamente agua caliente presurizada. 17 CAPÍTULO 2. OBJETO Y ALCANCE 2.1 OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN Este trabajo fin de grado tiene dos objetivos globales: 1. Evaluar experimentalmente el uso del agua caliente presurizada en la etapa de desproteinización de cáscaras de muda de Litopenaeus Vannamei utilizando calentamiento con microondas. 2. Realizar un dimensionado básico de una planta piloto de laboratorio para la desproteinización de este tipo de biomasas con agua caliente presurizada. Estos dos objetivos se concretan en los siguientes objetivos específicos. 1.1.Estudiar el efecto de las variables de operación (temperatura, tiempo, velocidad de agitación, relación sólido/agua y tamaño de partícula) en la extracción asistida con microondas de proteínas de mudas de Litopenaeus Vannamei. 1.2.Conocer y aplicar técnicas de caracterización y análisis de biomasa (proteínas, aminoácidos, TOC, FTIR, tamaño de partícula, …). 1.3.Realizar experimentos a escala de laboratorio con una técnica de intensificación de procesos como es la extracción asistida con microondas. 1.4.Definir a partir del estudio experimental las condiciones de operación y de diseño para una planta piloto de laboratorio con extractores de 2L. 2.1.Proponer un diagrama de flujo de una planta piloto de laboratorio para la desproteinización de cáscaras de crustáceos. 2.2.Realizar algunos cálculos básicos de balances de materia y energía de la planta piloto. 2.3.Realizar el dimensionado de los extractores a presión utilizando procedimientos de cambio de escala y el código ASME BPVC sección VIII, Div. 1 para el diseño mecánico. 2.2 ALCANCE El alcance del presente Trabajo Fin de Grado abarca el dimensionado básico de una planta piloto con 2 extractores de 2L para la desproteinización de cáscaras de crustáceos con agua caliente presurizada. Para definir las condiciones de diseño de la instalación se aborda también en este TFG un estudio experimental de las variables de operación (temperatura, tiempo, velocidad de agitación temperatura, tiempo, velocidad de agitación, relación sólido/agua y tamaño de partícula) en la extracción asistida con microondas de proteínas de mudas de Litopenaeus Vannamei. 18 Queda fuera del alcance de este TFG el diseño y dimensionado de etapas de concentración y secado de proteínas, así como la molienda o el secado de la biomasa inicial, que se realizarán con equipos disponibles dentro del laboratorio del Grupo PressTech donde se ubicará la planta piloto. 19 CAPÍTULO 3. ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA RECUPERACIÓN DE LA FRACCIÓN PROTEICA DE LA CÁSCARA DE LANGOSTINO VANNAMEI 3.1 MATERIALES Y MÉTODOS 3.1.1 EQUIPOS. -Microondas Anton Paar Los microondas son reactores diseñados para controlar la radiación, los microondas domésticos no pueden trabajar con una frecuencia homogénea durante tiempos prolongados por lo que no se pueden emplear para llevar a cabo reacciones. Los microondas pueden ser monomodales o multimodales. Los monomodales se caracterizan porque la radiación incide directamente sobre un punto concreto del recipiente, provocando una onda permanente. En cambio, en los multimodales la radiación entra en la cavidad y se refleja en las paredes incidiendo así en los diferentes recipientes (Grupo GIDOLQUIM, n.d.). Los microondas de laboratorio pueden ser abiertos (a la atmósfera) o cerrados (puede trabajar con cierta presión). Es necesario que estos reactores tengan sensores de temperatura y de presión para conocer las condiciones internas en cualquier momento e incluso que avisen o paren la radiación al sobrepasar los valores límite marcados, como sistema de seguridad (Grupo GIDOLQUIM, n.d.). En este TFG se trabaja con un reactor de microondas monowave de Anton Paar cerrado, modelo Monowave 300 (figura 3), un sistema de alto rendimiento diseñado para la síntesis por microondas a pequeña y mediana escala. Alcanza temperaturas de hasta 300°C y presiones de hasta 30 bar con volúmenes de hasta 30 mL. Además, se caracteriza por medir la temperatura simultáneamente por medio de un sensor IR y por un termómetro de rubí de fibra óptica, garantizando así una elevada precisión (Reactor de Microondas: Monowave :: Anton-Paar.Com, n.d.). 20 Figura 3. Microondas Anton Paar (Laboratorios y Equipamiento - PressTech, n.d.) Para la puesta en marcha del equipo se lleva a cabo su calibración. Realizando, en primer lugar, un experimento para la verificación del sensor IR. Este experimento se realiza a 850W y 600 rpm y está formado por siete etapas: 1.- Calentar hasta 100°C en el modo “as fast as posible” 2.- Mantener las condiciones durante 2 minutos 3.- Calentar hasta 200°C en el modo “as fast as posible” 4.- Mantener las condiciones durante 2 minutos 5.- Calentar hasta 300°C en el modo “as fast as posible” 6.- Mantener las condiciones durante 2 minutos 7.- Enfriar hasta 55°C Figura 4. Experimento de verificación del sensor IR 21 Y, a continuación, se calibra el equipo para que la diferencia entre el sensor IR y el termómetro de Rubí sea nula. En la figura 4. Se recoge el resultado del experimento de verificación del sensor IR. Seguidamente, se realiza un nuevo experimento para verificar el sensor de presión. El experimento, de nuevo, se realiza a 850W y 600rpm y tiene siete etapas: 1.- Calentar hasta 180°C en el modo “as fast as posible” 2.- Mantener las condiciones durante 2 minutos 3.- Calentar hasta 212°C en el modo “as fast as posible” 4.- Mantener las condiciones durante 2 minutos 5.- Calentar hasta 230°C en el modo “as fast as posible” 6.- Mantener las condiciones durante 2 minutos 7.- Enfriar hasta 55°C Figura 5. Experimento de verificación del sensor de presión Los resultados del experimento de verificación del sensor de presión se muestran e la figura 5. Como la presión durante los períodos de retención es de 10, 20 y 28 ± 1,5 bar el sensor de presión funciona conforme a las especificaciones y no es necesario ajustarlo, tal y como indica el manual del equipo. -Filtro a vacío La filtración a vacío es una técnica empleada para la separación de mezclas sólido-líquido. Se emplea un embudo Büchner, sobre el que se coloca un filtro, y un matraz Kitasato (matraz con un vástago lateral para permitir conexiones) conectado mediante un tubo flexible a una bomba de vacío, empleada para extraer moléculas de gas de un volumen formando un vacío parcial. 22 La mezcla se vierte en el embudo, el líquido se recoge en el Kitasato mientras que el sólido se queda en el filtro. La bomba a vacío empleada en el laboratorio es el modelo Welch Ilmvac™, Membranpumpe chemiefest MPC 101 Z. -Balanza analítica Instrumento de pesaje que emplea la acción de la gravedad para determinar la masa, está formada por una base, dónde se coloca el plato, y cuatro paredes y un techo que sirven de recubrimiento para que la medida sea más exacta. La balanza empleada es el modelo Adventurer Pro AV264C y tiene una precisión de 0,1 miligramos. -Estufa de laboratorio Equipo diseñado para alcanzar altas temperaturas y de forma uniforme en todo el equipo. En este TFG se emplea la estufa universal Memmert EXCELLENT de 108L para el secado de la fase sólida extraída. -pHmetro Instrumento que mide la actividad del ion hidrógeno en soluciones acuosas y muestra el pH de la muestra. Se ha empleado el pHmetro 5021 CRISOLYTP, modelo 3505. Para su utilización, primero es necesario calibrar el instrumento introduciendo el electrodo en una disolución tampón y seguidamente se introduce en la muestra hasta alcanzar una lectura constante. -Analizador de tamaños de partículas Dispositivo que a través de la dispersión de luz dinámica calcula el tamaño de las partículas. Concretamente se ha empleado el dispositivo Mastersizer 2000, Malvern Panalytical. -Equipo de Espectroscopía Infrarroja de Transformada de Fourier Se emplea para el desarrollo del análisis FTIR. El equipo está formado por un sensor y un pistón con punta de diamante, sobre el sensor se coloca la muestra y el pistón, una vez en contacto con la muestra, libera la radiación. Todo el análisis se controla con un ordenador. Para el adecuado análisis de las muestras es preciso limpiar el sensor y el pistón antes y después de colocar las muestras. Además, hay que tener especial cuidado al limpiar el pistón para no rallar la punta de diamante. El espectrómetro FT-IR utilizado en el laboratorio es el modelo Alpha de la marca Bruker (Figura 6). 23 Figura 6. Análisis FT-IR equipo Bruker Alpha (Laboratorios y Equipamiento - PressTech, n.d.) - Espectrofotómetro UV-Vis Lector de absorbancia, equipo cuya finalidad es detectar y cuantificar los fotones de luz absorbidos y/o transmitidos por la muestra líquida cuando se expone a la luz de una longitud de onda específica. Se emplea el espectrofotómetro Shimatzu UV-2450. -Analizador TOC/TN Equipo para identificar y cuantificar la materia orgánica e inorgánica de las muestras. Los dispositivos empleados en el laboratorio son Total Organic Carbon Analyzer (TOC-VCSH) y Total Nitrogen Measuring Unit (TNM-1) de Shimatzu (Figura 7). Figura 7. Equipo TOC Shimatzu (Laboratorios y Equipamiento - PressTech, n.d.) 24 3.1.2 CARACTERIZACIÓN DE MATERIA PRIMA Y PRODUCTOS En este TFG se va a trabajar con mudas de Litopenaeus Vannamei proporcionadas por la empresa Noray Seafood, en concreto de sus instalaciones en Medina del Campo (Valladolid). La caracterización de esta materia prima ha sido realizada por el estudiante predoctoral Mauricio Masaru en el laboratorio del grupo PressTech de la Universidad de Valladolid. La Tabla 1 (Apartado 1.1 Cáscaras de crustáceos) recoge la composición de la materia prima utilizada en la parte experimental de este TFG. 3.1.2.1 Cuantificación de proteínas método BCA y método AA Análisis del ácido bicinconínico (BCA), ensayo en el cual la absorbancia de la muestra será proporcional a la concentración de proteínas. En este ensayo se trabaja con PierceTM BCA Protein Assay Kit (NaOH, H2SO4 y éter de petróleo). En primer lugar, se prepara el reactivo de trabajo mezclando los reactivos A y B en una proporción de 50:1, respectivamente. En tubos de vidrio se colocan 0.1 mL de muestra o agua destilada, en el caso del blanco, y se agregan 2 mL de la mezcla de reactivos preparada previamente. Tras la preparación, las muestras preparadas se agitan y se incuban a 37°C durante treinta minutos. Pasados estos minutos de calentamiento las muestras se enfrían a temperatura ambiente. Por último, se colocan las muestras en el espectrofotómetro que emite la luz a una longitud de onda de 562 nm. Por medio de este análisis se obtienen los miligramos de proteína extraída por cada gramo de muestra. El análisis de ninhidrina se realiza para identificar los aminoácidos (AA) libres de las muestras. La preparación de las muestras es similar que en el análisis BCA. En este caso, se coloca 1 mL de muestra o agua destilada en el caso del blanco y se agregan 0.5 mL del reactivo ninhidrina y se agita suavemente. Posteriormente los tubos se incuban a temperatura de agua hirviendo durante diez minutos y se enfrían a temperatura ambiente. Por último, se agregan 2.5 mL de etanol a 95% a las muestran y se mide su absorbancia en el espectrofotómetro. El análisis de ninhidrina tiene como objetivo obtener los miligramos de aminoácidos libres por cada gramo de muestra. 25 3.1.2.2 Sólidos disueltos y sólidos totales Los sólidos se obtienen mediante secado en la estufa y mediante gravimetría, método analítico que determina la cantidad de sustancia midiendo el peso de esta con la balanza analítica. Los sólidos totales son los sólidos empleados en el experimento, es decir, la masa sólida inicial. En cambio, los sólidos disueltos son la diferencia entre los sólidos totales y los sólidos obtenidos en la filtración de la muestra tras ser sometida a la acción del microondas. 3.1.2.3 Materia orgánica e inorgánica en el extracto. El análisis del Carbono Orgánico Total (TOC) consiste en analizar el carbono presente en la muestra líquida. El equipo determina el carbono Inorgánico (IC) y el carbono total (TC) y por diferencia calcula el carbono orgánico total (TOC). TOC = TC – IC De forma análoga, el equipo determina la cantidad de Nitrógeno Total (TN) presente en la muestra. La preparación de las muestras se realiza igual para ambos análisis. Consiste en filtrar con un filtro de jeringa de 22 micras, 1 gramo de la muestra a analizar y completar hasta los veinte gramos con agua MILIQ. Las muestras del análisis TOC se colocan en el equipo para su análisis, obteniendo los miligramos de carbono por cada litro de muestra. Por otra parte, a partir del análisis TN se obtienen los miligramos de nitrógeno por cada litro de muestra. 3.1.2.4 Identificación de quitina a partir de la técnica de FTIR FTIR es una técnica de análisis espectroscópico que analiza los sólidos obtenidos mediante radiación infrarroja. Concretamente, emplea la zona denominada “infrarrojo medio” del espectro electromagnético por eso recibe el nombre de Infrarrojo Transformado de Fourier, técnica matemática que convierte datos numéricos en resultados útiles. El haz de luz incide sobre la muestra, parte de la energía es absorbida por la muestra y la energía restante atraviesa llegando a un detector que envía los datos al ordenador. El ordenador genera un espectro utilizando la técnica Transformada de Fourier y este espectro representa la denominada “huella” molecular de la muestra (Richard Mills, 2018). 32 que el enfriamiento comienza en el momento en que se alcanza la temperatura de operación deseada (175 o 225ºC). Los resultados del efecto del tiempo a diferentes temperaturas se muestran en la tabla 8 y en las figuras 11 y 12. Tabla 8. Rendimiento y proteína de las muestras de diferente tiempo Figura 11. Tiempo frente al rendimiento y al porcentaje de proteína extraída, a 175°C A 175°C el rendimiento de extracción aumenta al aumentar el tiempo de mantenimiento. En la figura11 se puede observar una amplia variación entre el rendimiento obtenido con 0 minutos de mantenimiento y el obtenido con 10 minutos, la variación del rendimiento entre 10 minutos y 20 minutos no es tan notoria. En cambio, en la variación de la proteína extraída en la figura 11 se puede observar un pico. Es decir, con 10 minutos de mantenimiento se obtiene más Número experimento T (°C) P (W) thold-up (min) R (rpm) S/F (mL/g) Yield Av SD (%) (%) Protein (BCA) Av SD (%) (%) 2 225 850 0 1000 20 24,70 1,40 6,60 0,30 3 225 850 10 1000 20 28,20 0,70 6,21 0,25 4 175 850 0 1000 20 16,80 0,40 3,47 0,20 5 175 850 10 1000 20 22,80 0,90 6,60 0,47 6 175 850 20 1000 20 23,90 0,60 5,67 0,56 33 proteína que con un mantenimiento de 0 o de 20 minutos. Por lo que se podría concluir que para 175 °C veinte minutos de mantenimiento es demasiado, probablemente esté cuando se utiliza el tiempo de 20min se está produciendo una degradación de la proteína extraída. Figura 12. Tiempo frente al rendimiento y al porcentaje de proteína extraída, a 225°C En la figura 12 se observa que a 225 °C al aumentar el tiempo de mantenimiento el rendimiento aumenta, pero el porcentaje de extracción de proteína disminuye ligeramente. Es preciso destacar que la proteína extraída en los diferentes casos apenas varía, obteniendo 6,60% con 0 minutos de mantenimiento y 6,21% con 10 minutos, que son valores de porcentajes extraídos similares a 175ºC y 10 minutos de tiempo de mantenimiento Para esta temperatura no se trabajó con tiempos de mantenimiento de 20 minutos. 3.2.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA: El efecto de la temperatura se ha estudiado con los experimentos 2, 3, 4 y 5 operando con 175ºC y 225ºC a diferentes tiempos de mantenimiento. Los resultados se muestran en la tabla 9 y en las figuras 13 y 14. 34 Tabla 9. Rendimiento y proteína de las muestras de diferente temperatura Figura 13. Temperatura frente al rendimiento y al porcentaje de proteína extraída, en 0 minutos Con tiempos de mantenimiento de 0 minutos, al aumentar la temperatura aumenta tanto el rendimiento como la proteína extraída, tal y como se muestra en la figura 13. Por lo tanto, a 225°C se obtiene un mayor rendimiento y porcentaje de proteína extraída, por lo que se puede considerar la temperatura óptima para estas condiciones. 0 5 10 15 20 25 30 170 180 190 200 210 220 230 (%) temperatura (°C) Temperatura rendimiento %proteina Número experimento T (°C) P (W) thold-up (min) R (rpm) S/F (mL/g) Yield Av SD (%) (%) Protein (BCA) Av SD (%) (%) 2 225 850 0 1000 20 24,70 1,40 6,60 0,30 3 225 850 10 1000 20 28,20 0,70 6,21 0,25 4 175 850 0 1000 20 16,80 0,40 3,47 0,20 5 175 850 10 1000 20 22,80 0,90 6,60 0,47 35 Figura 14. Temperatura frente al rendimiento y al porcentaje de proteína extraída, en 10 minutos En cambio, con tiempos de mantenimiento de 10 minutos se puede observar en la figura 14 que a mayor temperatura mayor rendimiento, pero menor porcentaje de proteínas extraídas. Siendo, de nuevo, una variación apenas considerable 6,21% trabajando a 175 °C y 6,60% trabajando a 225°C. Conclusión: Las variables óptimas para obtener una mayor extracción de proteína de las mudas de Litopenaeus Vannamei se recogen en la Tabla 10. Tabla 10. Variables óptimas de la extracción Agitación 1000 rpm Relación líquido-sólido 40 Tamaño de las partículas 125 µm Temperatura 225°C Tiempo de mantenimiento 0 minutos 36 CAPÍTULO 4. CÁLCULO Y DIMENSIONADO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA RECUPERACIÓN DE LA FRACCIÓN PROTEICA DE LA CÁSCARA DE LANGOSTINO VANNAMEI 4.1 DATOS DE PARTIDA Y BASES DE DISEÑO DEL PROCESO 4.1.1 LOCALIZACIÓN La planta piloto objeto de este TFG se va a ubicar en el laboratorio del Grupo de Investigación PressTech de la Universidad de Valladolid, situado en el Dpto. de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente, en la planta 0 de la sede Mergelina de la Escuela de Ingenierías Industriales. 4.1.2 CAPACIDAD Al tratarse de una planta piloto de investigación ubicada en un laboratorio de la Universidad de Valladolid, se ha establecido el cuatrimestre (15 semanas) como unidad temporal para la realización de balances y planificación de la operación con la instalación. Se considera 1 cuatrimestre, es decir, 15 semanas con 5 días laborales a la semana y realizando 4 extracciones diarias. En cada extracción se emplea 0,05 kilogramos de cáscaras secas y 2 litros de agua mili-Q. Además, para obtener 1 Kg de cáscara seca es necesario emplear 5,79 Kg de cáscara bruta. 𝑛°𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠=15 𝑠𝑒𝑚 ∙ 5𝑑í𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑚∙4𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑í𝑎 =300 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐾𝑔 𝑐.𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎=300∙0,05 𝐾𝑔 𝑐.𝑠𝑒𝑐𝑎 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛∙5,79𝐾𝑔 𝑐.𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 𝐾𝑔 𝑐.𝑠𝑒𝑐𝑎 =86,85 𝐾𝑔 Por lo tanto, es necesario disponer de 86,85 Kg de cáscara bruta al cuatrimestre. 37 4.1.3 ESPECIFICACIONES DE MATERIAS PRIMAS Y PRODUCTOS La materia prima empleada son la cáscara y las mudas del Litopenaeus Vannamei. La composición de las mudas empleada en el diseño de los equipos es la misma que la empleada en la parte experimental, CAPÍTULO 3. ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA RECUPERACIÓN DE LA FRACCIÓN PROTEICA DE LA CÁSCARA DE LANGOSTINO VANNAMEI (Tabla 2). Tabla 2. Composición de la materia prima Contenido (%) Base húmeda Base seca Av SD Av SD Humedad 1,72 0,06 - - Ceniza 52,8 0,5 53,7 0,5 Proteína (BCA) 10,4 0,4 10,6 0,4 Aminoácido 1,35 0,12 1,37 0,12 Ácidos grasos 3,7 0,9 3,8 0,9 Quitina 17,5 0,7 17,8 0,7 Total 87,5 2,7 87,3 2,7 Análisis Elemental (%) Base húmeda Base seca Av SD Av SD C 22,3 0,3 22,7 0,3 N 3,62 0,07 3,68 0,07 O 28,56 0,11 29,06 0,11 H 3,14 0,09 3,19 0,09 Total 57,6 0,6 58,6 0,6 Además, al tratarse de una planta piloto también se emplearán otras materias primas del mismo origen o diferente. Se obtienen dos productos diferentes, polvo de proteína y fibra, residuo sólido, rico en minerales y en quitina, producto de la etapa diseñada en este TFG de desproteinización 38 4.1.4 EQUIPOS DISPONIBLES Los equipos disponibles en el laboratorio de Investigación PressTech y que forman parte del diagrama de flujo de esta planta piloto son los siguientes: - Molino de cuchillas, Retsch® SM 100 (Figura 15). Es una máquina rotativa formada por dos filas de cuchillas colocadas sobre un eje. De forma que el sólido se corta al pasar entre las filas de las cuchillas, este procedimiento se repite tantas veces como sea necesario para obtener el tamaño deseado de las partículas. Se corresponde al molino (Z-100). Figura 15. Molino de cuchillas RESTCH SM 100 ( Laboratorios y Equipamiento - PressTech , n.d.) - Horno de secado o estufa, Memmert EXCELLENT. Este equipo tiene 108 L de capacidad y alcanza elevadas temperaturas para el calentamiento de las sustancias que son depositadas en su interior. Esta estufa se corresponde al equipo (T-100) 39 - Secadero en spray, equipo empleado para pulverizar la suspensión en una corriente de aire caliente para obtener las partículas en forma de polvo con un muy bajo contenido de agua. El modelo del laboratorio es GEA Niro Mobile Minor MM-Basic-PSR (Figura 16), con una capacidad de tratamiento de 180 – 660 mL/h de disolución y con flujos de aire de secado hasta 80 kg/h y 200°C. Se corresponde al horno (T-101) Figura 16. Spray dryer Niro Mobile Minor (Laboratorios y Equipamiento - PressTech, n.d.) - Liofilizador TELSTAR LyoQuest (Figura 17), equipo empleado para remover la humedad del producto a través del secado en frío. Opera a temperaturas inferiores a -55°C y se corresponde al liofilizador (L-100) Figura 17. Liofilizador TELSTAR LyoQuest ( Laboratorios y Equipamiento - PressTech , n.d.) 40 4.1.5 SERVICIOS AUXILIARES DISPONIBLES El laboratorio Presstech de la Universidad de Valladolid dispone de diferentes servicios auxiliares como distintos gases, corrientes de refrigeración, líneas de venteo, campanas de extracción, electricidad y agua destilada. Líneas de Gases y Venteos: Concretamente, los gases de los que dispone son dióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2), hidrógeno (H2) y aire comprimido. Las líneas de venteo son líneas de extracción con circulación forzada para evitar la expulsión de gases a la atmosfera. Refrigeración: Para refrigerar emplea agua fría a 5 - 7°C y en casos que se necesite una refrigeración mayor se emplea etilenglicol a -20°C. Electricidad: Respecto a la electricidad, el laboratorio dispone de tomas tanto de corriente alterna (220 V) como de corriente trifásica (380 V y 16 A). Agua tratada: En el laboratorio se dispone de dos tipos de agua destilada, tipo I y tipo III. Para la obtención de agua destilada ultrapura (tipo I) se emplea el sistema Mili Q ® que mediante la desionización y tratamiento UV produce agua con las propiedades recogidas en la tabla 11: Tabla 11. Propiedades del agua tipo I ( (Norma ASTM D1193‐06, n.d.) Conductividad eléctrica (µS/cm a 25°C) 0,056 Resistividad eléctrica (MOhmios-cm a 25°C) 18,2 TOC máximo (µg/L) 10 En cambio, el agua tipo III tiene las propiedades recogidas en la tabla 12: Tabla 12. Propiedades del agua tipo III ( (Norma ASTM D1193‐06, n.d.) Conductividad eléctrica (µS/cm a 25°C) 4 Resistividad eléctrica (MOhmios-cm a 25°C) 0,2 TOC máximo (µg/L) 200 41 4.1.6 DIAGRAMA DE BLOQUES 48 4.1.8 BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA Tal y como se indica en el apartado 4.1 (Datos de partida y bases de diseño), la capacidad de tratamiento establecida es 1 cuatrimestre. En este periodo de tiempo se realizan 300 extracciones y por cada extracción se emplean 0,05 Kg de cáscara seca y 2 L de agua mili-Q. Kg cáscara seca=300 extracciones ∙ 0,05Kilogramos extracción =15 Kg L agua=300 extracciones∙ 2 L extracción=600 L Por lo tanto, se necesita disponer de 15 Kg de cáscara seca y 600 L de agua mili-Q para el desarrollo de las extracciones durante 1 cuatrimestre. Tal y como se muestra en el Anexo 1, el experimento realizado en las condiciones óptimas de operación es el denominado “CP_T225P850t0R1000m0.5” y el rendimiento de la extracción de proteínas obtenido es del 8% mediante le análisis BCA y del 9% considerando también el análisis de aminoácidos. Para el cálculo de los balances se considera el valor más conservador, es decir, rendimiento del 8%. Kg proteína=15 Kg cáscara seca ∙ 0,08=1,2 Kg proteína Por otro lado, en el mismo experimento (“CP_T225P850t0R1000m0.5”) el rendimiento obtenido en la co-extracción es del 19,8 %, mostrado en el Anexo 1. Para el cálculo de los kilogramos de extractivos en el agua residual redondeamos a un rendimiento del 20% en la co-extracción. Kg extractivos=15 Kg cáscara seca ∙0,2=3 Kg extractivos Por tanto, durante 1 cuatrimestre se obtienen 1,2 Kilogramos de proteína en polvo y 3Kg de extractivos en el agua residual. Kg fibra=15−1,2−3=10,8 Kg fibra Concluyendo se obtienen 10,8 kilogramos de fibra teóricos, es decir, sin tener en cuenta las pérdidas en las etapas de separación de sólidos. Se conoce que para lavar 1 Kilogramo de proteínas se necesita emplear 10 litros de agua de lavado, agua tipo III. Litros agua=1,2∗ 10=12 L 49 Entonces, para lavar 1,2 Kg de proteínas obtenidas se necesitan 12 litros de agua de lavado. Litros agua residual=600+12=612 L Teniendo en cuenta que se emplean 600 litros de agua mili-Q para la realización de las extracciones y 12 litros de agua tipo III para el lavado de las proteínas, se generarán 612 litros de agua residual. En la tabla 14 se recogen todos los resultados obtenidos por medio de los balances de materia. Tabla 14. Datos obtenidos en los balances de materia Necesidades/cuatrimestre Cantidades Cáscara seca 15 Kg Agua mili-Q 600 L Agua tipo III 12 L Proteína obtenida 1,2 Kg Fibra obtenida 10,8 Kg Agua residual generada 612 L Extractivos en el agua residual 3 Kg Los equipos con necesidades de energía calorífica son el horno (T-100) y los dos extractores, el primer extractor que opera a 225°C (B-100/B-200) y el segundo que opera a 175°C (B-101). El horno de secado (T-100) del laboratorio dispone de tres bandejas, con una capacidad de 1200 gramos de cáscara bruta por bandeja. Por lo tanto, se realizan 6 horas de secado por cargas de 3600 gramos de cáscara bruta. Para el cálculo del calor específico empleado para calentar la cáscara desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de secado (105°C) (ecuación [5]) se necesita el valor de la capacidad calorífica de las mudas, calculado a partir de las capacidades caloríficas de sus componentes mayoritarios (ecuación [4]): Capacidad caloríficaquitina =0,32 Kcal Kg ∙ °C Capacidad caloríficaproteína =0,46 Kcal Kg ∙ °C 50 Capacidad caloríficacarbonato cálcico =0,24 K Kg ∙ °C cmuda =zCaCO3 ∙ cCaCO3+ zprot. ∙ cprot. + zquitina ∙ cquitina [Ec. 4] 𝐜𝐦𝐮𝐝𝐚𝐬 =0,654∙ 0,24+ 0,129∙ 0,46+ 0,217∙ 0,32=𝟎,𝟐𝟗 𝐊𝐜𝐚𝐥 𝐊𝐠 ∙ °𝐂 Q=m󰇗 ∙cmudas ∙∆T [Ec. 5] 𝐐=3,6 ∙ 0,29∙(105−17)=91,872 Kcal=0,107 KW=𝟏𝟎𝟕 𝐖 Y, para el cálculo del calor específico necesario para el secado de las cáscaras se utiliza la ecuación [6]: Q=magua_evaporada ∙∆Hvaporización [Ec. 6] La masa de agua evaporada se corresponde a la diferencia de humedades de las cáscaras, antes y después de la operación de secado, entre el tiempo de operación. Las cáscaras brutas tienen una humedad del 80%, en cambio, las cáscaras secas tienen una humedad del 17%. maguaevaporada =3,6 ∙ 0,8 − 3,6 ∙ 0,017 6 ∙ 3600 =1,3 ∙ 10−4Kg s Y, el delta de vaporización del agua es: ∆Hvaporización =2257 KJ Kg Por tanto, sustituyendo en la ecuación [6] se obtiene: 𝐐=1,3∙10−4 ∙2257=0,295 KW=𝟐𝟗𝟓 𝐖 Concluyendo, la necesidad de energía calorífica del horno (T-100) por carga es: 𝐐=107+295 =𝟒𝟎𝟐 𝐖 51 En cambio, las necesidades de los extractores se calculan mediante la ecuación [7]: Q=V ∙ ρ t∙Cpagua          ∙∆T [Ec. 7] El valor medio del Cp del agua se calcula en el apartado 4.2.5 (RESISTENCIA DE CALENTAMIENTO DE LOS CALENTADORES DE AGUA (C-100) y (C-200)). Por lo tanto, el primer extractor (B-100/B-200) que opera a 225°C durante 10 minutos necesita la siguiente energía calorífica por cada carga: 𝐐=2∙10−3 ∙998,86 10∙60 ∙3,367∙(225−17)=𝟐,𝟑𝟑 𝐊𝐖 En cambio, el segundo extractor (B-101) opera a 175°C durante 10 minutos por lo que necesitará menos energía calorífica por carga, concretamente: 𝑸=2∙10−3 ∙998,86 10∙60 ∙3,367∙(175−17)=𝟏,𝟕𝟕 𝑲𝑾 4.2 INGENIERÍA BÁSICA DE ALGUNOS EQUIPOS DE PROCESO 4.2.1 EXTRACTORES DE LA 1ª Y 2ª ETAPA DE EXTRACCIÓN (B-100, B-200 Y B- 101) Las condiciones de operación utilizadas en las etapas de extracción han sido optimizadas en CAPÍTULO 3. ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA RECUPERACIÓN DE LA FRACCIÓN PROTEICA DE LA CÁSCARA DE LANGOSTINO VANNAMEI. Tanto los extractores B-100 y B-200 como los calentadores C-100 y C-200 son idénticos en diseño, aunque realicen operaciones diferentes. El calentador tiene como función calentar el agua que posteriormente se emplea en la extracción. Y, en el extractor se junta el agua caliente con las mudas y se lleva a cabo la extracción. 52 4.2.1.1 Datos de partida Los datos de partida para el diseño de los extractores están en la tabla 15. Tabla 15. Datos de partida de los extractores Servicio Recipiente sometido a presión y a agitación cuya función es extraer la proteína de la muestra. Capacidad Volumen diseño = 2 L Volumen máximo de llenado = 1,8 L Tipo y forma Recipiente a presión con forma cilíndrica con una capacidad de 2 Litros y colocado en posición vertical. Código de diseño El dimensionado mecánico de los recipientes a presión se ha realizado siguiendo el código ASME Boiler and Pressure Vessel Code Sección VIII Div 1 (ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), Section VIII, Div. 1, 1930). Tiempo de vida Por el servicio y tipo de equipo, especificados anteriormente, se estiman 20 años de vida para el recipiente Temperatura y presión de diseño Tdiseño=300 °C Pdiseño=30 bar Para el dimensionado del equipo es necesario aplicar un cambio de escala (scale-up) con respecto al reactor Berghof BR-25® del laboratorio, cuyas dimensiones se indican en la tabla 16. Se referencia el equipo de laboratorio, el modelo, con el subíndice 1 y al prototipo con el subíndice 2. Tabla 16. Dimensiones del rector Berghof BR-25® Diámetro exterior (D1_int) 4 cm Diámetro interior (D1_ext) 2,5 cm Altura interior (L1_int) 6 cm Altura exterior (L1_ext) 8 cm Altura del líquido (H1) 4 cm Velocidad de agitación (N1) 1000 rpm Diámetro del agitador (Da1) 2,1 cm 53 4.2.2 CÁLCULOS JUSTIFICATIVOS 4.2.2.1 Dimensiones: Diámetro, altura del recipiente y altura del líquido Para el cálculo de las dimensiones del prototipo se aplica el criterio de semejanza geométrica. Se establece el diámetro del agitador como dimensión característica, por lo que las relaciones altura interna del recipiente – diámetro del agitador (Lint/Da), altura del líquido – diámetro del agitador (H/Da) y diámetro del agitador – diámetro interno del tanque (Da/Dint) tienen que ser las mismas tanto en el modelo como en el prototipo, ecuaciones [8], [9] y [10]. Además, también se conoce el volumen del prototipo 2 L), ecuación [11]. 𝐿1𝑖𝑛𝑡 𝐷𝑎1=2,9=𝐿2𝑖𝑛𝑡 𝐷𝑎2 [Ec. 8] 𝐻1𝑖𝑛𝑡 𝐷𝑎1=1,9=𝐻2𝑖𝑛𝑡 𝐷𝑎2 [Ec. 9] 𝐷𝑎1 𝐷1𝑖𝑛𝑡 =0,84=𝐷𝑎2 𝐷2𝑖𝑛𝑡 [Ec. 10] 𝑉2=𝜋 4∙𝐷2𝑖𝑛𝑡2∙𝐿2𝑖𝑛𝑡 [Ec. 11] Por lo que mediante un sistema de 4 ecuaciones y 4 incógnitas se obtienen las dimensiones del prototipo: 𝑫𝟐𝒊𝒏𝒕 =𝟏𝟎,𝟐 𝒄𝒎 𝑳𝟐𝒊𝒏𝒕 =𝟐𝟒,𝟓 𝒄𝒎 𝑫𝒂𝟐=𝟖,𝟔 𝒄𝒎 𝑯𝟐=𝟏𝟔,𝟑𝟐 𝒄𝒎 4.2.2.2 Propiedades de la suspensión Estas propiedades se deben calcular mediante las propiedades del agua y de las mudas. En primer lugar, se debe estimar la densidad y la viscosidad de las mudas a partir de las propiedades de sus componentes mayoritarios. Tal y como se indica en la Tabla 1 (Apartado 1.1 Cáscaras de crustáceos) los componentes mayoritarios de las mudas son Carbonato cálcico (52,8%), proteína (10,4%) y quitina (17,5%), cuyas propiedades son: ρCaCO3=2710 Kg m3 ρproteína = 1320 Kg m3 54 ρquitina =1474,6 Kg m3 La densidad de las mudas se calcula mediante la ecuación [12]: ρmuda =zCaCO3 ∙ ρCaCO3+ zprot. ∙ ρprot. + zquitina ∙ ρquitina [Ec. 12] 𝛒𝐦𝐮𝐝𝐚𝐬 =0,528∙ 2710+ 0,104∙ 1320+ 0,175∙ 1474,6=𝟏𝟖𝟐𝟔,𝟐𝟐 𝐊𝐠 𝐦𝟑 Las propiedades del fluido (agua) en las condiciones de diseño son (Propiedades Termofísicas de Sistemas Fluidos, n.d.): ρagua =12,32 Kg m3 μagua =1,998∙10−5 Kg m∙s El cálculo de la densidad de la suspensión se basa en la relación líquidosólido y se realiza mediante la ecuación [13]: ρsuspensión =zmudas ∙ ρmudas + zagua ∙ ρagua [Ec. 13] 𝛒𝐬𝐮𝐬𝐩𝐞𝐧𝐬𝐢ó𝐧 =0,024∙ 1826,22+ 0,976∙12,32= 𝟓𝟓,𝟖𝟓 𝐊𝐠 𝐦𝟑 Para el cálculo de la viscosidad de la suspensión se emplea la ecuación [14], ecuación de Einstein (Cruz Fernando, 2015): μef μ0=1+5 2∅ [Ec. 14] Siendo: ▪ μef, viscosidad efectiva de la suspensión ▪ μ0, viscosidad del líquido puro ▪ ∅, fracción volumétrica de los sólidos La fracción volumétrica de los sólidos se calcula mediante la relación líquido sólido y la densidad de las mudas, ecuación [15]: ∅= mmudas ρmudas Vtotal =0,5 1826,22 20 ∙ 10−3+0,5 1826,22 =0,0135 [Ec. 15] 55 Despejando de la ecuación [14] la viscosidad efectiva se obtiene: 𝝁𝒆𝒇 =𝟐,𝟎𝟔𝟓∙𝟏𝟎−𝟓 𝑲𝒈 𝒎∙𝒔 4.2.2.3 Velocidad de agitación El criterio de semejanza cinética (ecuación [16]) indica que las velocidades en puntos correspondientes del modelo y del prototipo tienen relaciones constantes (mismos modelos de flujo). 𝑅𝑒1= 𝑅𝑒2 [Ec. 16] 𝜌1 ∙ 𝐷𝑎12 ∙ 𝑁1 𝜇1= 𝜌2 ∙ 𝐷𝑎22 ∙ 𝑁2 𝜇2 [Ec. 17] Por tanto, el valor de la velocidad de agitación del prototipo calculada mediante la ecuación [17] es: 𝑵𝟐=𝟔𝟎,𝟎𝟖 𝒓𝒑𝒎 Como el objetivo de esta agitación es mantener los sólidos en suspensión el criterio de cambio de escala más adecuado es mantener constante el producto N · D. 𝑁1∙ 𝐷𝑎1=𝑁2∙ 𝐷𝑎2 [Ec. 18] Mediante la ecuación [18] se obtiene la velocidad de agitación del prototipo: 𝑵𝟐=𝟐𝟒𝟓,𝟏𝟏 𝒓𝒑𝒎 4.2.2.4 Cálculo del número de Reynolds El número de Reynolds es un número adimensional basado en la relación de las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas de un fluido que se encuentra en constante movimiento. Se define mediante la ecuación [19]. Re= 𝜌∙ 𝐷𝑎2 ∙𝑁 𝜇 [Ec. 19] Las propiedades de densidad y viscosidad son las correspondientes a la suspensión, calculadas en el apartado 4.2.2.2. Por lo tanto, el número de Reynolds del modelo y del prototipo son los siguientes: Remodelo = 20927,01 56 Reprototipo = 85377,50 Para establecer el régimen del fluido es necesario calcular el número Reynolds crítico, ecuación [20], ya que el régimen del fluido será completamente turbulento si el número Reynolds de este es superior al Reynolds crítico. 𝑅𝑒𝑐= 6370 𝑁𝑝𝑡1 3 [Ec. 20] Tabla 17. Valores de la variable Npt (Coulson Richardson’s, 2021) El valor de Npt, como se observa en la tabla 17, varía en función de del tipo de agitador. En este caso al tratarse de una turbina de 6 palas su valor es 1,64. Por lo que el valor del Reynolds crítico es: Rec=5401,63 Concluyendo que el régimen tanto del modelo como del prototipo es turbulento. 4.2.2.5 Potencia de Agitación del recipiente Forzar mediante medios mecánicos a un fluido para que dicho fluido adquiera un movimiento circulatorio en el interior del recipiente, se denomina agitación. El objetivo de la agitación es conseguir que dos fases individuales se distribuyan al azar entre sí, es decir, que se mezclen (Agitacion, n.d.). Los agitadores mecánicos están formados por un rodete montado en un eje impulsado por un motor eléctrico. Y los principales tipos de agitadores son de hélice, de paletas y de turbina (Ecuela superior politécnica del litoral, 2016). 57 El agitador del recipiente dimensionado es una turbina palas inclinadas debido a que son capaces de girar a elevadas velocidades y en un amplio rango de viscosidades. Además, este tipo de agitador tiene una construcción sencilla. Como se indica en el apartado 4.2.2.4 (Cálculo del número Reynolds) el régimen de operación es turbulento. Por ello, se emplea la ecuación [21] para el cálculo de la potencia del agitador 𝑃= 𝐾𝑇∙𝑁3∙𝐷𝑎5∙𝜌 [Ec. 21] Siendo: ▪ P, potencia del agitador (W) ▪ KT, constante de agitación en función del tipo de agitador ▪ N, revoluciones por segundo del agitador (s-1) ▪ Da, diámetro del agitador (m) ▪ 𝜌, densidad del fluido (Kg/m3) La constante de agitación será la misma para el modelo y para el prototipo. Además, experimentalmente se ha determinado la potencia de agitación del reactor Berghof, mediante un watímetro: 𝑃𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 =14,2 𝑊 Asumiendo un rendimiento del 50%, a la suspensión le llegarán aproximadamente: 𝑃𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 =7 𝑊 Despejando la constante de agitación del prototipo de la ecuación [21] se obtiene: 𝐾𝑇= 7 173∙0,0215∙55,85 =6246,43 Con este valor de la constante de agitación se calcula la potencia del agitador del prototipo, mediante la ecuación [21]: 𝑷= 6246,43∙4,173∙0,0615∙55,85= 𝟏𝟏𝟔,𝟓𝑾 = 𝟎,𝟏𝟔 𝐇𝐏 Suponiendo un rendimiento del 50%: la potencia del motor será de 0,32 HP 64 Para el cálculo de la variación de temperatura se considera la temperatura ambiente con la condición más desfavorable, se corresponde a la temperatura mínima del laboratorio. 𝑇𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 =17 °𝐶 Y considerando la temperatura de pared externa igual a la temperatura del contenido del recipiente: 𝑇𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 =225 °𝐶 Concluyendo, las pérdidas de calor por convección natural son: 𝑄=326,29 𝑊 Por tanto, se puede diseñar el aislante para evitar estas pérdidas de calor cuyo espesor se calcula por diferencia de radios como indica la ecuación [32] 𝑒=𝑟2−𝑟1 [Ec. 32] Siendo: - r2, radio exterior (desde el centro del reactor hasta el exterior del aislante) - r1, radio interior (desde el centro del reactor hasta el interior del aislante) Empleando la ley de Fourier, ecuación [33], se obtiene el valor del radio exterior: 𝑞=−𝑘∙2𝜋∙𝑟∙𝐿∙𝑑𝑇 𝑑𝑟 =𝑘∙2𝜋∙𝐿∙ ∆𝑇 ln (𝑟2 𝑟1) [Ec. 33] Siendo: ▪ q, pérdidas de calor (W). ▪ 𝑘, conductividad térmica del material ( 𝑊 𝑚 ∙𝐾). ▪ L, altura del reactor (m) ▪ ∆𝑇, diferencia de temperatura entre el exterior y el interior del recipiente (K). Los cálculos de las pérdidas de calor y la diferencia de temperaturas entre el interior y el exterior del recipiente han sido reflejados previamente en este mismo apartado (4.2.5). Mientras que las dimensiones del reactor (r2 y L) se han calculado en el apartado 4.2.2.1. Además, se ha seleccionado lana de vidrio como aislante, con una conductividad de 0,035 W/m·K Por tanto, despejando de la ecuación [33] se obtiene el valor del radio exterior: 𝑟2=0,053 m 65 Finalmente, mediante la ecuación [32] se calcula el espesor del aislante necesario para evitar las pérdidas de calor es: 𝒆=0,053−0,051=0,002 𝑚=𝟐 𝒎𝒎 66 EXTRACTOR HOJA DE DATOS DE PROCESO REV. 0 Nº FECHA UNIDAD HLP CLIENTE REV. 1 Nº equipo: B-100 / B-200 Cantidad: 2 2 Servicio: Extractor 3 Fluidos: Mudas Litopenaeus Vannamei - Agua mili Q 4 Volumen (L) 2 5 Diámetro (ID) 24,50 cm 6 Horizontal o Vertical: Vertical 7 Agiatdor: SI 8 9 PRESIÓN (barg) TEMPERATURA (°C) 10 Op. 11 Carcasa 30 12 Camisa - 13 Serpentín - 14 15 16 Carcasa 17 Cabezales 18 Camisa 19 Serpentín 20 Agitador 21 22 Dimensiones: 23 Tipo de cabezales: Elipsoidal 24 Código: ASME VIII Div 1 25 16,32 cm 26 27 28 Alivio del estrés por razones de proceso: NO 29 Mínima elevación: 30 Aislamiento: SI Con: Lana de vidiro 31 Espesor: 0,2 cm 32 Resistencia eléctrica: SI 33 34 BOQUILLAS 35 36 37 38 39 40 41 42 NOTAS 43 (1) Pendiente de confirmación. 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 N2 N3 Entrada del líquido Entrada de la suspensión Salida de la suspensión 100 - - - - - 100 Laboratorio PressTech UVA VALLADOLID 225 31 300 Altura: Diseño Op. Diseño - MATERIAL CORROSIÓN Nota 1 Nota 1 - 316L 316L - - Nota 1 Altura del líquido: Cantidad Servicio Marca Nº - 316L PI TIC D 1 1 1 1 1 1 N1 Indicador de presión Indicador-controlador Tª Drenaje POR ´01/06/2023 REV. EA LOCALIZACIÓN 10,2 cm 2,92 W 4.3 HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS 67 EXTRACTOR HOJA DE DATOS DE PROCESO REV. 0 Nº FECHA UNIDAD HLP CLIENTE REV. 1 Nº equipo: B-101 Cantidad: 1 2 Servicio: Extractor 3 Fluidos: Mudas Litopenaeus Vannamei - Agua mili Q 4 Volumen (L) 2 5 Diámetro (ID) 24,50 cm 6 Horizontal o Vertical: Vertical 7 Agiatdor: SI 8 9 PRESIÓN (barg) TEMPERATURA (°C) 10 Op. 11 Carcasa 30 12 Camisa - 13 Serpentín - 14 15 16 Carcasa 17 Cabezales 18 Camisa 19 Serpentín 20 Agitador 21 22 Dimensiones: 23 Tipo de cabezales: Elipsoidal 24 Código: ASME VIII Div 1 25 16,32 cm 26 27 28 Alivio del estrés por razones de proceso: NO 29 Mínima elevación: 30 Aislamiento: SI Con: Lana de vidiro 31 Espesor: 0,2 cm 32 Resistencia eléctrica: SI 33 34 BOQUILLAS 35 36 37 38 39 40 41 42 NOTAS 43 (1) Pendiente de confirmación. 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 Indicador de presión Indicador-controlador Tª Drenaje POR ´01/06/2023 REV. EA LOCALIZACIÓN 10,2 cm 2,92 W PI TIC D 1 1 1 1 1 1 N1 Altura del líquido: Cantidad Servicio Marca Nº - 316L - 316L 316L - - Nota 1 Diseño - MATERIAL CORROSIÓN Nota 1 Nota 1 - 100 Laboratorio PressTech UVA VALLADOLID 175 31 300 Altura: Diseño Op. N2 N3 Entrada del líquido Entrada de la suspensión Salida de la suspensión 100 - - - - 68 4.4 SELECCIÓN DE TANQUE AGITADO COMERCIAL (B-100, B-101 y C-100) Los extractores (B-100, B-200 y B-101) tienen el mismo dimensionado por lo que se adquirirán tres unidades del dispositivo seleccionado. Además, los calentadores C-100 y C-200 son el mismo equipo que los extractores B-100 y B-200. Tomando como base el dimensionado del equipo y las características necesarias de este, se ha seleccionado el reactor comercial ZipperClave® de Parker Autoclave Engineers, cuyas características se recogen en la Tabla 21. Tabla 21. Características Reactor ZipperClave (P.-A. Engineers, n.d.) Condiciones máximas de operación 2,200 psi @ 450 °F (151 bar @ 232 °C) Volumen Diámetro interior Altura interior 2000 mL 5.0” (127 mm) 6.06” (153 mm) Materiales para juntas (Temperatura)*: Nitrile (250 ºF / 121 ºC) Ethylene-Propylene (300 ºF / 149 ºC) PTFE (400 ºF / 204 ºC) Fluorocarbon (450ºF / 232ºC) Silicone (400 ºF / 204 ºC) Perfluoroelastómero (500 ºF / 260 ºC) Materiales del recipiente: ANSI 316 Stainless Steel Hastelloy® C-276 *Se elegirá junta de Perfluoroelastómero Este reactor destaca principalmente por tener un cierre de apertura rápida, permaneciendo la tapa de la unidad fija y desmotando fácilmente el cuerpo. En la figura 18 se puede observar su forma: 69 Figura 18. Reactor Zipperclave (Eutecnet, n.d.) También es necesario seleccionar un agitador adecuado que permita operar a 245,11 rpm. Figura 19. Turbina de palas inclinadas (P.-A. Engineers, n.d.) El agitador seleccionado es una turbina de palas inclinadas (figura 19) adecuado para aplicaciones de líquidos/sólidos a alta velocidad. El ángulo de paso es de 45° y puede especificarse como flujo ascendente o descendente. Además, está provisto de un sólido eje. El diámetro del agitador es de 2’’ (50,8 mm) (P.-A. Engineers, n.d.). El motor Mag075, de velocidad variable conectado mediante una correa MagneDrive®. Es un motor de corriente continua de ½ HP y armaduras de 90 o 180 voltios. Además, estos motores requieren accionamientos electrónicos. 70 4.5 NECESIDADES DE LA PLANTA PILOTO Para el estudio de las necesidades de la planta se establecen 3 ciclos idénticos de 5 semanas cada uno, completando así el cuatrimestre. Las fechas de cada ciclo (para el último cuatrimestre del año 2023) se indican en la tabla 22. Tabla 22. Fechas de los ciclos del cuatrimestre Ciclo Fecha inicio Fecha fin 1 04/09/2023 06/10/2023 2 09/10/2023 10/11/2023 3 13/11/2023 15/12/2023 Se asignan los 9 primeros días del ciclo para el pretratamiento de las cáscaras debido a la capacidad del horno de secado (T-100) del laboratorio y los días restantes para el desarrollo completo de las numerosas extracciones. El secadero spray (T-101) solo se emplea el último día del ciclo debido a su gran capacidad. La programación de las necesidades de servicios auxiliares, de almacenamiento y de los diferentes equipos de la planta se realiza semanalmente. Las líneas naranjas se corresponden a los servicios auxiliares, las azules al almacenamiento y las amarillas a los equipos del laboratorio, tal y como muestran los diagramas de Gantt (Figuras 20-24). Cada color corresponde a: - Servicios Auxiliares - Almacenamiento - Equipos de laboratorio 71 Figura 20. Diagrama de Gantt de la semana 1. Figura 21. Diagrama de Gantt de la semana 2. 72 Figura 22. Diagrama de Gantt de la semana 3. Figura 23. Diagrama de Gantt de la semana 4. 73 Figura 24. Diagrama de Gantt de la semana 5. De forma análoga se organizan las semanas de los ciclos 2 y 3. 80 Cod Repetiti on Temperat ure Applied Energy Severity Factor Isothermal Temperature Isothermal time Rotation speed S/F Particle Size (90%) (-) (-) (°C) Av (J) SD (J) Av (-) SD (- ) Av (°C) SD (°C) (min) (rpm) (mL/ g) Av (µm) SD (µm) Particle size (µm) ( 0min) CP_T175P850t0R1000 R4 + R5 175 13,0 0,2 1,20 3 0,00 7 - - 0 1000 20 483 9 CP_T175P850t0R1000S125 R1 + R2 175 13,3 0,4 1,19 9 0,00 4 - - 0 1000 20 125 6 Particle size (µm) (t = 10 min) CP_T175P850t10R1000 R3 + R4 175 22,9 0,2 4,60 0,04 175,0 0,3 10 1000 20 483 9 CP_175P850t10R1000S125 R1 + R2 175 23,3 0,3 4,46 0,02 175,1 0,2 10 1000 20 125 6 S/F (mL/g) (T = 175 °C) CP_T175P850t0R1000m2 R1 + R2 175 13,2 0,4 1,19 6 0,00 7 - - 0 1000 10 483 9 CP_T175P850t0R1000 R4 + R5 175 13,0 0,2 1,20 3 0,00 7 - - 0 1000 20 483 9 CP_T175P850t0R1000m0.5 R1 + R2 175 12,5 2 0,04 1,18 0,01 - - 0 1000 40 483 9 S/F (mL/g) (T = 225 °C) CP_T225P850t0R1000m2 R1 + R2 225 18,9 0,3 1,87 8 0,00 3 - - 0 1000 10 483 9 CP_T225P850t0R1000 R1 + R2 225 18,6 4 0,07 1,94 8 0,01 3 - - 0 1000 20 483 9 CP_T225P850t0R1000m0.5 R1 + R2 225 18,9 1,2 1,91 5 0,00 9 - - 0 1000 40 483 9 Optimal point CP_T225P850t0R1000m0.5 R1 + R2 225 18,9 1,2 1,91 5 0,00 9 - - 0 1000 40 483 9 Reactor de Berghof R1 + R2 225 273 57 2,34 0,03 - - 0 1000 40 483 9 CP_T225P850t0R1000m0.5S 125 R1 + R2 225 18,3 0,8 1,91 0,02 - - 0 1000 40 125 6 81 Cod Extraction Yield pH Protein (BCA) AA (Ninhydrin ) Suma BCA+AA Co- Extractio n TOC IC TN (-) Av (%) SD (%) Initial (-) Final Av (-) Final SD (-) Av (%) SD (%) Av (%) SD (%) (%) (%) Av (%) SD (%) Av (%) SD (%) Av (%) SD (%) Rotation speed (rpm) CP_T225P850t10R600 31 4 9,43 8,47 0,06 6,1 0,3 2,9 0,4 9,0 22,3 6,3 0,7 0,30 0,06 2,1 0,2 CP_T225P850t10R1000 28, 2 0,7 9,43 8,540 0,014 6,2 0,2 3,4 0,2 9,6 18,6 6,8 9 0,0 9 0,336 8 0,000 5 2,1 9 0,0 3 Temperature (°C) ( 0 min) CP_T225P850t0R1000 24, 7 1,4 9,43 8,80 - 6,6 0,3 1,1 1 0,0 4 7,7 17,0 5,1 0,2 0,192 0,006 1,6 0,2 CP_T175P850t0R1000 16, 8 0,4 9,43 9,000 0,014 3,5 0,2 0,5 4 0,0 2 4,0 12,8 2,4 86 0,0 13 0,210 0,011 0,8 6 0,0 3 Temperature (°C) (10 min) CP_T225P850t10R1000 28, 2 0,7 9,43 8,540 0,014 6,2 0,2 3,4 0,2 9,6 18,6 6,8 9 0,0 9 0,336 8 0,000 5 2,1 9 0,0 3 CP_T175P850t10R1000 22, 8 0,9 9,43 8,70 0,03 6,6 0,5 0,8 0 0,0 5 7,4 15,4 4,9 0,3 0,225 0,002 1,6 6 0,1 4 Isothermal time (min) effect (T = 175 °C) CP_T175P850t0R1000 16, 8 0,4 9,43 9,000 0,014 3,5 0,2 0,5 4 0,0 2 4,0 12,8 2,4 86 0,0 13 0,210 0,011 0,8 6 0,0 3 CP_T175P850t10R1000 22, 8 0,9 9,43 8,70 0,03 6,6 0,5 0,8 0 0,0 5 7,4 15,4 4,9 0,3 0,225 0,002 1,6 6 0,1 4 CP_T175P850t20R1000 23, 9 0,6 9,43 8,460 0,014 5,1 0,5 1,0 6 0,1 1 6,13 17,8 5,2 0,7 0,28 0,03 1,6 0,2 Isothermal time (min) effect (T = 225 °C) CP_T225P850t0R1000 24, 7 1,4 9,43 8,80 - 6,6 0,3 1,1 1 0,0 4 7,7 17,0 5,1 0,2 0,192 0,006 1,6 0,2 CP_T225P850t10R1000 28, 2 0,7 9,43 8,540 0,014 6,2 0,2 3,4 0,2 9,6 18,6 6,8 9 0,0 9 0,336 8 0,000 5 2,1 9 0,0 3 82 Cod Extraction Yield pH Protein (BCA) AA (Ninhydrin ) Suma BCA+AA Co- Extractio n TOC IC TN (-) Av (%) SD (%) Initial (-) Final Av (-) Final SD (-) Av (%) SD (%) Av (%) SD (%) (%) (%) Av (%) SD (%) Av (%) SD (%) Av (%) SD (%) Particle size (0 min) CP_T175P850t0R1000 16, 8 0,4 9,43 9,000 0,014 3,5 0,2 0,5 4 0,0 2 4,0 12,8 2,4 86 0,0 13 0,210 0,011 0,8 6 0,0 3 CP_T175P850t0R1000 S125 21 2 9,43 9,08 0,04 5,9 0,3 0,7 0 0,1 1 6,6 14,4 3,8 0,6 0,164 1 0,000 8 1,2 3 0,0 2 Particle size (10 min) CP_T175P850t10R100 0 22, 8 0,9 9,43 8,70 0,03 6,6 0,5 0,8 0 0,0 5 7,4 15,4 4,9 0,3 0,225 0,002 1,6 6 0,1 4 CP_175P850t10R1000 S125 28, 4 1,2 9,43 8,77 - 5,8 0,3 0,9 2 0,0 5 6,7 21,7 5,6 1 0,0 9 0,199 34 0,000 95 1,7 0 0,0 6 S/F (mL/g) (T = 175 °C) CP_T175P850t0R1000 m2 16, 4 0,5 9,55 8,81 0,08 2,5 0,2 0,5 8 0,0 6 3,1 13,3 2,7 9 0,0 6 0,12 0,02 0,8 4 0,0 6 CP_T175P850t0R1000 16, 8 0,4 9,43 9,000 0,014 3,5 0,2 0,5 4 0,0 2 4,0 12,8 2,4 86 0,0 13 0,210 0,011 0,8 6 0,0 3 CP_T175P850t0R1000 m0.5 18, 65 0,04 9,58 8,99 0,06 4,2 0,4 0,5 8 0,0 3 4,8 13,9 2,5 1 0,0 8 0,28 0,02 0,8 8 0,0 8 S/F (mL/g) (T = 225 °C) CP_T225P850t0R1000 m2 23, 1 0,5 9,55 8,8 0,2 2,7 0,7 1,1 03 0,0 14 3,8 19,3 5,5 0,6 0,14 0,02 1,6 9 0,0 4 CP_T225P850t0R1000 24, 7 1,4 9,43 8,80 - 6,6 0,3 1,1 1 0,0 4 7,7 17,0 5,1 0,2 0,192 0,006 1,6 0,2 CP_T225P850t0R1000 m0.5 28, 8 1,3 9,58 8,77 0,08 8,0 0,3 0,9 7 0,0 2 9,0 19,8 5,2 0,2 0,143 0,005 1,8 1 0,0 6 Optimal point CP_T225P850t0R1000 m0.5 28, 8 1,3 9,58 8,77 0,08 8,0 0,3 0,9 7 0,0 2 9,0 19,8 5,2 0,2 0,143 0,005 1,8 1 0,0 6 Reactor de Berghof 37 2 9,58 8,83 0,02 6,6 0,5 1,9 2 0,0 9 8,5 28,9 5,7 0,4 0,26 0,04 1,9 7 0,0 5 CP_T225P850t0R1000 m0.5S125 32, 15 0,95 9,58 8,82 0,04 7,9 0,3 1,2 0,2 9,1 23,0 5,7 0,3 0,205 0,008 1,9 4 0,0 5 83 ANEXO 2. SELECCIÓN DE MATERIALES. Tabla 23. Selección de material. Fuente: Seán Moran, An Applied Guide to Process and Plant Design, Elsevier IChEmE 2nd Ed. (2019) 84 ANEXO 3. PROPIEDADES DEL ACERO INOXIDABLE Tabla 24. Tablas técnicas del acero inoxidable (Irestal Group, 2010) AUSTENÍTICO SERIE 400 - FER RÍTICO Acero al Cromo - Níquel - Molibdeno Acero refractario Acero al Cromo 316 316 S 316 L 316 Ti 309 310 310 S 409 420 430 C% 0,08 Máx. Mn% 2,00 Máx. Si% 1,00 Máx. Cr% 16,0018,0 0 Ni% 10,0014,0 0 Mo%2,02, 50 C% 0,08 Máx. Mn% 2,00 Máx. Si% 1,00 Máx. Cr% 16,0018,0 0 Ni% 12,0014,0 0 Mo%2,50 3,00 C% 0,03 Máx. Mn% 2,00 Máx. Si% 1,00 Máx. Cr% 16,0018,0 0 Ni% 10,0014,0 0 Mo%2,00 2,50 C% 0,08 Máx. Mn% 2,00 Máx. Si% 1,00 Máx. Cr% 16,0018,0 0 Ni% 10,0014,0 0 Mo%2,00 2,50 Ti5xC%0, 80 C% 0,20 Máx. Mn% 2,00 Máx. Si% 1,00 Máx. Cr% 22,0024,0 0 Ni% 12,0015,0 0 C% 0,25 Máx. Mn% 2,00 Máx. Si% 1,50 Máx. Cr% 24,0026,0 0 Ni% 19,0022,0 0 C% 0,08 Máx. Mn% 2,00 Máx. Si% 1,50 Máx. Cr% 24,0026,0 0 Ni% 19,0022,0 0 C% 0,08 Máx. Mn% 1,00 Máx. Si% 1,00 Máx. Cr% 10,511,75 Ti6xC%0, 75 C% 0,15 Min. Mn% 1,00 Máx. Si% 1,00 Máx. Cr% 12-14 C% 0,10 Máx. Mn% 1,00 Máx. Si% 1,00 Máx. Cr% 16,0018,0 0 7,95 7,95 7,95 7,95 7,9 7,9 7,9 7,7 7,75 7,7 193.000 193.00 0 193.000 193.000 200.000 200.000 200.000 200.000 200.000 200.000 AUSTENÍTI CO AUSTENÍ TICO AUSTENÍTI CO AUSTENÍT ICO AUSTENÍTI CO AUSTENÍTI CO AUSTENÍT ICO FERRÍTIC O MARTENSÍ TICO FERRÍTIC O 500 500 500 500 500 500 500 460 460 460 16 21 16 21 16 21 16 21 12,5 17,5 12,5 17,5 12,5 17,5 - - 28 - 26 27 16,02 16,20 17,46 18,54 16,02 16,20 17,46 18,54 16,02 16,20 17,46 18,54 16,50 18,00 19,00 - 14,9 16,7 17,3 18, - 15,9 16,2 16,9 17,5 15,2 16,6 17,6 18,5 11,7 - - 1 3 10,2 10,8 11,7 12,2 10,4 11, - 11,4 11,9 1371139 8 13711 398 1371139 8 1370 1398145 4 1398145 4 1398145 4 1427151 0 1454151 0 1427151 0 85 AMAGN ÉTICO 1,00 8 AMAGN ÉTICO 1,00 8 AMAGN ÉTICO 1,00 8 AMAGN ÉTIC O 1,02 AMAGN ÉTICO 1,00 8 AMAGN ÉTICO 1,00 8 AMAGN ÉTICO 1,00 8 FERRO - MAGNÉ TICO FERRO - MAGNÉ TICO FERRO - MAGNÉ TICO 0,74 0,74 0,74 0,75 0,78 0,79 0,79 0,59 0,55 0,60 130185 - 130185 - 120170 - 130190 - 140185 - 145210 - 145210 - 120150 - 160190 520225 con tratamiento térmico 13518 0 18023 0 7085 - 7085 - 7085 - 7085 - 7085 - 7085 - 7085 - 6580 - 23 - 7588 - 540690 - 540690 - 520670 - 540690 - 540690 - 540690 - 520670 - 360420 - 67 84154 con tratamiento térmico 44059 0 61090 0 205410 - 205410 - 195370 - 215380 - 215370 - 215370 - 205370 - 205330 - 205330 - 25040 0 40086 0 245 245 235 255 265 265 255 235 235 275 6040 - 6040 - 6040 - 6040 - 5540 - 5540 - 6040 - 3025 - 3025 - 3022 202 7560 7560 7565 7560 7050 7050 7055 - 6055 7060 160 180 160 180 160 180 120 130 160 180 160 180 160 180 95 95 8070 6010 50 65 140 125 105 140 125 105 138 115 95 145 135 125 160 150 145 156 147 137 165 156 147 - - - - - - 245 215 155 166 147 127 166 147 127 161 137 117 176 166 156 - - - - - - 181 171 137 - - - - - - - - - 82 62 20 6,5 82 62 20 6,5 71 53 15,5 5 82 62 20 6,5 - 4 9 13,6 4,9 - 7 0, 6 30 15,5 - 5 8, 5 19,5 5 - - - - - - - - 29,42 16,67 5,88 - 86 ENFR. RÁPIDO 1008 1120 ENFR. RÁPIDO 1008 1120 ENFR. RÁPIDO 1008 1120 ENFR. RÁPIDO 1020 1070 ENFR. RÁPIDO 1036 1120 ENFR. RÁPIDO 1036 1149 ENFR. RÁPIDO 1036 1149 ENFR. AL AIRE 885 ENFR. LENT O 8438 99 ENFR. AL AIRE 7508 15 NO COG E TEM PLE NO COGE TEMPL E NO COGE TEMPL E NO COGE TEMPL E NO COGE TEMPLE NO COGE TEMPLE NO COGE TEMPL E NO COGE TEMPLE 9821 030C Rev. 149371 C NO COGE TEMPLE 1200 925 1200 925 1200 925 1150 750 1175 980 1175 980 1175 980 1150 750 1093114 9C (retardar enfriamento) 1060 650 925 840 925 840 925 840 925 840 1090 1000 1120 1035 1120 1030 800 850 648 809 840 890 MUY BUENA MUY BUENA MUY BUENA BUENA BUENA BUENA BUENA BUENA UNIÓN FRÁGIL BUENA UNIÓN FRÁGIL BASTANTE BUENA UNIÓN FRÁGIL 45% 45% 45% - 45% 45% 45% 50% 45% 55% BUENA BUENA BUENA BUENA BUENA BUENA BUENA BASTANTE BUENA MEDIOCR E BASTANTE BUENA 87 ANEXO 4. CATÁLOGO DE REACTORES COMERCIALES, AUTOCLAVE ENGINEERS 88 89