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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL ÁREA ACADÉMICA DE INGENIERÍA QUÍMICA

DISEÑO DE PLANTAS PI -525 Producción De Colágeno A Partir De La Membrana Que Cubre La Clara Del Huevo Y De Hidróxido De Calcio De La Cascara De Huevo PROFESORES:

Ing. Mg. Freddy Huayta Socantaype Asist. Joel L. Sedano Malpartida INTEGRANTES: 

Aucapiña Emcarnacion, Marcos



Lazo de la cruz, Cesar



Ortiz Aracayo, Diego Ronald PERIODO ACADÉMICO: 2018-1 LIMA – PERÚ

INDICE INDICE DE FIGURAS ................................................................................................................ 3 INDICE DE GRAFICOS ESTADISTICOS .............................................................................. 3 INDICE DE TABLAS .................................................................................................................. 3 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 4 Objetivos Generales.....................................................................Error! Bookmark not defined. Objetivos Específicos...................................................................Error! Bookmark not defined. Fundamento teórico ................................................................................................................... 5 Métodos De Separación Entre La Cáscara Y Membranas ............. Error! Bookmark not defined. A. Separación Química Por Disolución De La Fase Mineralizada . Error! Bookmark not defined. B.

Separación Física Por Diferencia De Densidades ..Error! Bookmark not defined.

C.

Separación Por Tratamiento Con Microondas .....Error! Bookmark not defined.

DESCRIPCIÓN MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE CASCARA DE HUEVO .................. 6 Proceso de producción de hidróxido de calcio de la cascara de huevo obtenido por el método de separación por densidades. ........................................... 6 HIDRÓLISIS ALCALINA COMO MÉTODO DE SOLUBILIZACIÓN DE COMPUESTOS PROTEÍCOS .............................................................................................. 6 

Reacción de hidrólisis alcalina en proteínas .................................................... 6



Hidrólisis de membranas intersticiales .............................................................. 7

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ......................................................................................................... 9 1.

Recepción de la cascara de huevo de gallina ....................................................... 9

2.

Separación por diferencia de densidades .............................................................. 9

3.

Proceso de obtención de hidróxido de sodio...................................................................... 10

4.

Proceso de obtención de Concentrado de proteínas (Colágeno) ....................................... 10

DISCUSIÓN Y RESULTADOS..............................................................Error! Bookmark not defined. BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................................... 15

INDICE DE FIGURAS Figura 1: Cascara de huevo...................................................................................................... 5 Figura 2: Esquema y fotografía de la ubicación y estructura de las membranas testáceas del huevo de gallina. ..................................................Error! Bookmark not defined. Figura 3: Composición química de la membrana (Parte Organica) ... Error! Bookmark not defined. Figura 4: Disolución de la cáscara de huevo de gallina en HCl de distintas concentraciones a 20°C (Benítez et al., 2000, p.2) ................Error! Bookmark not defined. Figura 5: Esquema del funcionamiento del equipo para la separación física de las membranas intersticiales y cáscara a partir de residuos de cáscara de huevo de gallina (MacNeil, 2001).............................................................................Error! Bookmark not defined. Figura 6: Descripción del equipo para la separación física de las membranas y cáscara a partir de residuos de cáscara de huevo de gallina (MacNeil, 2001) Error! Bookmark not defined. Figura 7: Descripción de los componentes del agitador de brazo de arrastre ..........Error! Bookmark not defined. Figura 8: Esquema del mecanismo de reaccion de hidrolisis sobre el enlace peptídico.7 Figura 9: Composición final de las proteínas obtenidas de las membranas ..................... 8 Figura 10: Un esquema general del proceso propuesto por Strohbehn et al. Se muestra en el siguiente diagrama de flujos ............................................................................ 9

INDICE DE GRAFICOS ESTADISTICOS Grafico Estadístico 1: Composición de la cascara de huevo (Parte inorgánica).......Error! Bookmark not defined. Grafico Estadístico 2: Composición de la membrana (Parte orgánica) .... Error! Bookmark not defined.

INDICE DE TABLAS Tabla 1: Composición química de la cascara de huevo (parte inorgánica) ...............Error! Bookmark not defined. Tabla 2: composición de proteínas presentes en la membrana. ........................................ 6 Tabla 3: Evaluación de los métodos de separación de los componentes de los residuos de cáscara de huevo de gallina..................................................Error! Bookmark not defined. Tabla 4: Registro de pesos de las fracciones obtenidas antes y después del proceso de separación por densidades ...................................................Error! Bookmark not defined.

INTRODUCCIÓN Debido a la importante actividad de la industria alimentaria, productos de consumo masivo, avicultura. En torno al huevo de gallina se generan grandes cantidades de subproductos que son gestionados como desechos pero sin embargo pueden ser de alta utilidad y gran rentabilidad. En el Trabajo el objetivo es la extracción de hidróxido de calcio presente en la cáscara de huevo de gallina (RCHG) y la extracción de colágeno presente en las membranas intersticiales de residuos de cáscara de huevo de gallina (RCHG). Se aplicó el método de separación por diferencia de densidades, para aislar la fase proteica (membranas) de la fase mineral cáscara). Con la separación de los constituyentes de los RCHG, se realizaron análisis de caracterización para cada una de las fases, los cuales determinaron que las membranas intersticiales son una fuente significativa de proteína, puesto que contienen alrededor de 71,19 % p/p de proteína, mientras que la fase mineral contiene altas concentraciones de calcio, ya que alcanza valores de 94 mg de Ca / g material. La obtención de hidróxido de calcio de la cáscara de huevo requiere de procesos fisicoquímicos: Calcinación, Enfriamiento e hidratación. La obtención de colágeno de membranas intersticiales se realizaron los siguientes procesos: Hidrolisis alcalina, Enfriamiento, separación de solidos (se puede usar diferentes métodos de filtración como centrifugación, filtración, micro filtración o combinaciones de técnicas de filtración), acondicionamiento de PH, reducción de contenido de sales, concentración por ósmosis inversa y secado por liofilización. El producto final fue un concentrado en polvo de proteína hidrolizada de membranas de cáscara de huevo, con una concentración de 49,94 % de material proteico.

Fundamento teórico Son de especial interés las membranas que se encuentran pegadas a la cáscara, debido al gran valor que aportan por su naturaleza proteica. Dichas estructuras conocidas como membranas intersticiales representan el 3,00 % del peso total de las Residuos de cascara de huevo de gallina y presentan una composición de alrededor de 35,00 % en colágeno (Long et al., 2008, p. 14). El valor potencial del colágeno de membranas de cáscara de huevo de gallina es enorme, especialmente para el campo médico. CÁSCARA DE HUEVO La cáscara es la cubierta exterior del huevo que mantiene su integridad física y actúa como barrera bacteriológica. Está constituida, por una matriz cálcica con un en tramado orgánico, en el que el calcio es el elemento más abundante y de mayor importancia. También se encuentran en su composición otros minerales como sodio, magnesio, Zinc, manganeso, hierro, cobre, aluminio y boro, en menores concentraciones. el cascarón está compuesto en un 94% de carbonato de calcio (en forma de cristales de calcita), además de otros compuestos en menor cantidad como carbonato de magnesio, fosfato de calcio, sodio potásico y otros componentes orgánicos. Huevo entero 100% (en peso) Cáscara

10,5%

Yema

31,0%

Clara

58,5%

Valores aproximados que dependen de la raza y del tipo de ave, así como de la alimentación. Fuente consultada

Figura 1: Cascara de huevo COMPOSICIÓN QUÍMICA Su composición es la siguiente:

Composición % Colágeno 33-38 Ácido hialurónico 4 Sulfato de condroitina 2 Sulfato de glucosamina 2 Sulfato de queratina 1 Lisozima 1 Otras Proteínas 52-57 Tabla 1: composición de proteínas presentes en la membrana. – DESCRIPCIÓN MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE CASCARA DE HUEVO Proceso de producción de hidróxido de calcio de la cascara de huevo obtenido por el método de separación por densidades. Aunque en este proceso se dio una variación, debido a que el óxido de calcio es un compuesto muy higroscópico y al no tenerse control sobre la humedad del ambiente este presento una hidratación dando como resultado hidróxido de calcio (Ca(OH)2) como se muestra en la siguiente reacción CaO + H2O  Ca(OH)2 HIDRÓLISIS ALCALINA COMO MÉTODO DE SOLUBILIZACIÓN DE COMPUESTOS PROTEÍCOS Reacción de hidrólisis alcalina en proteínas En términos generales, la hidrólisis se define como una reacción química en la cual una molécula de agua interactúa con otros compuestos de los cuales resultan otros nuevos, más simples. La hidrólisis provoca la descomposición de los compuestos orgánicos complejos, a través del desplazamiento del grupo saliente de la molécula original por el grupo OH del agua, cuya unión se hace a través de un enlace covalente. En las proteínas, la reacción consiste en la ruptura del enlace peptídico que une a los aminoácidos. Esta reacción puede lograr la aparición de cadenas de péptidos de diversos tamaños, puesto que las cadenas fragmentadas pueden volver a ser divididas. La hidrolisis de proteínas puede conducirse hasta la degradación completa en sus aminoácidos constituyentes. En la Figura 8 muestra cómo se lleva a cabo la reacción de hidrolisis sobre el enlace peptídico de una proteína.

Figura 2: Esquema del mecanismo de reacción de hidrolisis sobre el enlace peptídico.

Hidrólisis de membranas intersticiales Consiste en la concentración del material proteínico presente en las membranas de la cascara de huevo, por medio de su solubilizacíón por hidrolisis alcalina. En el proceso se obtuvo un producto final con una composición de proteína solubilizada. La composición fue esencialmente libre de olores, con un contenido de cenizas de menos del 10,00 % en peso y un contenido de proteína de al menos 90,00 %, que incluye una mezcla de proteínas solubilizadas que no se han desnaturalizado y conservan su actividad biológica.

COMPOSICIÓN DEL PRODUCTO FINAL cenizas 10%

cenizas proteinas

proteinas 90%

Figura 3: Composición final de las proteínas obtenidas de las membranas El proceso es aplicable a nivel industrial, es de bajo costo y mantiene al mismo tiempo tanto la pureza como la actividad de la proteína solubilizada, lo que lo hace rentable. El proceso de hidrólisis alcalina, para la solubilización de proteínas de las membranas intersticiales, tiene la ventaja adicional de que la composición proteica resultante puede ser utilizada como una fuente para el aislamiento y purificación de proteínas específicas como el colágeno.

Membranas intersticiales (Húmedas, congeladas o secas)

Solución básica

HIDROLISIS ALCALINA Membranas solubilizadas con restos sólidos de cáscara

ENFRIAMIENTO Membranas solubilizadas con restos sólidos de cáscara

SEPARACIÓN DE SÓLIDOS SOBRENADANTE Proteínas y polisacáridos Solubilizados

PRECIPITADO Polvo de cáscara (CaCO3) húmedo

ACONDICIONAMIENTO DEL PH SECADO

Agua

Proteínas y polisacáridos Solubilizados + sales

Solución ácida

Polvo de cáscara (CaCO3)

REDUCCIÓN DEL CONTENIDO DE SALES

Sales

Proteínas y polisacáridos Solubilizados con bajo contenido en sales Agua

RECUPERACIÓN DE PROTEÍNAS POR SECADO

CONCENTRACIÓN DE PROTEÍNAS POR FILTRACIÓN

CONCENTRADO DE POLVO DE PROTEÍNAS Y POLISACARIDOS + SALES

Figura 4: Un esquema general del proceso propuesto por Strohbehn et al. Se muestra en el siguiente diagrama de flujos

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO 1. Recepción de la cascara de huevo de gallina En esta primera etapa realizamos la recepción de la materia prima (cascara de huevo). Luego transportamos la Materia prima a realizar la limpieza respectiva con abundante agua para eliminar la mayor cantidad de presencias de yema y albumen. Luego se realiza el enjuague. Luego viene el secado y luego el almacenamiento listo para entrar a la siguiente etapa. 2. Separación por diferencia de densidades Utilizando como referencia la patente del inventor Joseph H. MacNeil ¨METHOD AND APPARATUS FOR SEPARATING A PROTEIN MEMBRANE AND SHELL MATERIAL IN WASTE EGG SHELLS¨ Se trata de un sistema de procesamiento continuo Donde los residuos de cáscara de huevo tienen un tamaño de partícula entre [0.5 – 4] mm El dispositivo de reducción consta de un motor y una cabeza de corte, esta última proporciona un efecto abrasivo que rompe parcialmente la estructura de unión entre las membranas y la cáscara, lo que facilita su separación. La separación total de las membranas y cáscara se da por diferencia de densidades, gracias a la turbulencia creada en el tanque, a través de un agitador de brazo de arrastre, el cual tiene incorporado un motor que provoca una agitación a velocidades muy lentas, la suficiente para lograr la flotabilidad de las partículas de membranas intersticiales y la sedimentación de las partículas de cáscara.

Agua e iones Cly Na+

El sistema cuenta con una bomba de succión de agua que es de tipo centrífuga. El agua y las membranas succionadas desembocan en una banda transportadora con tamiz, que permite retener las partículas de membranas y deja pasar el agua, la cual es recirculada. Las partículas de cáscara caen hacia el doble fondo, a través de la ranura. Por la hendidura del fondo falso atraviesa un primer tornillo sinfín, que transporta las partículas de cáscara alojadas en la ranura hacia un hacia una tolva que las alimenta a un sistema de secado con aire caliente. La temperatura que alcanza este sistema es de 100 °C. Cuando las partículas de cáscara salen de la unidad de secado son recolectadas y almacenadas para posteriores usos. 3. Proceso de obtención de hidróxido de sodio El proceso de molienda previo al tratamiento térmico fue realizado en un molino de alta eficiencia y libre de la mayor cantidad de impurezas posibles. Posterior al proceso de molienda, se realiza un análisis granulométrico donde el polvo obtenido debe presentar un tamaño de partícula entre 53μm-75μm para sus diversas aplicaciones. Luego de obtenido el tamaño de partícula, los polvos de cascaras de huevo pasaron a un horno para un tratamiento térmico, el cual consiste en dos etapas:  La primera etapa consistió en el calentamiento de las cáscaras de huevo a 450ºC durante 2 horas a una velocidad de calentamiento de 5ºC/min, a esta temperatura los compuestos orgánicos que presentan las cáscaras de huevo son eliminados, dejando solo el carbonato de calcio.  La segunda etapa consistió en calcinación del carbonato de calcio a 900 º C durante 2 horas a una velocidad de calentamiento de 0.5ºC/min, cuando se alcanzó esta temperatura la muestra de calcio comenzó a reaccionar liberando dióxido de carbono (CO2) y dando como producto final oxido de calcio, según lo muestra la siguiente reacción: CaCO3  CaO + CO2 El enfriamiento y por último se realiza un proceso de hidratación dando como resultado hidróxido de calcio Ca(OH)2 como se muestra en la siguiente reacción: CaO + H2O  Ca(OH)2. 4. Proceso de obtención de Concentrado de proteínas (Colágeno) El proceso de obtención de colágeno inicia con las membranas intersticiales de cáscara de huevo, es el resultado de la separación por diferencia de densidades, el producto pasa por un proceso de hidrolisis alcalina, acondicionamiento de pH de las proteínas, luego la ósmosis inversa lo permitió que de manera simultánea se realicen las etapas de reducción de contenidos de sales y concentración de proteínas, mientras que a través de la liofilización permite la eliminación del agua del producto hidrolizado, sin

afectar a las proteínas, los cuales son muy sensibles a la temperatura. La obtención del producto final, un concentrado en polvo de proteínas En el siguiente diagrama de bloques se describe de forma más detalla el proceso de obtención de la concentración de proteínas (Colágeno).

DESCRIPCION DEL PROCESO BALANCE DE MASA OBTENCIÓN DE COLAGENO El proceso para la recuperación de proteína hidrolizada a partir de residuos de cáscara de huevo de gallina a nivel de planta es esquematizado a través de las operaciones unitarias establecidas en el diagrama de Flujos. 1) El proceso inicia con la alimentación de los residuos de cáscara de huevo de gallina hacia una centrífuga automática en la Línea (1) 2) Esta centrífuga automática permite la recuperación de albúmina Línea (2) 3) También la recuperación compacta los residuos de cáscara de huevo reduciendo su volumen hasta en un 75,00 % (3A). La recuperación de albúmina se logra hasta un 98,00 % y se convierte en un material aprovechable que toma el nombre de “albúmina técnica”, útil en aplicaciones no alimentarias como el papel a la albúmina utilizado en fotografía. Los residuos de cáscara de huevo de gallina compactados (3A) ingresan a un molino de cuchillas con tamiz de tamaño de poro 0,5 mm que reduce los residuos a partículas de tamaño uniforme (3B). 4) Las partículas de residuos de cáscara de huevo de gallina (3B) se alimentan, junto con una corriente de agua (4), a un tanque agitado de sedimentación, especialmente diseñado para provocar la sedimentación solo de las partículas de cáscara, las mismas que se extraen con una bomba de lodos instalada en el fondo del tanque (7). Debido a la agitación y a la baja densidad, las partículas de membranas intersticiales permanecen flotando y, junto con agua (6), son extraídas del tanque hacia un tamiz con tamaño de poro 0,425 mm que retiene las partículas de

membranas y deja pasar el agua, la misma que se recircula y ayuda a mantener el nivel en el tanque (5). Las partículas de cáscara de huevo sin membranas, recuperadas a manera de lodos (7) del proceso de separación por diferencia de densidades, al igual que la albúmina recuperada, constituye un material aprovechable.

5) La masa húmeda de membranas intersticiales retenidas en el tamiz (8) ingresa en un reactor del tipo enchaquetado con sistema de agitación; junto a las membranas se alimenta una solución de hidróxido de sodio al 5,00 % p/p (9). El proceso de reacción de hidrólisis es batch y requiere de 3,5 h para lograr la solubilización de las membranas con una temperatura de 45 °C, de acuerdo con los datos obtenidos a través del diseño experimental llevado a cabo en el laboratorio. 6) Una vez completado el proceso de hidrólisis alcalina, las membranas de cáscara de huevo solubilizadas (11) se transportan hacia un segundo reactor, en el cual ocurre la precipitación de las proteínas por acondicionamiento del pH con solución de HCl 0,5 N (12). El proceso es semi-batch y tiene lugar en un reactor enchaquetado con sistema de agitación. La alimentación de la solución diluida de ácido clorhídrico ocurre hasta alcanzar un pH de 5,6, al cual solo las proteínas presentes en el hidrolizado precipitan, de acuerdo con datos obtenidos experimentalmente. 7) El precipitado de proteína (14) en solución con el cloruro de sodio formado por la reacción de neutralización y el exceso de ácido clorhídrico son alimentados hacia un módulo de ultrafiltración, con membrana de tamaño de poro 0,03 μm, a través del cual se permea la solución de cloruro de sodio junto con los compuestos no proteicos (15) que se encuentran solubilizados, mientras que se recupera como retenido el precipitado de proteína (16) en solución ácida. 8) El retenido que contiene el precipitado de proteína hidrolizada (16), es alimentado a un tercer reactor en donde se lleva a cabo un proceso de neutralización con solución básica diluida (NaOH 0,1 N). El proceso es semi-batch y ocurre en un reactor enchaquetado con sistema de agitación. La alimentación de la solución de NaOH 0,1 N (17) se realiza hasta cuando el pH 7 es alcanzado. 9) El precipitado de proteína (19), esta vez en solución de cloruro de sodio a pH 7, es alimentado nuevamente al módulo de ultrafiltración, con el objetivo de concentrar el precipitado. Del proceso de ultrafiltración se obtienen dos corrientes. 10) La primera de permeado (20) que corresponde a agua y la segunda de retenido (21A), en la que se encuentra el precipitado de proteína concentrado con un bajo contenido de cloruro de sodio. 11) La cantidad de agua que se encuentra en el concentrado de proteína hidrolizada (21A) es retirada a través de una liofilización, para lo cual, se somete a congelación al concentrado de proteínas a una temperatura de 8,5 °C. La carga congelada (21B) es introducida al equipo de liofilización,

del cual se obtiene el producto final: concentrado en polvo de proteína hidrolizada (23) extraída de membranas intersticiales de cáscara de huevo de gallina. Composición de la Cascara de huevo: Residuos de Cáscara de % Huevo de gallina Cáscara

77

Membrana

3

Albúmina

20

Diagrama De proceso de obtención de Colágeno

BALANCE DE MASA OBTENCIÓN DE HIDRÓXIDO DE CALCIO

El proceso para la recuperación oxido de calcio y luego obtener Hidróxido de calcio a partir de residuos de cáscara de huevo de gallina a nivel de planta es esquematizado a través de las operaciones unitarias establecidas en el diagrama de Flujos. 1) El proceso inicia con la alimentación de los cascaras de huevo libre de membranas intrínsecas obtenidos por el método de separación por densidades. (1) 2) Luego el proceso de molienda se realiza en un molino de alta eficiencia donde el polvo obtenido debe tener un tamaño aproximado de 75μm. Línea (2) 3) Con la finalidad de obtener polvos con un tamaño aproximado de 75μm se realiza un análisis granulométrico, la finalidad de tener este tamaño se da principalmente porque el hidróxido de calcio micro estructuralmente debe presentar un tamaño de partícula entre 53μm-75μm para sus diversos como en el campo de la médica y luego pasa a entrar al calentador. Línea (4) 4) Partículas que no cumplen con el análisis granulométrico (53μm-75μm). Línea (3) 5) El tratamiento de calentamiento presenta 2 etapas donde la 1era etapa consiste en el calentamiento de las cáscaras de huevo a 450ºC durante 2 horas a una velocidad de calentamiento de 5ºC/min, a esta temperatura los compuestos orgánicos (Línea 6) que presentan las cáscaras de huevo son eliminados, dejando solo el carbonato de calcio (Línea 5). 6) La segunda etapa consistie en un calentamiento del carbonato de calcio a 900 ºC durante 2 horas a una velocidad de calentamiento de 0.5ºC/min, cuando se alcanzó esta temperatura la muestra de calcio comenzó a reaccionar liberando dióxido de carbono (CO2) (Línea 8) y dando como producto final oxido de calcio (Línea 7). 7) Luego el oxido de calcio para a un enfriamiento con una línea de agua fría (línea 9) y una salida de agua caliente (Línea 10) luego sale un oxido de calcio frio (línea 11). 8) En el proceso de hidratación de óxido de calcio con un flujo de agua (línea 12) luego de la reacción altamente exotérmica se obtiene el hidróxido de calcio (Línea 13) CaO + H2O  Ca(OH)2

Diagrama De proceso de obtención de hidróxido de calcio

BIBLIOGRAFIA  http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/10458  https://patents.google.com/patent/US6176376?oq=6%2c176%2c376+B1  https://patents.google.com/patent/US6899294B2/en?q=HATCHERY+EGGSHELL+WAST E+PROCESSING+METHOD+AND+DEVICE&oq=HATCHERY+EGGSHELL+WASTE+PROCESSI NG+METHOD+AND+DEVICE