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UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

PROPUESTA PARA EL APROVECHAMIENTO DEL MANGO (Mangifera indica L.) COMO FUENTE PARA PRODUCIR ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)

Tutor académico: Prof. Ms. Jhonny Medina

Autores: SÁNCHEZ, Dayeris SANDOVAL, Oriana

Naguanagua, Junio del 2017

UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

PROPUESTA PARA EL APROVECHAMIENTO DEL MANGO (Mangifera indica L.) COMO FUENTE PARA PRODUCIR ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)

Trabajo Especial de Grado presentado ante la ilustre Universidad de Carabobo para optar al título de Ingeniero Químico

Tutor académico: Prof. Ms. C. Jhonny Medina

Autores: Sánchez, Dayeris C.I. Nº. 17.892.048 Sandoval, Oriana C.I. Nº. 18.362.588

Naguanagua, Junio del 2017

UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

CONSTANCIA DE APROBACIÓN Los abajo firmante miembros del jurado designado para estudiar el Trabajo Especial de Grado titulado “EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO Y TÉRMICO DE MEZCLAS DE ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA) Y POLIESTIRENO (PS).” realizado por los bachilleres: Dayeris Karitza Sánchez Bandez, titular de la cedula de identidad número 17.892.048 y Oriana Josefina Sandoval Cardenas, titular de la cedula de identidad número 18.362.588, hacemos constar que hemos revisado y aprobado dicho trabajo y que no nos hacemos responsable de su contenido, pero lo encontramos correcto en su forma y presentación.

_________________________ Prof. Jhonny Medina Tutor/ Presidente

_________________________

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Prof. XXXXXXXX

Prof. XXXXXXXX

Jurado

Jurado

Valencia, XX de junio de 2017. vi

AGRADECIMIENTOS A Dios y a la Virgen, por darnos fuerzas para superar obstáculos y dificultades a lo largo de la carrera y así lograr alcanzar nuestra meta soñada.

A nuestros Padres por todo el amor, la confianza y el apoyo que me han brindado, mostrándome el camino correcto y acompañándome en cada etapa de mi vida.

A Lic. Vincenzo Storaci y a todos aquellos que hicieron posible el proceso de fermentación y estudio de los microorganismos, a nuestro tutor, Lic. Jhonny Medina y colaboradora Lic. Belén Pariaguán, quien con su apoyo constante, preocupación y conocimientos facilitados, pudimos desarrollar este proyecto, como también a las personas que integran el grato ambiente del Laboratorio de Docencia IV (biotecnología)en la facultad de Facyty al Centro de Investigación Química (CIQ) en la facultad de Ingeniería en donde nos brindaron todo el apoyo posible

A nuestros Novios, por el apoyo de haber sido nuestros compañeros en gran parte de este camino, gracias por estar siempre con nosotras.

También deseamos brindar un agradecimiento a aquellas personas que han estado a nuestro lado apoyándonos incondicionalmente durante todas nuestras vidas.

A la Universidad de Carabobo y Facultad de Ingeniería, por instruirnos y ser nuestro centro de formación académica.

No podemos dejar de mencionar y agradecer a quienes hemos ido encontrando en este largo camino, aprendiendo de cada uno, entregando la mejor de sus voluntades para el logro de nuestros propósitos y permitir que seamos una mejor persona, nuestros amigos.

Y a quien me ha dado la confianza de creer que todo es posible si se desea intensamente.

SANCHEZ, Dayeris y SANDOVAL, Oriana vii

DEDICATORIA Primeramente a Dios, Jesús de Nazareno y la Virgen del Socorro por darme salud, sabiduría, paciencia y la fuerza necesaria para seguir adelante frente a las adversidades. Dedico buena parte de esta tesis a esas personas especiales y muy cercanas a mí, que si no “hubieran estado en corazón y alma”, venciendo la barrera de la distancia, no me hubiera sido posible llegar a superar muchos de los obstáculos encontrados, más allá del plano profesional y académico, para llevar a feliz término esta etapa. A ti Mamá que siempre has estado conmigo, acompañándome y guiándome como sólo una madre sabe hacerlo, por tus constantes enseñanzas y apoyo y comprensión, porque gracias a tu ejemplo avanzo cada día. Muchas gracias por que durante todo ese tiempo sé que siempre estuviste ahí cada mañana cada noche esperando saber de mí, por darme aliento y esperezas de que si se podía. Te amo por ser el pilar de la familia que somos…. A ti papá gracias porque siempre me apoyas, me aconsejas, me comprendes, me estimulas, y porque al igual que mi mamá estuviste día con día aguardando para saber de mí en cualquiera que fuera el momento del día, porque me has enseñado que la fuerza no viene de la capacidad corporal, sino de una férrea voluntad. Y, por todo loque nos brindas con todo tu amor a la familia para nuestra tranquilidad y bienestar. Mil gracias por fortalecernos como familia… A mi novio, por apoyarme tanto e impulsarme constantemente, aún sabiendo que para ello tendríamos que poner distancias mientras esto duraba. A cada uno de mis hermanos, por acompañarme a la distancia y por escucharme siempre, llenos de sentimientos y respeto, porque al igual que ustedes siempre los llevo en el pensamiento constante, porque en esta nueva etapa nos seguimos fortaleciendo sin saberlo las razones por la que cada uno sigue siendo parte de “mi razón de ser”… A mis amados sobrinos, por alegrarme los días cuando estaba presionada en la carrera, porque además ustedes pequeñitos son lo más sagrado que tengo en mi vida. A ese ser especial que aunque ya no están conmigo lo llevare siempre en mi corazón ya que fue mi compañero de apoyo, crecimiento y aventuras durante muchos años de mi vida. A mi familia Sánchez y Bandez porque han seguido mis logros. “En definitiva “A MI PEQUEÑA GRAN FAMILIA”, creciendo y creciendo… … a la cual amo y respeto en estos momentos con unos sentimientos nunca vividos, me sigue permitiendo darme cuenta aún más queTODOS USTEDES, son factores importantes esenciales, por ende, de lo que he”SIDO, SOY y SERÉ” Siempre estaré ahí para todos ustedes, SANCHEZ, Dayeris viii

DEDICATORIA Primeramente a Dios por darme salud, sabiduría, mucha paciencia y la fuerza necesaria para seguir adelante frente a las adversidades. A mi mama, porque sin sus palabras de apoyo, el cariño, amor y paciencia en todo momento jamás habría llegado a finalizar lo que un día fue tan inalcanzable para mí, si ella no hubiese estado a mi lado diciéndome que siguiera siempre adelante a pesar de todo. A mis hermanas a las que siempre estuvieron confiando en lo que yo hacía, y dándome un infinito apoyo moral en los momentos más difíciles de toda mi carrera. . A mi novio, que ha estado a mi lado durante toda mi carrera, brindándome ese apoyo incondicional haciéndome crecer día tras día y ayudándome a solventar los obstáculos que se presentaban gracias por aguantar mis cambios repentinos de humor y creer en mi incluso cuando yo no lo hacía. A mis amigas y amigos, por compartir su amistad, por la innumerable cantidad de buenos momentos que compartimos a lo largo de nuestra vida universitaria y apoyarme en todo momento donde siempre estuvieron allí para decirme que si se podía. A toda mi familia tanto la materna como la paterna que han de alguna manera u otra se encargaron de preocuparse en seguir mis logros y demostrarme su orgullo hacia mí en todo momento. A Lupita que aunque ya no está presente en mi vida me acompaño en todas las noches de desvelo interminables siendo más fiel cada día. Y de manera general a todas esas personas que se cruzaron a lo largo de mi camino en los últimos años y que de manera independiente aportaron algo positivo en mi vida dándome el valor necesario para terminar siendo la persona que soy hoy en día.

SANDOVAL, Oriana ix

UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

PROPUESTA PARA EL APROVECHAMIENTO DEL MANGO (Mangifera indica L.) COMO FUENTE PARA PRODUCIR ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA) Autores: Sánchez Dayeris y Sandoval Oriana Tutor: Jhonny Medina Junio 2017

RESUMEN Muchas de las especies de mangos cultivadas en Venezuela poseen dificultad para ser comercializadas en el mercado internacional, debido a que sus características organolépticas no satisfacen las normas de calidad establecidas en el exterior. Por lo que, en temporadas de cosecha se evidencia una sobre producción, que en ocasiones representa un problema que puede generar un impacto negativo en el ambiente. Es por esto, que se planteó como objetivo de este trabajo especial de grado realizar una propuesta para el aprovechamiento del mango como fuente para producir ácido poliláctico (PLA). Para esto, se seleccionó la especie de mango y el microorganismo para llevar a cabo la fermentación y obtener ácido láctico (AL). Luego se caracterizó el AL obtenido y se polimerizó hasta PLA. Posteriormente, se verificó la biodegradabilidad del PLA, y se realizó un análisis costo-beneficio de la propuesta planteada. Los resultados obtenidos permitieron señalar que el mango bocado es el más adecuado para someterlo a la fermentación, ya que presentó un pH de 5,53, una humedad de 80,95%, 15,06 °Brix y contenido de ceniza de 0,35 %. Por su parte, se escogió una mezcla de Lactobacillus Bulgaricus y el Streptococcus Thermophilus, para llevar a cabo la fermentación. Del proceso fermentativo se obtuvo AL con una concentración de 61,25g/L y un rendimiento de 65,97%. Con un índice de refracción de 1,419; una densidad de 1099,33 Kg/m3; y una viscosidad de 1,868x10-4 Kg/m.s. El producto obtenido de la polimerización fue caracterizado por espectroscopia infrarroja y se observaron las bandas características del PLA. Se obtuvo variaciones apreciables del pH en los medios hidrolíticos utilizados en la degradabilidad del PLA. La relación de costo-beneficio obtenida fue de 0,57 por lo permitió indicar que proceso propuesto es factibles en las condiciones presentadas. Palabras clave: mango, fermentación, microorganismo, ácido láctico, polimerización y ácido poliláctico. x

UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

PROPOSAL FOR THE USE OF THE HANDLE (Mangifera indica L.) AS A SOURCE TO PRODUCE POLYLACTIC ACID (PLA) Autores: Sánchez Dayeris y Sandoval Oriana Tutor: Jhonny Medina Junio 2017

ABSTRACT Many of the species of mangoes grown in Venezuela have difficulties to be commercialized in the international market, because their organoleptic characteristics do not meet the standards of quality established abroad. Therefore, during harvest seasons an overproduction is evident, which sometimes represents a problem that can generate a negative impact on the environment. It is for this reason that it was proposed as an objective of this special grade work to make a proposal for the use of mango as a source to produce polylactic acid (PLA). For this, the mango species and the microorganism were selected to carry out the fermentation and to obtain lactic acid (LA). The obtained AL was then characterized and polymerized to PLA. Subsequently, the biodegradability of the PLA was verified, and a cost-benefit analysis of the proposal was carried out. The results obtained indicated that the bite handle was the most adequate to be submitted to fermentation, since it had a pH of 5.53, humidity of 80.95%, 15.06 ° Brix and ash content of 0.35 %. For its part, a mixture of Lactobacillus Bulgaricus and Streptococcus Thermophilus was chosen to carry out the fermentation. From the fermentation process AL was obtained with a concentration of 61.25 g / L and a yield of 65.97%. With a refractive index of 1.419; A density of 1099.33 kg / m 3; And a viscosity of 1.868x10-4 kg / m.s. The product obtained from the polymerization was characterized by infrared spectroscopy and the characteristic bands of PLA were observed. Significant pH variations were obtained in the hydrolytic media used in the degradability of PLA. The cost-benefit ratio obtained was 0.57 so it was possible to indicate which proposed process is feasible under the presented conditions. Keywords: mango, fermentation, microorganism, lactic acid and polylactic acid polymerization.

xi

CONTENIDO Pág. ÍNDICE DE TABLAS

Xi

ÍNDICE DE FIGURAS

Xiii

INTRODUCCIÓN.

1

CAPÍTULO I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

2

1.1 Descripción del Problema

2

1.2 Formulación del Problema.

3

1.2.1 Situación actual.

4

1.2.2 Situación deseada.

4

1.3 Objetivos.

4

1.3.1 Objetivo General.

4

1.3.2 Objetivos específicos.

5

1.4 Justificación.

5

CAPÍTULO II. MARCO REFERENCIAL TEÓRICO.

6

2.1 ANTECEDENTES.

6

2.2 BASES TEÓRICAS.

9

2.2.1 El mango (Mangifera indica L.)

9

2.2.2 Propiedades nutricionales del mango

10

2.2.3 Producción del mango a nivel nacional

11

2.2.4 Aprovechamiento industrial del mango

13

2.2.5 Variedades del mango en Venezuela

13

2.2.6 Matriz de priorización, matriz de selección o matriz de decisión

15

2.2.7 Bacterias acidas lácticas (BAL)

16

2.2.8 Características generales

17

2.2.9 Lactobacillus

17

2.2.10 Streptococcus

18

2.2.11 Medios de Cultivos

19

2.2.12 Fermentación

20

2.2.13 Fermentación láctica

20

2.2.14 Fermentación sumergida

20

2.2.15 Ácido láctico

22

2.2.16 Propiedades del ácido láctico

22 xii

2.2.17 Producción biotecnológica de ácido láctico

23

2.2.18 Usos y especificaciones de ácido láctico

23

2.2.19 Parámetros de relevancia en la producción de ácido láctico

24

2.2.20 Técnica de polimerización del ácido láctico para obtener ácido poliláctico (PLA)

26

2.2.21 Acido Poliláctico

30

2.2.22 Propiedades del PLA

30

2.2.23 Aplicaciones del PLA

31

2.2.24 Biodegradación

31

2.2.25 Biodegradación de polímeros

31

2.2.26 Degradación enzimática

32

2.2.27 Análisis costo-beneficio

32

CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO.

34

3.1 TIPO DE ESTUDIO O INVESTIGACIÓN.

34

3.2 DESARROLLO SISTEMÁTICO DE LA INVESTIGACIÓN.

34

3.3 OPERACIONALIZACIÓN DE LOS OBJETIVOS.

35

3.3.1 Selección entre las diferentes especies de mango (Mangifera indica L.) cuál posee mejores propiedades con la finalidad de utilizarlo como materia prima.

35

3.3.2 Selección el microorganismo que se empleará en la fermentación del mango (Mangifera indica L.) para obtener el ácido láctico.

39

3.3.3 Caracterización físico-químicamente el ácido láctico obtenido para verificar su rendimiento

43

3.3.4 Polimerización el ácido láctico para obtener ácido poliláctico (PLA).

45

3.3.5 Verificación de la biodegradabilidad de la mezcla en estudio.

47

3.3.6 Realizar un análisis costo-beneficio con el fin de determinar si es posible o no la propuesta

47

CAPÍTULO IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

52

4.1 Seleccionar entre las diferentes especies de mango (Mangifera Indica L.) cuál posee mejores propiedades con la finalidad de utilizarlo como materia prima.

52

4.2 Seleccionar el microorganismo que se empleará en la fermentación del mango (Mangifera Indica L.) para obtener el ácido láctico.

55

4.3 Caracterizar físico-químicamente el ácido láctico obtenido para verificar su rendimiento.

60

4.4 Polimerización del ácido láctico para obtener ácido poliláctico (PLA).

62

xiii

4.5 Verificar la biodegradabilidad de la mezcla en estudio.

66

4.6 Análisis costo-beneficio con el fin de determinar si es posible o no la propuesta.

67

CONCLUSIONES.

70

RECOMENDACIONES.

71

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

72

APÉNDICE A. DATOS RECOLECTADOS PARA LA OBTENCIÓN DE PLA.

80

APÉNDICE B. CALCULOS TIPICOS.

88

xiv

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla

Pág.

2.1 Composición nutricional del mango (Mangifera indica L.)

11

2.2 Características más relevantes de diferentes variedades de mango

14

2.3. Propiedades fisicoquímicas del ácido láctico.

23

3.1. Medios de cultivo utilizados en microorganismos productores de ácido láctico.

40

3.2. Identificación preliminar morfológica y perfil de ocho azucares.

41

3.3. Nutriente utilizados en la preparación del medio de cultivo

42

3.4 Valoración de un mes de trabajo de un ingeniero con hasta un año de experiencia

48

3.5 Cantidad y valoración del personal para la obtención del ácido poliláctico

48

3.6 Costos de los equipos principales para la obtención del ácido poliláctico.

49

3.7 Costos de los análisis y caracterización para la obtención del ácido poliláctico.

50

3.8 Reactivos necesarios para la obtención del ácido poliláctico.

50

4.1 Ponderación obtenida en la valoración de las diferentes especies de Mango Analizadas.

52

4.2 Características de la pulpa del mango Bocado.

54

4.3 Ponderación obtenida en la valoración de los diferentes microorganismo analizados

55

4.4 Evolución de los Parámetros analizados durante el proceso de fermentación.

58

4.5 Porcentaje de producción de ácido láctico obtenido a través de la fermentación del mango bocado.

59

4.6 Características teóricas y obtenidas del ácido láctico producido.

60

4.7 Grupos funcionales presentes en el ácido láctico.

62

4.8 Ponderación obtenida en la selección del métodos de polimerización utilizado.

62

4.9 Valores de la concentración luego de la pre concentración del ácido láctico

64

4.10 Valores de pH obtenidos durante la degradación del polímero en los diferentes medios utilizados.

66

4.11 Aspectos considerados para estimar la relación costos/beneficios.

68

A.1 Variedades de mango (Mangifera indica L.)

80

A.2Método de Moddy para obtener el porcentaje de los parámetros a evaluar en la matriz de selección para la especie del mango.

80

A.3 Variables involucradas en la determinación del contenido de ceniza del mango Bocado.

80

A.4 Variables involucradas en la determinación del pH del mango Bocado.

81

A.5 Variables involucradas en la determinación de °Brix del mango Bocado.

81

xv

Tabla

Pág.

A.6 Variables involucradas en la determinación de humedad del mango Bocado.

81

A.7 Características de géneros comunes de bacterias que producen ácido láctico.

81

A.8Método de Moddy para obtener el porcentaje de los parámetros a evaluar en la matriz de parámetros importantes para la selección del microorganismo.

83

A.9 Requerimientos de nutrientes de los microorganismos y formas comunes de satisfacerlos en cultivos.

83

A.10 Comparación de los nutrientes para diferentes medios de cultivos.

84

A.11 Porcentajes de producción de ácido láctico de diferentes autores.

84

A.12 Variables involucradas en el proceso de fermentación.

85

A.13.Parámetros de interés involucrados en el proceso de fermentación del mango bocado.

85

A.14 Variables involucradas para la determinación de la densidad de ácido láctico.

86

A.15 variables involucradas para la determinación de la viscosidad de ácido láctico.

86

A.16 Métodos de polimerización para la producción de ácido poliláctico (PLA)

86

A.17Método de Moddy para obtener el porcentaje de los parámetros a evaluar en la matriz de parámetros importantes para la selección de la polimerización

87

A.18 Comportamiento del pH de los diferentes medios a lo largo de la degradación.

87

A.19 Valores de pH de los diferentes medios a lo largo de la degradación.

87

xvi

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Frutas de mango Bocado Común (1), Hilacha (2), Pico de Loro (3) y Manga (4) 2.2 Producción de mango en los estados de Venezuela 2.3 Lactobacillus Bulgaricus 2.4 Streptococcus Thermophilus 2.5 Fases del crecimiento microbiano.

Pág. 10 12 18 19 21 22

2.6 Estructuras isométricas del ácido láctico. 2.7 Síntesis de PLA a partir de ácido. 2.8 Reacciones de equilibrio que aparecen en la policondensación directa de LA. 2.9 Mecanismo de la oligomerización.

26 27 28

2.10Reacción de poli condensación del ácido láctico.

28

2.11 Mecanismo de crecimiento de cadena generalizado por coordinación/inserción de lactida a PLA.

29

2.12 Poli (ácido Láctico) (PLA). 3.1 Procedimiento utilizado en el tratamiento de las muestras recolectadas.

30

3.2 Mufla usada en la determinación de cenizas.

37 37

3.3 pH-metro usado en la determinación del pH.

38

3.4 Balanza usada en la determinación de humedad.

38

3.5 Brixometro usado en la medición de °Brix 3.6 Medios de cultivo líquidos y sólidos.

39 41

3.7 Fermentación del mango.

42

3.8 Proceso de separación del ácido láctico.

43

3.9 Ácido láctico obtenido de la fermentación. 3.10 Montaje de la polimerización por condensación.

43 46

3.11 Tubos de ensayos utilizados en la prueba de degradación Hidrolítica.

47

4.1 Colonias de las Lactobacillus Bulgaricus y Bacillus thermophilic.

57 58 61 61

4.2 Comportamiento del pH °Brix y VNaOH durante la fermentación del mango. 4.3 Espectro IR del ácido láctico obtenido con la fermentación del mango. 4.4 Espectro IR del ácido láctico teórico. 4.5 Esquema de las etapas del proceso de polimerización del ácido láctico. 4.6 Espectro IR del ácido poli láctico obtenido por fermentación del mango.

xvii

64 65

INTRODUCCIÓN En Venezuela se producen diferentes especies de mango, ya que es una fruta que mejor se adapta a las diversas condiciones de suelo y clima del país, los mangos más comunes poseen dificultad para ser comercializados en el mercado internacional, ya que sus características no satisfacen las normas de calidad establecidas en el exterior, lo que en las temporadas de cosecha de este genera una sobre producción del mango lo que presenta un problema que acarrea un impacto negativo al medio ambiente debido a la acumulación y descomposición a cielo abierto de la materia orgánica. Por lo que el mango puede ser aprovechado para producir ácido láctico y su posterior polimerización, ya que en la actualidad los polímeros poseen un alto valor agregado debido a la complejidad de sus procesos y así aprovechar los recursos naturales como fuente de polímeros degradables. La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) estimó, para el año 2014, una producción mundial de frutas tropicales cercana a los 82 millones de toneladas. Para esta organización, el mango representa la fruta tropical que más se produce anualmente; con alrededor del 35 % de la producción mundial de frutas tropicales. En cuanto a la producción geográfica de ésta fruta, la FAO señala que el 69% del mango se cosecha en Asia y el Pacífico; el 14% en los países de América Latina y el Caribe, y el 9% en el continente africano. (FAO, 2014). Se ha determinado que las características físicas y químicas de las especies Bocado e Hilacha presentan un contenido de carbohidratos fermentables adecuado para ser considerados como fuentes alternativas para la producción de polímeros degradables. Para producir el ácido láctico se emplea la fermentación de sustratos ricos en carbohidratos por medio de bacterias u hongos. Este es un proceso biotecnológico que posee características viables como: bajos niveles de contaminación, bajo precio de adquisición, poca o ninguna forma de subproductos, rápidas tasa de producción, alto rendimiento y disponibilidad. El objetivo fundamental es el aprovechamiento del mango como materia prima para la generación de ácido láctico, mediante la fermentación con microorganismos, y su posterior polimerización a ácido poliláctico (PLA). Para esto, se realizó un estudio de los diferentes tipos de mango cultivado en Venezuela para determinar cuál se adaptó mejor a las condiciones de fermentación, luego se estudió una serie de microorganismos productores de ácido láctico, seleccionando así los que cumplen con los requisitos para dicha producción, luego se analizaron los diferentes parámetros para la fermentación y así obtener dicho ácido para luego caracterizarlo y polimerizarlo obteniendo el producto final a la que se le realizó una degradación hidrolítica y su posterior análisis de costo beneficio del proceso. Esta investigación tiene como objetivo usar este fruto de poco uso como materia prima y aprovecharlos para la producción y obtención de ácido poliláctico, reduciendo el impacto ambiental que generan los mismos. Este es un gran aporte, porque contribuyen al desarrollo de procesos de menor contaminación y conlleva al desarrollo de nuevas tecnologías amigables al ambiente para la producción industrial. 1

CAPÍTULO I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA A continuación se plantea la problemática, donde se establece el propósito de la investigación en forma general y específica y de esta manera dar a conocer la justificación y limitaciones que pudieran surgir durante el desarrollo de la misma.

1.1 Descripción del problema La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO siglas por su nombre en inglés) en el año 2012 estimó, para el año 2014, una producción mundial de frutas tropicales cercana a los 82 millones de toneladas. Para esta organización, el mango (Mangifera Indica L) representa la fruta tropical que más se produce anualmente; con alrededor del 35 % de la producción mundial de frutas tropicales. En cuanto a la producción geográfica de ésta fruta, la FAO señala que el 69% del mango se cosecha en Asia y el Pacífico; el 14% en los países de América Latina y el Caribe, y el 9% en el continente africano. (FAO, 2014).

En Venezuela, país ubicado en América Latina y el Caribe, se producen diferentes especies de mango (Mangifera Indica L.), ya que constituye la fruta que mejor se adapta a las diversas condiciones de suelo y clima del país (Carrera et al, 2008). Algunos autores han señalado que el mango fue traído al país desde las Antillas, probablemente de Barbados, donde fueron introducidos en 1842, o desde Jamaica donde llegaron en 1782, aunque también es posible que hayan sido traídos desde Trinidad (Pittier, H. 1926; Serpa et al, 1961). Entre los tipos de mango con mayor producción en Venezuela se encuentran: el Bocado, el Hilacha, el Pico de loro y la Manga (Aular et al. 2005). Estos mangos, por su grato y delicioso sabor, son una fruta de gran popularidad y consumo, ampliamente difundida en casi la totalidad del territorio nacional. Sin embargo, el acceso de estas especies a los mercados internacionales, donde otras especies de mango tienen amplia aceptación, se dificulta porque las características de los frutos no satisfacen las normas de calidad establecidas para su comercialización. (Ramírez et al, 2010). De manera, que en las temporadas de cosecha de mango en el país se evidencia en algunas regiones una sobre producción del fruto, que en ocasiones representa un problema que puede generar un impacto negativo en el ambiente. Debido a la acumulación y descomposición a cielo abierto de la materia orgánica.

Ahora bien, Aular y colaboradores (2005) determinaron las características físicas y químicas de las especies Bocado e Hilacha y encontraron que estas especies presentan un contenido de carbohidratos

2

fermentables adecuado para ser considerados como fuentes alternativas para la producción de biopolímeros de alto valor agregado.

El ácido poliláctico (PLA), es un biopolímeros de alto valor agregado, que se produce por polimerización del ácido láctico. Este polímero presenta muchas propiedades iguales o incluso mejores que algunos plásticos tradicionales, por lo que representa una alternativa como material de empaque bastante innovadora y prometedora (Medina et al, 2014).

Por su parte, el ácido láctico es un ácido orgánico, que tiene un carbono asimétrico, el cual da lugar a actividad óptica. Existen dos isómeros ópticos, el D(-) láctico y L(+) láctico y una forma racémica constituida por fracciones equimolares de las formas L(+) y D(-). Ambas formas isométricas del ácido láctico pueden ser polimerizadas y pueden producir polímeros con diferentes propiedades dependiendo de la composición. Este acido, se puede obtener químicamente por fuentes petroquímica, y biotecnológicamente por fuentes renovables.

La producción biotecnológica de ácido láctico se basa en la fermentación de sustratos ricos en carbohidratos por medio de bacterias u hongos para formar los enantiómeros ópticamente activos, los cuales dependen del tipo de microorganismo utilizado. La viabilidad de este proceso biotecnológico está sujeto a las características del recurso natural que se emplea en la fermentación, tales como: bajo precio de adquisición, bajos niveles de contaminantes, rápidas tasa de producción, alto rendimiento, poca o ninguna formación de subproductos, capacidad para ser fermentado con poco o ningún pre-tratamiento y disponibilidad. Entre los recursos naturales empleados para la producción enzimática del ácido láctico, se mencionan: el maíz, la patata, la caña de azúcar, la remolacha, la melaza, entre otros (Medina et al, 2014). En virtud, de lo anterior y en correspondencia a las áreas de interés del Laboratorio de Polímeros del Centro de Investigaciones Químicas de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Carabobo, relacionadas con el aprovechamiento de recursos naturales como fuente de biopolímeros de alto valor agregado, y recuperación a partir de desechos de la industria alimentaria, se planteó como objetivo fundamental de este trabajo especial de grado realizar una propuesta para el aprovechamiento del mango (Mangifera indica L.) como fuente para producir ácido poliláctico (PLA).

1.2 Formulación del problema Dado que en la actualidad la producción del mango ocupa el primer lugar a nivel mundial, y que Venezuela es el país que ocupa el quinto lugar de producción en Suramérica (FAO, 2014). Se ha planteado la posibilidad de aprovechar al mango (Mangifera Indica L.) como fuente para producir ácido poliláctico 3

(PLA). En este sentido, surge las siguientes interrogantes: ¿Cuáles son las condiciones óptimas de operación para obtener el mayor rendimiento de ácido láctico en la fermentación microbiana del mango (Mangifera Indica L.)? ¿Será el mango (Mangifera Indica L.) una alternativa para ser empleado como fuente para producir ácido poliláctico (PLA)?

1.2.1 Situación Actual Los mangos de mayor producción en Venezuela poseen dificultad para ser comercializados en el mercado internacional, debido a que sus características no satisfacen las normas de calidad establecidas en el exterior. Por lo que, en las temporadas de cosecha de mango en el país se evidencia en algunas regiones una sobre producción de mango, que en ocasiones representa un problema que puede generar un impacto negativo en el ambiente. Sin embargo, estas especies de mango presentan un contenido de carbohidratos fermentables adecuado para ser considerados como fuentes alternativas para la producción de biopolímeros.

Ahora bien, en los últimos años los estudios se han dirigido al aprovechamiento de recursos naturales como fuente de biopolímeros de alto valor agregado, y a la recuperación de biopolímeros a partir de desechos de la industria alimentaria, sabiendo que hasta la fecha no existe un polímero producido a base de mango (Mangifera Indica L.) como materia prima y que además sea biodegradable.

1.2.2 Situación Deseada Se pretende utilizar los mangos venezolanos tipos Bocado, Hilacha, Pico de loro y Manga, como fuente para la fermentación láctica debido a su gran contenido de azucares, accesibilidad y bajo costo, para que así sean aprovechados como fuente renovable para la producción de biopolímeros de alto valor agregado y en el beneficio de la sociedad y el ecosistema.

1.3 Objetivos. 1.3.1 Objetivo general Realizar una propuesta para el aprovechamiento del mango (Mangifera indica l.) como fuente para producir ácido poliláctico (PLA)

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1.3.2 Objetivos específicos 1. Seleccionar entre las diferentes especies de mango (Mangifera indica L.) cuál posee mejores propiedades con la finalidad de utilizarlo como materia prima. 2. Seleccionar el microorganismo que se empleará en la fermentación del mango (Mangifera indica L.) para obtener el ácido láctico. 3. Caracterizar físico-químicamente el ácido láctico obtenido para verificar su rendimiento. 4. Polimerizar el ácido láctico para obtener ácido poliláctico (PLA). 5. Verificar la biodegradabilidad de la mezcla en estudio. 6. Realizar un análisis costo-beneficio con el fin de determinar si es posible o no la propuesta.

1.4 Justificación El hecho de poder obtener polímeros biodegradables por medio de la fermentación láctica de una fruta, como es el caso del mango (Mangifera Indica L.), puede llegar a causar un impacto positivo en la sociedad Venezolana, especialmente en aquellas regiones donde esta fruta es producida en grandes cantidades.

Debido a que el ácido poliláctico ofrece muchas propiedades que son equivalentes o mejores que las de muchos plásticos procedentes del petróleo, siendo una característica importante la biodegradabilidad a partir de fuentes renovables, el cual aporta a la industria mayores alternativas para producir envases y convertirse en un sustituto de los actuales plásticos que generan una larga estadía en el ecosistema.

En Venezuela existe cada vez más la necesidad de proteger al ecosistema, y por esto que se deben buscar nuevas alternativas para no depender petróleo en diversos procesos industriales. Por ello se hace evidente la necesidad de crear la fabricación de productos procedentes de recursos renovables, y tengan la menor influencia posible en el ambiente y así aminorar sus costos.

En último lugar, la mayoría de los plásticos convencionales son persistentes en el ambiente, por lo que son una fuente significativa de contaminación ambiental. A través de la investigación se hace evidente la necesidad de aportar conocimientos necesarios para sustituir los polímeros no degradables por biodegradables y así reducir el impacto al ecosistema.

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CAPÍTULO II. MARCO REFERENCIAL TEÓRICO A continuación se presentan los trabajos, investigaciones y bases teóricas sobre los cuáles se fundamentó la presente investigación, permitiendo así una mejor comprensión del tema en estudio.

2.1 ANTECEDENTES Estupiñan y Parada en el año 2007. Obtuvieron el ácido poliláctico mediante policondensación con catalizador de cinc metálico, en este trabajo, se obtuvo PLA a partir de la policondensación de ácido láctico en presencia de un catalizador de zinc metálico; bajo condiciones de vacío y atmósfera inerte. Durante este proceso se varió la concentración de Zn++ y el tiempo de polimerización para obtener muestras poliméricas con diferentes propiedades. El recubrimiento polimérico sobre Ti 6Al4V, se logró a partir de un método de electrodeposición catódica. El material obtenido fue PLA y que su preparación con un iniciador de zinc metálico, promovió la migración y formación de grupos catiónicos que lograron neutralizarse y coagularse sobre la superficie de Ti6Al4V.

Esta investigación tiene similitud con el proyecto a realizar ya que realizan el proceso de purificación del ácido láctico con un catalizador de cinc metálico. A diferencia del presente trabajo experimental no parten inicialmente de la obtención del ácido láctico a partir de un sustrato.

En el año 2010 Araya, Rojas y Velásquez. Realizaron la síntesis de ácido láctico, a través de la hidrólisis enzimática simultánea a la fermentación de un medio a base de un desecho de piña (ananascomosus), para su uso como materia prima en la elaboración de ácido poliláctico. En este trabajo se evaluó el potencial de un desecho agroindustrial de piña para su utilización en la producción de ácido láctico por fermentación, utilizando Lactobacillus casei subespecie rhamnosus. Se realizaron fermentaciones del sustrato de piña como tal e hidrolizado enzimáticamente con invertasa. El tratamiento enzimático permitió aumentar el rendimiento de 84 a 98% y la concentración de ácido láctico de 64 a 75 g/L, al obtenerse un consumo total de los azúcares presentes en el medio hidrolizado, en comparación con la fermentación del medio sin hidrólisis que presentó una concentración residual de sacarosa de 15 g/L. La productividad máxima disminuyó de 5,5 a 3,9 g/L.h de ácido láctico, al realizar el tratamiento enzimático. Debido a la alta eficiencia obtenida en la conversión de los azúcares en ácido láctico, la hidrólisis enzimática del medio es la mejor opción para obtener una concentración mayor de este compuesto y para su potencial aplicación en la producción de plásticos biodegradables.

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A diferencia de este trabajo de investigación se utilizará el mango en vez de la piña como sustrato. Pero al igual que el presente trabajo se realizara la fermentación con la familia de la bacteria Lactobacillus para llevar a cabo el proceso de fermentación.

Perales en el año 2012 presentó la Modificación Estructural del Polietiléntereftalato con Ácido Poliláctico. El presente trabajo de investigación está enfocado en la obtención de mezclas poliméricas PET/APL a diferentes porcentajes de APL (1, 2.5, 5 y 7.5 % en peso). Para llevar a cabo lo anterior, se utilizó el método de extrusión, siendo necesario determinar el perfil de temperaturas para generar interacciones entre los componentes y obtener una mezcla. Los polímeros puros junto con las mezclas fueron caracterizados a través de calorimetría diferencial de barrido (CDB), espectroscopia de infrarrojo por transformadas de Fourier (IRFT), Difracción de rayos X (DRX), microscopía electrónica de barrido (MEB), microscopía de fuerza atómica (MFA), pruebas mecánicas, de degradación y biodegradación. Los resultados indican que la mezcla de PET/APL al 2.5 % en peso, es un polímero dúctil por lo tanto presenta las mejores propiedades de tensión; sin embargo las otras mezclas pueden tener otras aplicaciones. Finalmente, se realizó la síntesis química para obtener el copoliéster PET/APL a diferentes proporciones, pero los resultados que se obtuvieron no fueron los esperados. El material obtenido nunca presentó las características de un polímero termoplástico, siendo el principal problema la degradación térmica del APL.

Esta investigación posee una cierta semejanza con el presente trabajo de investigación ya que se realizan pruebas de determinación de la biodegradabilidad. A diferencia de que se realizará la mezcla con el ácido poliláctico proveniente de la fermentación del mango y no de fuentes comerciales.

Valls en el año 2012 presento una investigación dondese realizó la modificación del ácido poliláctico mediante compuestos polifuncionales. Se llevaron a cabo una serie de experimentos en el laboratorio con el objetivo de encontrar un o varios compuestos polifuncionales capaces de mejorar las propiedades físicas del ácido poliláctico. Con el fin de mejorar tales propiedades, se han utilizado compuestos polifuncionales de tres grupos diferentes: polioles, anhídridos ácidos y compuestos epoxidados. Se han preparado películas con las muestras antes y después de hacerlas reaccionar. Éstas se han caracterizado mediante equipos de FT-IR, RMN y cromatografía HLPC con el fin de determinar cualitativamente y cuantitativamente si la reacción realmente se ha dado, y si esta ha permitido mejorar las propiedades físicas así como el peso molecular del PLA.

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Este proyecto en cuanto a la presente investigación es similar debido a que plantean de manera muy clara las posibilidades de purificación del ácido láctico una vez obtenido para su posterior polimerización, y estás será empleado en el presente proceso experimental. Se diferencia en que fusionan el ácido poliláctico con diferentes compuestos polifuncionales y su meta es mejorar las características del PLA.

En el año 2013 Castro y Lugo. Realizaron la Obtención de poli (ácido láctico) (PLA) mediante la evaluación del proceso de fermentación del mosto de cují (prosopisjuliflora).El presente trabajo de investigación se realizó con el fin de obtener un producto de uso comercial que no represente una amenaza al ecosistema, en este caso un biopolímero totalmente biodegradable que sea derivado de recursos renovables como el cují (Prosopisjuliflora) el cual es un árbol de tipo leguminoso, rico en proteínas y contiene azúcares fermentables, razón por la cual surge la idea de emplearlo como materia prima. En el proceso de fermentación del mosto de cují (Prosopisjuliflora), se evaluó la calidad fisicoquímica y microbiológica del fruto. Se realizó la fermentación con Lactobacillus bulgaricus en condiciones de pH y temperatura controlada, para la obtención del ácido láctico. Se hizo una policondensación directa del ácido láctico en un tiempo de 24 horas y con una concentración de catalizador 1% de zinc metálico para la obtención del poli (ácido láctico) y finalmente se caracterizó el PLA. Los resultados obtenidos, permitieron determinar qué el descenso de pH no se correlaciona linealmente con el ácido producido, las altas temperaturas, favorecen la fermentación más rápida, provocando el desarrollo de otros microorganismos perturbadores, Lactobacillus bulgaricus se adaptó al nuevo sustrato de una forma rápida y eficiente, en el proceso de fermentación se demostró que trabajando bajo las condiciones establecidas de temperaturas de 34–40 ºC, pH de 4-5 y 14 ºBrix se tiene un crecimiento óptimo de la bacteria Lactobacillus bulgaricus dando favorablemente como producto final en la fermentación el ácido láctico con un 13.93% de rendimiento, posteriormente en la polimerización del ácido láctico se observó un capa blanca indicando que se produjo de manera eficiente el poli (ácido láctico) (PLA).

Este trabajo experimental servirá de bases fundamentales para la investigación debido a que utilizan como materia prima un fruto vegetal (Cují) para elaborar un polímero a partir del proceso de fermentación al igual que esta investigación se llevará a cabo el proceso de fermentación para obtener el ácido láctico pero a diferencia de que se utilizará el mango como materia prima.

Nava y Núñez en el año 2013 presentó una investigación donde se evalúa el biopolímero obtenido a partir de la pectina extraída de desechos de cáscaras de frutos de parchita (passifloraedulin) y naranja (citrus sinensis). Con la realización de esta investigación se planteó utilizar los desechos de bolsas de PEBD y a las cáscaras de frutas y se buscó evaluar polímeros degradables, a partir de la pectina extraída de las 8

cáscaras de la naranja y parchita a concentraciones de pectina a 1, 2,5 y 5%. Para obtener la pectina se realizó una hidrólisis ácida al albedo de la naranja y la cáscara de la parchita con HCl, posterior a ello se le aplicó un proceso de secado a temperatura de 60 ºC, para luego pulverizar y envasar. Obtenida la pectina se le realizó la caracterización fisicoquímica con un rendimiento aceptable entre 1 y 2,16 % y luego se utilizó para realizar una polimerización por disolución usando el PEBD y el solvente, donde se obtuvieron buenos resultados para la polimerización a una temperatura superior de 100ºC dando lugar a la formación de una masa que fue sometida a prensado para obtener los biopolímeros. Posteriormente se le realizaron análisis fisicoquímicos de densidad, punto de fusión, ensayo a la llama, ensayos mecánicos e infrarrojo que resultaron similares a un PEBD. A su vez se le realizó un estudio de biodegrabilidad en suelo y con las especie de hongos Aspergillus nígery Trichodermaspen los medios de cultivo Czapekdoxmodificado, esto con el fin de determinar si este poseía características biodegradables. Obteniendo una degradación importante en los periodos expuestos de 0, 30 y 60 días con una mayor degradación en las muestras en contacto con el Trichodermaspen las muestras con pectina de parchita, verificándose la degradación con un análisis de infrarrojo.

Al igual que el trabajo experimental a realizar esta investigación obtuvo los periodos de exposición del polímero obtenido para verificar su tiempo de degradación en suelos. Y teniendo como diferencia que para su medio de cultivo utilizaron hongos en vez de bacterias.

2.2 BASES TEÓRICAS 2.2.1

El mango (Mangifera indica L.)

El mango es una planta que pertenece al PhylumAngiospermae, Subphylum o Clase Dicotiledoneae, División Lignosae, Orden Sapindales, Familia Anacardeaceae, Género Mangífera y Especie indica, el cual comprende unas 39 especies, nativas del sureste de Asia e islas circundantes, salvo la Mangifera africana que se encuentra en África (Ascanio y Pinto, 2011).

El mango (Mangifera indica L.) pertenece a la familia botánica de las Anacardiáceas (Anacardiaceae), es una de las frutas tropicales de mayor consumo fresco en el mundo. Originario de la India, su producción se extiende a lo largo de la franja intertropical, habiendo sido traído a Venezuela en 1842 desde las Antillas (Avilán y col., 1993; Avilán y Rengifo, 1990), desde su introducción ha sido una de las especies que mejor se ha adaptado a las diversas condiciones de suelo y clima que existen en Venezuela (Meléndez y col., 1999).

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Es un cultivo perenne de floración estacional, cuyos árboles jóvenes inician su producción generalmente entre el tercer y cuarto año dependiendo de la variedad (Terranova editores, 1995). En Venezuela, casi todos los cultivares florecen durante los meses de diciembre, enero y febrero y se cosecha de abril a julio, dependiendo del cultivar y de las condiciones agroecológicas de la zona (Avilán y Rengifo, 1990). El árbol crece hasta 15 mde altura y forma una amplia copa con numerosas ramas altas y abiertas (INCA, 2004).

El fruto clasificado como una drupa que encierra un hueso aplanado rodeado por una cubierta leñosa (Avilán y Rengifo, 1990), es de forma muy variable, pero generalmente es ovoide, oblongo o arriñonado, a veces redondeado u obtuso en ambos extremos, de 5 a 15 cm de longitud. Las propiedades organolépticas del fruto como: color, aroma, sabor y olor de la pulpa tienden a presentar versatilidad dependiendo de la variedad del mango. Sin embargo, suelen ser, verdes, amarillos, diferentes tonalidades de rojo, mate o con brillo cuando están maduros. Su pulpa, de color amarillo intenso a casi anaranjada, con un sabor muy dulce y aromático (Cevallos, 2006; Terranova editores, 1995).

Los mangos se agrupan en la raza Hindú y la Filipina (Aular, J. y Rodríguez, Y. (2005); de esta última destacan los criollos, los cuales se caracterizan por presentar frutos con coloración amarilla o verdosa, ausencia de manchas rojizas y moderada resistencia a la antracnosis en Venezuela son Bocado, Hilacha, Pico de loro y Manga (Aular et al., 1996) Ver figura 2.1.

Figura 2.1. Frutas de mango Bocado Común (1), Hilacha (2), Pico de Loro (3) y Manga (4)

2.2.2

Propiedades nutricionales del mango

El mango presenta un bajo contenido calórico, debido a su moderado contenido de carbohidratos. Contiene un adecuado aporte de minerales como potasio, calcio y magnesio. En cuanto a las vitaminas, los frutos maduros son una importante fuente de provitamina A, vitamina C y betacarotenos (Rivas, 1984;

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Cevallos, 2006). También es una fuente importante de vitamina E y folatos, y en menor medida otras vitaminascomoB2 y niacina. Entre los minerales que contiene el mango destacan el potasio y el magnesio, aunque presenta pequeñas cantidades de hierro, fósforo y calcio (Serna y Becerra, 1987), siendo una buena fuente de estos nutrientes. De igual manera, constituyen un gran aporte de proteínas, grasas (Serna y Becerra, 1987) fibras solubles (pectinas), ácidos orgánicos (cítrico y málico) y taninos, valores que se pueden apreciar en la tabla 2.1.

Tabla 2.1. Composición nutricional del mango (Mangifera indica L.) Agua Calorías (Cal) Proteínas (g) Grasa (g) Carbohidratos totales (g) Fibra (g) Ceniza (g) Calcio (mg) Fósforo (mg) Hierro (mg) Sodio (mg) Potasio (mg) Vitamina A (UI) Tiamina (mg) Riboflavina (mg) Niacina (mg) Ácido Ascórbico (mg) Fuente: Ospina et al, 2012.

81,7% 66 0,7 0,4 16,8 0,9 0,4 10 13 0,4 7,0 189 4800 0,05 0,05 1,1 35

2.2.3 Producción del mango a nivel nacional Los mangos son frutales de amplia propagación y consumo a nivel nacional. Las plantaciones comerciales en el país están limitadas a una altitud inferior a los 600 m, temperatura media anual de 26ºC y suelos sin limitaciones de drenajes. Las plantaciones están distribuidas en los estados Centrales y parte del estado Zulia. La explotación del mango se realiza bajo tres (3) sistemas de producción: tradicional explotación como cultivo único, asociado con cultivos de ciclo corto o perenne y alta densidad poco frecuente en el país.

En Venezuela el mango ocupa el cuarto lugar en cuanto a volúmenes de producción agrícola, siendo la variedad Bocado la que genera mayor cantidad de fruto por planta. Sin embargo, en los últimos años, se ha reflejado una disminución fluctuante en la producción, que es justificada por el envejecimiento de las

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plantaciones existentes, que las más recientes no han podido suplantar efectivamente, pero que se han mantenido en un margen aceptable la disponibilidad del fruto a nivel nacional y regional.

La producción nacional está fundamentalmente dirigida como fruta fresca a los mercados internos, aunque en los últimos años se ha venido incrementando su participación a nivel industrial y como producto de explotación. Con relación a su exportación, aunque presenta grandes perspectivas, es muy limitada. Entre los países a los que más se realizan exportaciones destacan el Reino Unido: 50,5%, Antillas Neerlandesas: 12,2% y Canadá: 7,57%. (Álvarez y Medina, 2008). Actualmente en el país se produce alrededor de 40 mil 45 toneladas de mango en el área industrial, según el Ministerio de Agricultura y Tierras.El estado Monagas es el mayor productor de esta fruta y 26,76% de la población venezolana la consume, de acuerdo con información del Instituto Nacional de Estadística (INE). Ver figura 2.2

Figura 2.2. Producción de mango en los estados de Venezuela. (VII Censo Agrícola Nacional, 2008) 12

2.2.4

Aprovechamiento industrial del mango

El mango tiene diferentes aplicaciones agroindustriales. Uno de los usos más comunes que se le da a este fruto es la obtención de pulpa, la cual se utiliza como materia prima en la producción de otros productos tales como; jugo de mango, néctar de mango, vino de mango, mango deshidratado u orejones, helados de mango, conservas de mango, dulces enlatados, salsas, yogurt de mango, mermeladas de mango, entre otros (Terranova editores, 1995; Arriola, 1986; CNP, 1998). Además, de la elaboración de la pulpa de mango se pueden obtener varios productos secundarios, ya que la parte comestible representa un 33 – 85 % aproximadamente de la fruta fresca, mientras que la cáscara y la semilla cerca de un 7 – 24 % y 9 – 40 % respectivamente. Los productos secundarios que se generan del procesamiento industrial del mango suman cerca del 35 – 60 % del peso total de la fruta (Berardini y col., 2005).

Los subproductos por ejemplo, las semillas del mango pueden ser usadas para la obtención de grasas, antioxidantes naturales, almidones, harinas, aceites y piensos para animales (Bernardini y col., 2005). En el caso de las cáscaras, éstas son usadas para producción de biogás, fibra dietética con una alta actividad enzimática, otros estudios han demostrado la posibilidad de utilizarlas cáscaras del mango como fuente para la obtención de pectinas (Bernardini y col., 2005).

2.2.5

Variedades del mango en Venezuela.

En la explotación comercial agrícola de cualquier rubro, la selección adecuada de los materiales vegetales juega un papel fundamental para asegurar su éxito y adquiere mayor relevancia cuando se trata de especies perennes como el mango. Este fruto tiene una elevada heterogeneidad, lo cual trae como consecuencia una gran diversidad de formas y tamaños, tanto en lo que concierne a la conformación general o arquitectura de la planta, como en lo referente al peso, color y forma de sus frutos.

En cada descripción se suministran detalles acerca de la conformación de la copa, hojas, y frutos. Dado que el fruto constituye uno de los elementos básicos para reconocer un material se presentan los diferentes aspectos de sus formas, los porcentajes que representan, la parte comestible o pulpa y el hueso, en relación con totalidad del fruto. Ver tabla 2.2.

El hueso de consistencia dura, leñosa comúnmente denominada semilla, en realidad es el endocarpo, el cual contiene en su interior a la verdadera semilla.

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Tabla 2.2. Características más relevantes de diferentes variedades de mango. Variedad Haden

Árbol

Fruto

Alto >10m, de crecimiento erecto y copa circular; hojas elípticaslanceoladas, de color verde amarillento.

Tamaño grande (493g), forma ovoide-oblicua, con 10 a 12cm de largo y de 8 a 9cm de ancho, 8 a 9cm de grosor, base redondeada.

Alto >10m, de crecimiento erecto y copa circular; hojas lanceoladas, de color marrón pardo.

Tamaño grande (470g), forma ovoide-oblicuo, de 11 a 12cm de largo, 8 a 9 cm de ancho, y 8cm de grosor, base aplanada.

Alto >10m, de crecimiento erecto y copa rectangular a ovoidal; hojas ovadolanceoladas, de color verde amarillento.

Tamaño grande (416g), forma oblonga y con frecuencia elíptica, de 12 a 14cm de largo, 8cm de ancho, y 7cm de grosor, base oblicua.

Árbol mediano de 5 a 10m, de crecimiento erecto y copa semicircular. Hojas elípticoslanceoladas, de color verde amarillento

De porte medio con una copa vertical y compacta

Cascara Textura liza, de gran espesor (1,9mm), y de color amarillo brillante, con abundante tonalidad rojiza, y color gris, amarillo cremoso.

Pulpa

Hueso

Espesor medio (2cm) textura firme, representa el 72% del fruto, de color amarillo anaranjado con presencia de fibra, sabor dulce y aroma moderado.

Pesado (43g), representando el 8% del peso del fruto; de forma elíptica.

Textura lisa y gruesa (2mm), de color rojo purpura y tonalidades verde y amarillo.

Gruesa y firme representando el 83% del peso del fruto, de color amarillo tostado, rara presencia de fibras gruesas.

Pesado (48g), representando el 10% del fruto, forma elíptica.

Textura lisa y gruesa (2mm), de color verde amarillento oscuro, color purpura abundante.

Espesor medio, textura firme, representa el 73% del fruto, de color amarillo anaranjado con presencia de fibra fina y larga, sabor agridulce.

Peso medio (40g), representando el 9% del fruto, forma elíptica

Tamaño grande (354g), forma elíptica, de 11 a 12cm de largo, 7cm de ancho, y 7cm de grosor, base ligeramente aplanada.

Textura lisa, espesor fino (0,8mm), de color amarillo y tonalidad rojiza purpura.

Espesor medio (2,5cm), textura blanda, representa el 80% del fruto, de color amarillo tostado con presencia de fibra gruesa y larga, sabor dulce y aroma moderado.

Peso liviano (25g), representando el 7% del fruto, forma elíptica

Fruto grande, peso (600-700g), forma oval con base redondeada

Piel delgada con color atractivo verde amarillento, y su base roja oscura

Pulpa de color anaranjado, pequeñas fibras y moderada dulzura, aroma moderado

Representa el 9% del peso total de la fruta

Tommy Atkins

Palmer

Irwin

Kent

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Tabla 2.2. Características más relevantes de diferentes variedades de mango. (continuación) Bocado

Mediano de 5 a 10m, crecimiento erecto y copa circular, hojas elípticalanceoladas de color verde amarillento.

De tamaño pequeño, peso (157g), forma oblongo-oval, de 7 a 8cm de largo, 6cm de ancho y de 5 a 6cm de grosor, base aplanada.

Lisa, de espesor medio y color amarillo fuerte.

Mediano de 5 a 10m, crecimiento erecto y copa circular, hojas lanceoladas de color marrón pardo.

De tamaño mediano, peso (259g), forma oblongo-oval, de 9 a 10cm de largo, 7cm de ancho y 6cm de grosor con base aplanada.

Lisa, de espesor medio (1,6mm), de color amarillo claro y con ciertas tonalidades verdes.

Mediano de 5 a 10 m, crecimiento erecto y copa circular, hojas de color marrón pardo.

De gran tamaño (520g), de forma oblongo-oval; de 11 a 13cm de largo, de 8 a 9cm de ancho, de 8cm de grosor, base redondeada.

Textura lisa, de espesor medio (1mm), de color amarillo intenso, y cierta tonalidad purpura.

Pequeño de 8m, hojas elípticalanceoladas de color purpura y luego se tornan castañas.

De forma oblongoreniforme, de bajo peso (185g), posee un pico prominente y curvo, con un lomo de curvatura larga.

De color amarillaanaranjada, de poco grosor, fuerte y adherida a la pulpa

Hilacha

Manga

Pico de Loro

De espesor medio y textura fina, representa el 66% del fruto, de color amarillo fuerte con presencia de fibras finas y largas, sabor dulce y aroma moderado. De espesor medio y textura firme, representa el 66% del fruto, de color amarillo claro con presencia de abúndate fibras, gruesas y largas. Sabor dulce con cierto contenido de trementina. Aroma moderado. De espesor medio y textura firme, representando el 71% del fruto. Color amarillo anaranjado con presencia media de fibras, sabor dulce y aroma moderado.

De peso medio (36g), representa el 15% del peso del fruto, de forma elíptica.

De color amarilla y textura suave, representa el 76% del peso total del fruto, con abundante fibra y con sabor algo acido. Aroma moderado.

Forma oblonga de gran peso, y pesa aproximadamente 26g.

Peso liviano (25g), representa el 16% del peso del fruto, de forma elíptica.

Peso medio (40g), representa el 8% del peso del fruto; de forma elíptica.

Fuente: Sergent Eduardo, 1999.

2.2.6

Matriz de priorización, matriz de selección o matriz de decisión.

La matriz de priorización es una herramienta que permite la selección de opciones sobre la base de la ponderación y aplicación de criterios para la toma de decisiones (AITECO, 2013). Esta matriz constituye una de las siete nuevas herramientas de gestión y planificación que sirven de apoyo a la estrategia de la calidad total. Hace posible determinar alternativas y los criterios a considerar para adoptar una decisión, priorizar y clarificar problemas, oportunidades de mejora y proyectos. En general, establece prioridades entre un conjunto de elementos para facilitar la toma de decisiones (Vilar, 1997).

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La aplicación de la matriz de priorización conlleva un paso previo de determinación de las opciones sobre las que decidir, como el factor de peso o ponderación que cada una de las variables que se tendrá en la ejecución de la matriz de selección. Esta matriz es llamada matriz de prioridades de Moody. Para seleccionar la mejor opción, en la matriz de priorización se compara cada alternativa sobre la base de la combinación de las variables, multiplicando el valor del factor de peso (para cada criterio) por el valor de la calificación de la alternativa y luego sumar cada fila para obtener el puntaje final para cada opción. Finalmente seleccionar la opción de mayor puntaje (AITECO, 2013).  Matriz de prioridades de Moody Esta herramienta sirve para enumerar alternativas por orden de importancia, tratando de identificar el factor que tiene la mayor influencia, según la ponderación que se obtenga en la ejecución. Esta matriz utiliza la técnica del diagrama matricial, que consiste en colocar a cada lado las variables consideradas y comparándolas entre sí, con el objetivo de decidir la prioridad e importancia con cada una de ellas (Vilar, 1997). Por medio de la comparación se le asigna una ponderación a cada variable según el grado de determinación, dependencia o prioridad sobre las demás.  Factor de peso Dicho factor es necesario, para los criterios que se juzgaran en las opciones contra las demás. Se crea una matriz de pares, colocando en la tabla, tanto en las filas como en columnas, cada una de las variables. Comparando la importancia de cada una de ellas contra las demás medidos de la siguiente forma: una ponderación de 1 para el parámetro de mayor prioridad, 0 para el de menor prioridad, y 0,5 para variables idénticas. Se suman los valores de cada variable para llegar a un total. Luego, al totalizar la ponderación de cada una y dividirlas entre el total de todas se obtiene el factor de peso que tiene cada variable para el estudio, necesarias para la posterior utilización en la matriz de Moody (Vilar, 1997).

2.2.7

Bacterias ácido lácticas (BAL)

Las BAL fueron descubiertas en 1857 por Louis Pasteur siendo profesor de química y decano de ciencias en la universidad de Lille en Francia mientras realizaba estudios tras la consulta de los vinicultores de la región, de por qué se les descomponía y acidificaba el vino. En pocas semanas descubrió que la substancia que lo alteraba era el ácido láctico, producto de la fermentación láctica desencadenada

por

ciertos microorganismos. El término “Bacteriumacidilactici” se debe a

Weigmamn que lo propuso en 1889 al definirlas como bacterias que forman leche ácida a partir del azúcar de la leche (Fernández, 2000; Jay, 2000). 16

2.2.8

Características generales

Las BAL poseen características ecológicas y metabólicas de importancia económica y tecnológica en los alimentos. Su clasificación se basa en la morfología, la forma de fermentar la glucosa, su desarrollo a diferentes temperaturas, la configuración del ácido láctico producido, la habilidad de crecer a altas concentraciones de sal, tolerancia a la alcalinidad y acidez (Axelsson, 2004).

En la actualidad, el grupo de las BAL está conformado por cocos, cocobacilos o bacilos Gram positivos, generalmente inmóviles y no esporulados, catalasa y oxidasa negativas, obtienen energía exclusivamente por fermentación de azúcares produciendo ácido láctico como producto principal o único de su metabolismo, carecen de sistemas de transporte de electrones funcionales ligados al heme o de citocromos, y obtienen su energía por fosforilación a nivel del sustrato a la vez que oxidan carbohidratos; no tienen un ciclo de Krebs funcional. Todas estas bacterias son consideradas anaerobias aerotolerantes, y al contrario que las anaerobias estrictas, no son sensibles al oxigeno por lo que pueden crecer tanto en presencia como en ausencia de él. (Madigan y col., 2004).

La mayoría de las BAL son mesofílicas, aunque algunas son capaces de crecer a temperaturas de 5oC y otras a 45oC. Toleran bien concentraciones relativamente altas de ácidos y valores de pH más bajos que el resto de las bacterias (algunas pueden crecer a pH 3, otras entre 6 y 9, pero la mayoría crece a un pH entre 4 y 4.5) por lo que pueden desplazarlas de los hábitats que colonizan (Jay, 2000).

2.2.9

Lactobacillus

Los lactobacilos tienen forma bacilar, variando desde bacilos largos y delgados a cortos y curvados ver figura 2.3, no esporulados, aerotolerantes o anaerobios, acidúricoso acidófilos (pH entre 1.0 y 5.0), de requerimientos nutricionales complejos. Es común la producción de bacteriocinas. Los límites de temperatura para desarrollar van de 2 a 53oC con óptima de 30-40oC (Jay, 2000; Madigan y col., 2004).El género Lactobacillus es el más grande, comprendiendo alrededor de 80 especies reconocidas

y

organizadas

en

tres

grupos,

basados

principalmente

en

las

características fermentativas. El grupo 1 incluye especies homofermentativas estrictas.

El grupo 2 está formado por especies heterofermentativas facultativas. El grupo 3 está formado por especies heterofermentativas estrictas (Jay, 2000; Axelsson, 2004).

Las especies homofermentativas se asocian principalmente con el hombre y animales, ya que se les puede encontrar en la cavidad oral, contenido intestinal y vagina de mamíferos; mientras que las 17

especies heterofermentativas están asociadas con los alimentos, en donde llevan a cabo fermentaciones controladas o causan deterioro especialmente en productos empacados refrigerados, se pueden aislar fácilmente de productos cárnicos, lácteos, pescados, aguas residuales, cerveza, frutas, verduras y ensilados (Madigan y col., 2004).

Las bacterias del género Lactobacillus son indispensables para la industria alimentaria, principalmente la láctea. Se emplean para producir alimentos vegetales fermentados (chucrut, encurtidos, ensilaje, etc.), bebidas (cerveza, vino, zumos), masa agria, queso suizo (así como otros quesos duros), yogur y embutidos. Los lactobacilos causan también problemas, a veces son los responsables de que se deteriore la cerveza, la leche y la carne (Prescott y col., 1999).

Figura 2.3. Lactobacillus Bulgaricus (Barrientos, 2011)

2.2.10 Streptococcus Son cocos de 0.8-1.2 µm, anaerobios facultativos, se agrupan en cadena hasta con más de 50 células o pares, poseen una considerable actividad SOD. Tienen una compleja necesidad de factores para su crecimiento como: Vitamina B1, aminoácidos, péptidos, bases púricas y piridímicas. Ésta es una de las razones por las que abundan en un medio rico como la leche (Wood y Holzapfel, 1995).

El

género

Streptococcus

contiene

una

amplia

variedad

de

especies

homofermentativas,

como productores de ácido láctico juegan un papel muy importante en la producción de leches fermentadas, ensilado y una variedad de productos de fermentación. Los más conocidos son S. lactis y S.cremoris, los cuales son responsables de la acidificación de la leche, mientras que S. diacetylactis produce la fermentación del ácido cítrico a diacetilo, sustancia característica del aroma en la mantequilla. También es importante S. Thermophilus que se desarrolla a 40-45oC, por lo que se emplea

18

para conseguir la acidificación del yogur, así como en la maduración de quesos de pasta cocida (Casp y Requena, 1999; Madigan y col., 2004). Ver figura 2.4

Figura 2.4. Streptococcus Thermophilus (Barrientos, 2011)

2.2.11 Medios de cultivos Un medio de cultivo es un sustrato o una solución de nutrientes que permite el desarrollo de microorganismos. En las condiciones de laboratorio para realizar un cultivo, se debe sembrar sobre el medio de cultivo elegido las muestras en las que los microorganismos van a crecer y multiplicarse para dar colonias. (Duran et al, 2013)

Zapata et al, (2014). Establece que los medios de cultivo se clasifican dependiendo de las características que se necesiten para su óptimo desarrollo los cuales según su consistencia pueden ser:  Líquidos: no contienen agar y favorecen el crecimiento bacteriano ya que las bacterias poseen una gran libertad de movimiento y al difundirse por todo el medio encuentran su componente nutritivo y requerimiento de oxigeno más óptimo con gran facilidad, por ejemplo: las aerobias estrictas crecen en los primeros 10-15mm de la superficie del medio, las microaerofilas ligeramente por la superficie del medio, las anaerobias estrictas en los 10-20mm del fondo y las facultativas por todo el medio.  Solidos: su concentración de agar es de 1.5% a 2%, en estos las bacterias crecen con mayor dificultad, ya que los nutrientes pueden agotarse fácilmente, se utilizan para ver colonias, aislar microorganismos, características de crecimiento, color, tamaño, taxonomía, entre otros.  Semi-solido: su concentración de agar es de 0.5% y se utiliza para estudiar el movimiento y algunas propiedades bioquímicas.

19

Los medios de cultivo usados en el laboratorio fueron:  Agar nutritivo: está compuesto de extracto de carne, peptona, NaCl, agar y agua destilada. Se usa como medio de cultivo general para la mayor parte de los microorganismos y como base para la preparación de medios selectivos y enriquecidos.  Caldo nutritivo: es un medio líquido compuesto por una infusión de carne, NaCl, peptona, extracto de levadura y también fosfato disódico. Es usado como base para otros caldos que puedan contener más nutrientes.

2.2.12 Fermentación Cuando se habla de fermentación, se refiere al proceso metabólico energético que comprende la descomposición de moléculas, tales como carbohidratos, de manera anaerobia. El proceso de fermentación es producido por acción de las enzimas, las cuales producen cambios químicos en las sustancias

orgánicas.

Las

fermentaciones

pueden

ser:

naturales,

cuando

lascondicionesambientalespermitenlainteraccióndelosmicroorganismosylossustratosorgánicos susceptibles o artificiales, cuando el hombre propicia condiciones y el contacto referido. (Sansen y Vargas, 2009).

2.2.13 Fermentación láctica La

fermentación

láctica

es

un

proceso

celular

anaeróbico

donde

se

utilizaglucosaparaobtenerenergíaydondeelproductodedesechoeselácido láctico. Este proceso lo realizan muchas bacterias (llamadas bacterias lácticas),hongos, algunos protozoos y en los tejidos animales; en efecto, la fermentación láctica también se verifica en el tejido muscular cuando, a causa de

unaintensaactividadmotora,noseproduceunaaportaciónadecuadadeoxígenoque

permitaeldesarrollodelarespiraciónaeróbica.Cuandoelácidolácticose acumulaenlascélulasmuscularesproducesíntomasasociadosconlafatiga muscular, Algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias de manera que se ven obligadas a obtener energía por medio de la fermentación láctica; por el contrario, las neuronas mueren rápidamente ya que no fermentan, y su única fuente de energía es la respiración. (Sansen y Vargas, 2009)

2.2.14 Fermentación sumergida La fermentación en cultivo sumergido se basa en la presencia de un cultivo de materias sumergidas libremente en el seno del líquido a fermentar, en el que constantemente se introduce aire (solo o 20

enriquecido con oxígeno) en condiciones que permitan la máxima transferencia posible desde la fase gaseosa a la fase líquida, mediante agitación con el fin de conservar la homogeneidad del sistema en un cultivo discontinuo de microorganismos en medio líquido (García, 2002).En un cultivo discontinuo de microorganismos en medio líquido, se pueden diferenciar cuatro fases en la evolución de los parámetros que miden el crecimiento microbiano:

1.- Fase de adaptación: los microorganismos adaptan su metabolismo a las nuevas condiciones ambientales (abundancia de nutrientes y condiciones de cultivo) para iniciar la fase de crecimiento exponencial. 2.- Fase exponencial o logarítmica: en ella la velocidad de crecimiento es máxima y el tiempo de generación es mínimo. Durante esta fase las bacterias consumen a velocidad máxima los nutrientes del medio. 3.- Fase estacionaria: en ella no se incrementa el microorganismo (ni la masa u otros parámetros del cultivo). En la fase estacionaria se desarrolla un metabolismo diferente al de la fase exponencial y durante ella se produce una acumulación y liberación de metabolitos secundarios que pueden tener importancia industrial. 4.- Fase de muerte: se produce una reducción del número de bacterias viables del cultivo, (Figura 2.5)

Figura 2.5.Fases del crecimiento microbiano. (García, 2002). El cultivo sumergido, también llamado fermentación líquida, es el que se refiere a un sistema en el cual los sustratos están disueltos o suspendidos en un medio acuoso y son agitados para conservar la homogeneidad del sistema. Este sistema de fermentación tomó auge durante la II Guerra Mundial debido a que la producción de antibióticos como la penicilina, hizo que el desarrollo de tecnología y equipamiento para este tipo de fermentación se desarrollara de manera acelerada aun cuando el sistema de fermentación en estado sólido es más antiguo, (Betancourt, 2003) 21

2.2.15

Ácido láctico

Fue descubierto en 1780 por un químico sueco llamado Scheele quien lo aisló de la leche agria. Posteriormente se apreció este mismo en la sangre humana. En 1839 se produjo por primera vez ácido láctico por fermentación de carbohidratos como sacarosa, lactosa, manitol, almidón, entre otro. Sin embargo, el procedimiento industrial sólo se estableció en 1881, (Suriderp, 1995). El ácido láctico, cuyo nombre químico es ácido 2-hidroxipropanóico o ácido α-hidroxipropiónico, se representa por la estructura molecularCH3CH(OH)COOH. Se han reportado tres isómeros de este ácido, (Suriderp. 1995)

El ácido láctico tiene un carbono asimétrico lo cual da lugar a actividad óptica. Existen dos isómeros ópticos, el D(-) ácido láctico y L(+) ácido láctico (Figura 2.6), además de una forma racémica constituida por 2 fracciones equimolares de las formas L(+) y D(-) obtenida por fermentación de lactosa mediante la acción de microorganismos. El ácido D(-) Láctico se obtiene por fermentación de azúcares como la saca rosa a través de bacilos como el Acidilaevolactiti. Las dos formas se encuentran en estado líquido, siendo incoloros y solubles en agua. En estado sólido son altamente higroscópicos de punto de fusión bajo. Ambas formas isoméricas pueden ser polimerizadas y se pueden producir polímeros con diferentes propiedades dependiendo de la composición (Serna y Rodríguez, 2005).

Figura 2.6. Estructuras isométricas del ácido láctico (Serna y Rodríguez, 2005).

2.2.16 Propiedades del ácido láctico El ácido láctico es un líquido viscoso, sin olor, sin color y no volátil. Es soluble en todas las proporciones en el agua, en el alcohol y en el éter; insoluble en benceno y en cloroformo. Tiene una densidad relativa entre 1,21 y 1,23 a temperatura de 25 °C. A nivel comercial puede tener concentraciones de 40 %, 75 % y 80 %.

22

El ácido láctico que se obtiene por fermentación es de color amarillento y tiene impurezas como ácidos orgánicos (acético, butírico, tartárico, cítrico), sales minerales, azúcares, glicerina, etc. Ver tabla 2.3

Tabla 2.3. Propiedades fisicoquímicas del ácido láctico Formula empírica Peso molecular Gravedad especifica Punto de fusión Índice de refracción Calor de combustión Viscosidad Densidad Fuente: Perry & Green (2001).

C3H6O3 90,08 g/mol 1,249 a 15°C/4°C D(-) y L(+) : 52,8 a 54 ºCD y L (según su composición): 16,8 a 33 ºC 1,4414 3616 cal/g 28,5 cp. 1,1748 g/mL

2.2.17 Producción biotecnológica de ácido láctico El ácido láctico tiene un amplio rango de aplicaciones en la industria alimenticia, química, farmacéutica, cosmética, entre otras. Recientemente se ha acelerado la investigación del ácido láctico, por vía biotecnológica, debido a su posibilidad de transformación en poli-láctico biodegradable (PLA). Los esfuerzos en la investigación del ácido láctico, están enfocados a disminuir los costos de producción a través de nuevos sustratos, nuevas tecnologías de fermentación y separación, y nuevos microorganismos capaces de alcanzar altas concentraciones de ácido láctico, altos rendimientos y altas productividades (Serna y Rodríguez, 2005).

2.2.18 Usos y especificaciones de ácido láctico El ácido láctico y sus derivados como sales y ésteres son ampliamente utilizados en la industria alimenticia, química, farmacéutica, del plástico, textil, la agricultura, alimentación animal, entre otros. En la industria alimenticia se usa como acidulante y conservante. Las industrias químicas lo utilizan como solubilizador y como agente controlador de pH. En la producción de pinturas y resinas, puede ser utilizado como solvente biodegradable. En la industria de polímeros es utilizado como precursor del poli (ácido láctico) (PLA), un polímero biodegradable con interesantes usos en la industria y la medicina; se considera ésta la principal aplicación del ácido y la causa por la cual ha aumentado considerablemente su demanda (Chang, 1999).

23

2.2.19 Parámetros de relevancia en la producción de ácido láctico.  pH: El pH de la fermentación puede fijarse al comienzo y permitirse disminuir debido a la producción del ácido, o puede ser controlado por titulación, extracción, absorción o electrodiálisis del ácido láctico. Su efecto ha sido estudiado bajo diferentes valores. En todos los casos, la titulación a un pH constante ha resultado en concentraciones iguales o mayores, en comparación con los casos donde no hay control de este. El pH óptimo para la producción de ácido láctico varía entre 5.0 y 7.0. Un pH menor a 5.7 ha sido óptimo para las cepas de Lactobacillus, las cuales son conocidas por tolerar menores valores de pH que las Lactococci. (Suárez, 2007).  Temperatura: El efecto de la temperatura en la producción de ácido láctico ha sido estudiado en pocos reportes. La temperatura que da mayores productividades es en algunos casos menores que la temperatura que resulta en el mayor rendimiento y concentración de ácido láctico, mientras que en otros la misma temperatura obtuvo los mismos resultados en todas las categorías. Por ejemplo, para el Lactobacillus casei y Lactobacillus paracasei la temperatura óptima fue reportada entre 37 y 44ºC (Suárez, 2007).  Densidad Celular: Las más altas densidades celulares (48-103 gr/L) han sido logradas con recirculación, pero en fermentaciones sin recirculación se han alcanzado concentraciones entre 60 y 77 g/L de células. La fermentación de las LAB, por lo general está acompañada de un incremento en la masa celular, lo que constituye un subproducto indeseado si el objetivo del proceso es la producción de ácido láctico. Pero, al obtener altas concentraciones de microorganismos, estos pueden ser usados como las materias primas principales en la producción de probióticos (Suárez, 2007).  °Brix Para los zumos de fruta, un grado Brix indica cerca de 1-2 % de azúcar por peso. Ya que los grados Brix se relacionan con la concentración de los sólidos disueltos (sobre todo sacarosa) en un líquido, tienen que ver con la gravedad específica del líquido. La gravedad específica de las soluciones de la sacarosa también puede medirse con un refractómetro. Por su facilidad de empleo, los refractómetros se prefieren sobre los aerómetros marcados para la escala de Brix.

24

 Acidez titulable En alimentos el grado de acidez indica el contenido en ácidos libres. Se determina mediante una valoración (volumetría) con un reactivo básico. El resultado se expresa como el porcentaje del ácido predominante en el material. En aceites es el porcentaje en ácido oleico, en zumo de frutas es el porcentaje en ácido cítrico, en leche es el porcentaje en ácido láctico (Mora O., 2010). La acidez de una sustancia se puede determinar por métodos volumétricos. Ésta medición se realiza mediante una titulación, la cual implica siempre tres agentes o medios: el titulante, el titulado (o analito) y el indicador.  Espectrofotometría de infrarrojo Se emplea comúnmente para determinar la presencia de los distintos tipos de enlaces y grupos funcionales en un material o una solución. Esta técnica somete al compuesto a radiación infrarroja en la banda de longitudes de onda de 2 a 15 micrómetros (μm). Esta región se describe más a menudo en términos de número de onda (frecuencia), 5000 cm-1 a 670 cm-1, que es fundamentalmente el número de ciclos u ondas en una distancia de un centímetro, calculado como 1/λ, con λ en centímetros. Aunque esta radiación es débil e incapaz de causar una alteración permanente en una molécula, suministra energía suficiente para que sus enlaces vibren por alargamiento, tijereteo, flexión, balanceo, torsión o coleo. Puesto que los distintos enlaces y grupos funcionales adsorben energía a frecuencias diferentes, los espectros en el infrarrojo se aplican ordinariamente en el análisis cualitativo, es decir, en la determinación de los tipos de grupos que hay en una molécula (Phillip et al., 1998).

El método de manejo de la muestra para registrar el espectro infrarrojo viene generalmente condicionado por el estado físico de la misma y la región en que se desea registrar. Las muestras de líquidos, pueden efectuarse como líquidos netos (puros) o en disolución; pueden prepararse colocando una o dos gotas pequeñas de la muestra entre dos piezas muy bien pulidas del material de la celda. Por otro lado las muestras sólidas pueden prepararse como dispersiones sólidas en bromuro de potasio (KBr); se emplea aproximadamente 1 % en peso de la muestra y de KBr con un molino hasta obtener partículas de grano muy fino. La mezcla final molida se prensa hasta obtener un disco transparente por la acción de varias toneladas de presión (Pasto y Johnson, 2003).

La interpretación de un espectro infrarrojo no es sencilla; ciertas bandas pueden estar enmarcadas por el solapamiento de otras. Pueden aparecer sobretodos a frecuencia exactamente el doble que la banda fundamental. Los compuestos presentan en estos espectros una serie de complicada de picos agudos y de mínimos. Ahora bien, es precisamente esta multiplicidad de picos lo que convierte el espectro en 25

específico; en efecto, no existen dos compuestos que den espectrogramas idénticos. Así, la identidad del espectro de una sustancia problema con el de una sustancia patrón se acepta como prueba de su identidad de composición. La ventaja que ofrece este método frente a otras técnicas espectrofotométricas, es la posibilidad de identificar rápida y directamente los elementos estructurales individuales (Skoog y West, 1986).

2.2.20 Técnicas de Polimerización del ácido láctico para obtener ácido Poliláctico (PLA). El ácido láctico utilizado en la polimerización para la producción de PLA debe ser de alta pureza. Los polímeros basados en ácido láctico, pueden manufacturarse en diferentes rutas de polimerización, (Serna et al., 2003). El ácido poliláctico se puede obtener básicamente por dos vías: vía policondensación del ácido láctico y vía polimerización por apertura de anillo de lactida tal como se representa en la Figura 2.7 (Ren, 2010).

Figura. 2.7. Síntesis de PLA a partir de ácido. (Ren, 2010).

Policondensación El método de policondensación directa, se inicia con una oligomerización o deshidratación donde se esterifica por medio de una destilación reactiva al vacío y posteriormente, una segunda etapa de

26

polimerización, en presencia de un catalítico a alta temperatura y vacío. Por este método se obtienen productos de bajo peso molecular (Jiménez P. et al., 2012). El monómero del ácido láctico presenta tantos grupos hidroxilo como carboxilo; esto conlleva que la reacción se produzca directamente por autocondensación. La policondensación del ácido láctico incluye dos reacciones de equilibrio: el equilibrio de deshidratación por esterificación, y el equilibrio de despolimerización del PLA dando el dímero lactida (Figura 2.8) (Ren, 2010).

Figura 2.8. Reacciones de equilibrio que aparecen en la policondensación directa de LA. (Ren, 2010)

El agua generada en este proceso puede causar la descomposición del PLA de alto peso molecular a temperaturas de reacción elevadas. Así, el polímero resultante de estas reacciones generalmente tiene un peso molecular demasiado bajo (Valls, 2012). El PLA formado por este método consiste principalmente en unidades de lactilo. Tal polímero se puede componer tanto de un isómero (L o D) o de una combinación de ambos, en diversas proporciones.

Una de las desventajas de la policondensación directa es que normalmente se obtiene un polímero de bajo peso molecular que muestra propiedades mecánicas deficientes, lo cual se debe al aumento severo de la viscosidad en estado fundido y la alta temperatura de funcionamiento. Además, la estero regularidad no se puede controlar durante el curso de la polimerización (Valls, 2012).

Luego se explica el mecanismo de la oligomerización a continuación (Ver figura 2.9 y 2.10)

27

Figura 2.9 Mecanismo de la oligomerización.

Figura 2.10 Reacción de poli condensación del ácido láctico. 28

Polimerización por apertura de anillo La polimerización por apertura de anillo (ROP) es el método más utilizado para la obtención de PLA. Esta reacción requiere una estricta pureza de la lactida, lo que lo hace más bien caro y por tanto difícilmente competitiva con los polímeros actuales. Se necesita un catalizador y una atmosfera inerte o al vacío. Al controlar el tiempo de residencia y las temperaturas en combinación con el tipo de catalizador y concentración, es posible controlar la relación y la secuencia de las unidades de isómeros D y L en el polímero final (Valls, 2012). Dependiendo del sistema iniciador, las ROP pueden llevarse a cabo a través de un mecanismo de coordinación/inserción, aniónico, catiónico, de hidrógeno activo, o de radicales libres.

La ROP de lactida es catalizada por metales tales como el estaño, plomo, zinc, bismuto, itrio, hierro, aluminio y magnesio, y lantánidos. Incluso bases fuertes tales como alcóxidos metálicos se han utilizado con cierto éxito (Henton et al., 2005).

El mecanismo (Figura 2.9) implica una etapa previa de iniciación en la que se convierte en estaño (II) alcóxido por reacción con un alcohol. Después la polimerización sigue en el enlace de estaño-oxígeno del ligando alcóxido. Los catalizadores altamente activos preparados utilizando compuestos de estaño son tóxicos. Sin embargo, otros compuestos catalizadores basados en estaño, tales como compuestos orgánicos de estaño y octanoato de estaño presentan una toxicidad baja (Valls, 2012).

Figura 2.11 Mecanismo de crecimiento de cadena generalizado por coordinación/inserción de lactida a PLA. (Montero, 2012) Las condiciones típicas para la polimerización son de 180-210ºC, las concentraciones de octonoato de estaño de 100-1000 ppm, y un periodo de tiempo entre 2 y 5 h para alcanzar el 95% de conversión, con pesos moleculares de hasta 106 g/mol. La polimerización es de primer orden en tanto catalizador y lactida. Frecuentemente que contienen hidroxilo iniciadores tales como 1-octanol se utilizan para el control tanto peso molecular y acelerar la reacción (Montero, 2012).

29

2.2.21 Ácido Poliláctico El poli (ácido láctico) (PLA), es un biopolímero termoplástico cuyo monómero es el ácido láctico, ver figura 2.10. Debido a su biodegradabilidad, propiedades de barrera y biocompatibilidad, éste biopolímero ha encontrado numerosas aplicaciones ya que presenta un amplio rango inusual de propiedades, desde el estado amorfo hasta el estado cristalino; propiedades que pueden lograrse manipulando las mezclas entre los isómeros D (-) y L (+), los pesos moleculares y la copolimerización (Castro y Lugo, 2013).

Figura 2.12. Poli (ácido Láctico) (PLA). (Castro y Lugo, 2013).

2.2.22

Propiedades del PLA

Las propiedades físicas y mecánicas dependen de la composición del polímero, de su peso molecular y de su cristalinidad. La cristalinidad puede ajustarse desde un valor de 0% a 40% en forma de homopolímeros lineales o ramificados, y como copolimeros al azar o de bloque. La temperatura de transición vítrea (Tg) está entre 60 y 125°C y depende de la proporción de D o L ácido láctico en el polímero. Sin embargo, el PLA puede ser plastificado con su monómero o alternativamente con ácido láctico oligomérico y esto permite disminuir la Tg (Castro y Lugo, 2013).

El PLA tiene propiedades mecánicas en el mismo rango de los polímeros petroquímicos, a excepción de una baja elongación. Sin embargo, esta propiedad puede ser afinada durante la polimerización (por copolimerización) o por modificaciones post polimerización (por ejemplo plastificantes). El PLA puede ser tan duro como el acrílico o tan blando como el polietileno, rígido como el poliestireno o flexible como un elastómero. Puede además ser formulado para dar una variedad de resistencias. Al PLA se le atribuyen también propiedades de interés como la suavidad, resistencia al rayado y al desgaste (Castro y Lugo, 2013).

30

2.2.23

Aplicaciones del PLA

La aplicación más común del PLA es en envases y empaques para alimentos. Sin embargo, el alto crecimiento fúngico en los materiales obtenidos de bases biodegradables es un factor negativo para el uso en alimentos. Por lo tanto, los bioempaques son más convenientes para alimentos con alta respiración y de vida de almacenamiento corto como vegetales para el empaque de algunos productos de panadería. En los tejidos vivos, el PLA se despolimeriza totalmente por hidrólisis química.

Esta característica hace que el PLA sea ampliamente utilizado para la producción de hilo para sutura, implantes, prótesis, entre otros (Pinzón J. 2003). El consumo de PLA en 2007 fue de alrededor de 60 mil toneladas y hasta el momento, sólo el 30% del ácido láctico producido se utiliza para fabricar PLA. El productor más importante es sin dudas, NatureWorks (Nebraska, EEUU) con una capacidad de 140 mil ton/año y precios de venta (por kilogramo) entre los € 2,5 y los € 5,5 (Castro y Lugo, 2013).

2.2.24 Biodegradación La biodegradación es el resultado de los procesos de digestión, asimilación y metabolización de un compuesto orgánico llevado a cabo por bacterias, hongos, protozoos y otros organismos, es un proceso natural, ventajoso no sólo por permitir la eliminación de compuestos nocivos impidiendo su concentración, sino que además es indispensable para el reciclaje de los elementos en la biosfera, permitiendo la restitución de elementos esenciales en la formación y crecimiento de los organismos (carbohidratos, lípidos, proteínas). La descomposición puede llevarse a cabo en presencia de oxigeno (aeróbica) o en su ausencia (anaeróbica). (De Cabo, 2009).

2.2.25 Biodegradación de polímeros Los polímeros

biodegradables

son

aquellos capaces

de

ser degradados medio ambientalmente.

Representan una nueva generación de materiales capaces de reducir significativamente el impacto ambiental en términos de consumo de energía y generación de residuos después de su utilización. En principio, deben comportarse como los materiales plásticos tradicionales procedentes de fuentes fósiles (petróleo), si bien, todavía presentan algunas limitaciones. (De Cabo, L. 2009).

La biodegradabilidad de los plásticos depende de la estructura química del material y de la composición del producto final, no sólo de la materia prima empleada para su fabricación. Por esta razón, podemos encontrarnos con materiales biodegradables obtenidos a partir de resinas naturales o sintéticas (Esfefany, 2010)

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2.2.26 Degradación enzimática La degradación enzimática se realiza en tres pasos:

1) Degradación por difusión de agua en el material (inicialmente en las zonas más amorfas) seguida por hidrólisis aleatoria. 2) La fragmentación del material a oligómero. 3) Hidrólisis más extensa acompañada por fagocitosis, difusión y metabolismo. Durante la primera etapa de degradación, el peso molecular disminuye rápidamente con poca pérdida de peso. Por el contrario, en la segunda etapa, se observa que la disminución en el peso molecular es menor, así como una importante pérdida de peso y la iniciación de la formación de monómero. Durante la tercera y última etapa, cuando se experimenta una pérdida de peso total, aproximadamente el 50% del polímero se convierte a monómero. La hidrólisis de los oligómeros solubles continúa aún más, hasta que todo se convierte en ácido láctico.

Generalmente, el tiempo de degradación es más corto cuanto menor sea el peso molecular, más hidrófilo y más amorfo. Los polímeros a menudo pueden estar diseñados para satisfacer un tiempo de degradación específico mediante la copolimerización, peso molecular y la selección de grupos terminales. (Valls, 2012)

2.2.27 Análisis costo-beneficio El estudio costo beneficio tiene como objetivo fundamental proveer una medida de los costos en que se incurren en la realización de un proyecto, y a su vez comparar dichos costos previstos con los beneficios esperados de la realización de dicho proyecto (Solá, 2004). Estimación de costo beneficio

El cálculo de la relación beneficio/ costo de los proyectos debe incluir todos los costos directos y no directos de montaje y operación del proyecto, y los costos privados en que han incurrido los beneficiarios durante la duración del proyecto. En tanto, que para los beneficios, se contabilizan las mejoras en la productividad del proyecto. Es necesario tener presente que los costos son tangibles, es decir, se pueden medir en alguna unidad económica, mientras que los beneficios pueden ser tangibles y no tangibles, es decir, pueden darse en forma objetiva o subjetiva (Solá, 2004).

Pasos a seguir para llevar a cabo un análisis costo beneficio

32

 Determinar los costos relacionados con la ejecución del proyecto, los cuales si no se conocen con exactitud pueden ser estimados. Para el cálculo de los costos del proyecto se deben considerar los siguientes renglones: Mano de obra, materia prima, materiales y equipos, costos operativos varios, entre otros. Es de hacer notar, que para la estimación de los costos del proyecto se debe tener en cuenta la cantidad de material a producir.  Para la valorización de los beneficios, se toma en cuenta criterios sociales y ambientales que tengan gran significancia en la ejecución del proyecto. Existen beneficios que son tangibles para el proyecto, debido a la entrada de recursos monetarios ocasionada por la comercialización del producto fabricado, o aquellos que debido a su buen manejo de los recursos existentes han sido objeto de ahorros. En algunos casos, a pesar que no se ha dispuesto de recursos monetarios por determinada acción, se ha dejado de pagar esas cantidades de dinero como consecuencia del mejoramiento realizado con el proyecto.

Así mismo se encuentran otros tipos de beneficios, que se hacen difíciles de cuantificar; por ejemplo el prestigio del proyecto por la fabricación del producto, el buen nombre de los autores por su compromiso con el ambiente, el reconocimiento de organizaciones sociales y ambientales, la cantidad de clientes que se ha captado; Además existen beneficios sociales orientados a evitar problemas con la comunidad (demandas, problemas de salud, inactividad de labores, entre otros), problemas que perjudicarían el desempeño del proyecto (Quiroga, 2005).  Con los valores obtenidos para los costos y para los beneficios se procede a determinar la relación entre ellos.  El resultado obtenido para la relación costo / beneficio permite establece la factibilidad o no de ejecutar el proyecto. En este sentido, si el resultado es menor que 1 el proyecto es rentable. Pero, si el resultado es igual o mayor que 1 el proyecto no es viable, esto significa que los beneficios del proyecto serán iguales o menores que los costos de inversión o costos totales.

33

CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO El esta sección se presentan las herramientas empleadas en la búsqueda de consolidar los conocimientos adquiridos de las literaturas, a través de una descripción detallada y esquematizada de cada una de las etapas, pasos para el cumplimiento de cada uno de los objetivos planteados.

3.1 TIPO DE ESTUDIO O INVESTIGACIÓN La presente es una investigación de campo ya que el análisis sistemático de problemas en la realidad, con el propósito bien sea de describirlo, interpretarlos, entender su naturaleza y factores constituyentes, explicar sus causas y efectos, o predecir su ocurrencia, haciendo uso de métodos característicos de cualquiera de los paradigmas o enfoques de investigación conocidos o en desarrollo. Los datos de interés son recogidos en forma directa de la realidad; en este sentido se trata de investigaciones a partir de datos originales o primarios. Sin embargo, se aceptan también estudios sobre datos censales o muéstrales no recogidos por el estudiante siempre y cuando se utilicen los registros originales con los datos no agregados; o cuando se trate de estudios que impliquen la construcción o uso de series históricas, y en general, la recolección y organización de datos publicados para su análisis mediante procedimientos estadísticos, modelos matemáticos, econométricos o de otro tipo. (Barrios, 2006)

A diferencia de la investigación de campo, la investigación experimental se caracteriza fundamentalmente, por la manipulación y control de variables que ejerce el investigador durante el experimento. En vista a la profundidad de los objetivos del estudio propuesto, la investigación puede ser de carácter experimental también ya que es un proceso que consiste en someter a un objeto o grupo de individuos a determinadas condiciones estimulo o tratamientos (variable independiente) para observar los efectos o reacciones que se producen (variable dependiente). En cuanto al nivel, la investigación experimental es demostrar que los cambios en la variable dependiente fueron causados por la variable independiente, es decir, se pretende establecer con precisión una relación causa-efecto. (Arias, 2006) debido a que se busca evaluar el proceso de obtención de ácido láctico del mango (Mangifera indica L.) en función a las diferentes variables que influyen en el proceso de fermentación para su posterior polimerización y obtener el ácido poliláctico.

3.2 DESARROLLO SISTEMÁTICO DE LA INVESTIGACIÓN A continuación se presenta la investigación el cual se desarrollara bajo una serie de procedimientos relacionados de forma sistematizada con estrategias que permitan alcanzar el objetivo general de la misma.

34

Actividades Iniciales, en esta fase se identifica la problemática generada, que se hará, se recolecta toda la documentación e información teórica de investigaciones similares, plantear diferentes medios de soluciones a la problemática y establecen los objetivos e hipótesis, alcances y limitaciones.

Requisitos, se realizaran los procedimientos necesarios de forma teórica a fin de obtener enfoques globales de la investigación de cómo se harán, definición de la muestra, se hará una revisión de la disponibilidad de materia prima, de laboratorio, de equipos y de reactivos.

Organización, planificación del tiempo y costo de realización de actividades a desarrollar, tomando en cuenta los objetivos seleccionados.

Ejecución, se realizan todas las pruebas necesarias para la obtención del polímero biodegradable y recolección de datos.

Análisis, esta fase se realiza un estudio de la factibilidad de los resultados basados en los datos obtenidos anteriormente.

Actividades finales, síntesis de los resultados, elaboración de conclusiones y propuestas de mejora.

3.3.- OPERACIONALIZACIÓN DE LOS OBJETIVOS 3.3.1 Seleccionar entre las diferentes especies de mango (Mangifera indica L.) cuál posee mejores propiedades con la finalidad de utilizarlo como materia prima.

Debido a la gran diversidad de especies de mango existente, fue necesario llevar a cabo el proceso de selección de la especie de mango (Mangifera indica L.) que posea las mejores propiedades con la finalidad de utilizarlo como materia prima, es por esto que se analizaron las especies de mango más cultivadas a nivel nacional, para lograrlo de manera efectiva se procedió a una revisión bibliográfica de los diferentes tipos, logrando así establecer un conjunto de parámetros para seleccionar la especie de mango que se utilizará en el desarrollo de este trabajo. Una vez que se identificaron y caracterizaron todas las especies que formarían parte de este estudio preliminar se procedió a construir una matriz de Moddy. Para esto, se calculó el factor de peso para cada variable involucrada en la matriz. Este factor de peso se determinó en función de la comparación de cada variable con ellas mismas, estableciendo una ponderación de 1 para el parámetro de mayor prioridad, 0 para el de menor prioridad, y 0,5 para variables idénticas. (Ver Apéndice A, Tabla 2).

35

La matriz de selección se construyó colocando los parámetros deseados en las filas y las especies de mangos en las columnas. Los parámetros constituyen una evaluación para las especies de mangos; por lo cual la matriz debe llenarse de forma vertical, asignándoles a los mismos una valoración comprendida del 1 al 5, según el grado de cumplimiento del criterio; donde los valores cercanos al límite inferior (uno) corresponde a los parámetros más desfavorables en las especies y al límite superior (5) para los más favorables. Cabe destacar que la valoración de las especies es independiente entre sí, pudiendo existir una o más de ellos que posean igual ponderación para un mismo criterio. La selección se basó en el puntaje total obtenido por las especies de mango, el cual se calculó para cada uno, como la sumatoria del producto entre la valoración y el factor de peso. Finalmente, se seleccionó la especie de mango que obtuvo la mayor puntuación.

Las muestras de Mango (Mangifera indica L.) seleccionando se recolectaron en el Estado Carabobo siguiendo el procedimiento establecido en la norma COVENIN 1769-81 “Frutos de Muestras”, aplicando un muestreo de tipo aleatorio simple o al azar. El cual permitió la selección del fruto según el aspecto físico y sin que estas muestras presentaran picaduras de insectos o deterioros debido al entorno. Las muestras recolectadas fueron trasladadas al Laboratorio de Polímeros del Centro de Investigaciones Químicas (CIQ) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Carabobo, en el cual fueron tratadas siguiendo el procedimiento que se describe a continuación y muestra en la Figura 3.1. Los mangos luego de ser recolectaron fueron sometidos a un proceso de lavado con abundante agua clorada para remover el sucio adherido a la piel así como también otros elementos indeseables que pudiesen venir con el fruto durante la recolección (hojas, flores, partes de tallo, entre otros). Luego se secaron y se le retiró toda la piel de forma manual, utilizando un cuchillo de acero inoxidable, sobre una bandeja de plástico. Posteriormente se procedió al despulpado, para lo cual se desprendió la pulpa del fruto mediante cortes transversales en forma de tajadas para la obtención de la mayor cantidad de pulpa. Seguidamente, se licuó la pulpa y se almacenó en recipientes de plástico. Finalmente, se refrigeró la pulpa procesada para su conservación y su posterior uso.

36

Figura 3.1. Procedimiento utilizado en el tratamiento de las muestras recolectadas.

Las muestras almacenadas fueron caracterizadas mediante una serie de parámetros que se nombran seguidamente. El Contenido de Ceniza, pH, Contenido de Humedad y Grados Brix utilizando los procedimientos que se describen a continuación:

Contenido de Ceniza: este proceso de caracterización se realizó siguiendo el procedimiento establecido en la norma COVENIN 1783-81. Para esto, se pesó 4g de mango en un crisol y se colocó en una mufla (Ver Figura 3.2) durante 5 horas a una temperatura de 550°C.

Figura 3.2. Mufla usada en la determinación de cenizas.

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pH: se determinó mediante el procedimiento indicado en la norma COVENIN 1315-79 a través de la utilización de un pHmetro (Ver Figura 3.3). Para esto se utilizó 10 g de pulpa de mango disueltos en 90mL de agua destilada.

Figura 3.3. pH-metro usado en la determinación del pH.

Contenido de Humedad:la humedad se determinó según el procesamiento estandarizado de la norma AOAC (Asociación OfficialAnalyticalChesmist) 14.004 “Determinación de Porcentaje de Humedad”, empleando un Analizador de Humedad Marca Ohaus MB45 (Ver Figura 3.4). Para esto, se pesó alrededor de 3g de mago en una charola de aluminio que se colocó en el equipo. La diferencia de peso de la charola luego del proceso es considerada para determinar el porcentaje de humedad.

Figura 3.4 Balanza usada en la determinación de humedad.

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Grados Brix (ºBrix):se determinó siguiendo el procedimiento establecido en la norma COVENIN 924-83 y se utilizando un brixometro Marca ATC (Ver Figura 3.5). Con una varilla de vidrio se colocó unas gotas de la muestra en el brixometro y luego de un minuto se realizó la lectura.

Figura 3.5. Brixometro usado en la medición de °Brix.

3.3.2 Seleccionar el microorganismo que se empleará en la fermentación del mango (Mangifera indica L.) para obtener el ácido láctico. Para la selección del microorganismo que se empleó para la obtención del ácido láctico por fermentación del mango (Mangifera indica L.), se llevó a cabo una revisión documental para indagar sobre las características y condiciones de las bacterias productoras de este ácido (Apéndice A, tabla 7). Esta tabla se construyó gracias al contenido bibliográfico estudiado anteriormente donde se reflejaba el comportamiento de una gran variedad de microorganismos utilizados en fermentaciones al igual que en dicha investigación, y para esta se tomaron las mejores bacterias que pudiesen generar ácido láctico. Con la información recopilada se construyó una matriz de selección por valoración de puntos. Para lo cual se tomó en cuenta diferentes variables que influyen en el proceso, tales como: temperatura, pH, trabajo de eje, tiempo de fermentación, producción y disponibilidad.

Posteriormente, se realizó una matriz de prioridades de Moody (Apéndice A, tabla 8) para lo cual se tomó en cuenta la valoración obtenida anteriormente y las condiciones disponibles en el Laboratorio de Facyt Biología para llevar a cabo el proceso. En esta matriz se ordenaron las variables ya mencionadas por orden de importancia y debido a su influencia en el proceso se le asignaron valores de 0 al menos importante y de 1 al más importante y 0,5 para variables idénticas, donde se tomó la sumatoria de estos valores y se dividió entre el total general, obteniendo así el porcentaje de valoración para cada una variable.

Para la valoración integralse construyó una matriz de asignación de valores (sección 4.2, Tabla 4.4). La matriz de selección se construyó colocando los parámetros seleccionados en las filas y los tres tipos 39

de bacterias seleccionadas, y su respectivo porcentaje de valoración obtenido en la tabla anterior, luego se procedió a llenar la matriz de forma vertical, asignándoles a los mismos una valoración comprendida del 1 al 5, según el grado de cumplimiento del criterio; donde los valores cercanos al límite inferior (uno) corresponde a los parámetros más desfavorables en las especies y al límite superior (5) para los más favorables. La selección se basó en el puntaje total obtenido por los tipos de microorganismos, el cual se calculó para cada uno, como la sumatoria del producto entre la valoración y el factor de peso. Finalmente, se seleccionó la bacteria que obtuvo la mayor puntuación.

Luego de la selección del microorganismo se llevó a cabo una revisión bibliográfica para conocer sobre los medios de cultivo más comunes que se emplean para el aislamiento de microorganismos productores de ácido láctico (Ver Tabla 3.1).

Tabla 3.1. Medios de cultivo utilizados en microorganismos productores de ácido láctico. Sólidos Medios/ Componentes

líquidos

Agar MacConkey

Agar Papa Dextrosa(PDA)

Agar nutritivo

Agar (M.R.S)

Caldo nutritivo

Extracto de carne (g)

--

10

3

8

3

Peptona (g)

17

--

5

10

5

Agar (g)

13,5

18

15

13

--

Papa (g)

--

200

--

--

--

NaCl (g)

5

--

5

--

0,5

Agua Destilada (mL)

1000

1000

1000

1000

1000

Fuente: Elaboración propia 2017.

Ahora bien, para el aislamiento del microorganismo empleado se realizó una identificación morfológica. Para lo cual se preparó un medio de cultivo sólido y uno liquido de la siguiente manera: Para el medio sólido, se pesó en una balanza analítica 11,5 g de Agar nutritivo. Esta cantidad, se colocó en un matraz de 1.000 mL en el cual se disolvió con 500 ml de agua destilada.Posteriormente el matraz fue tapado con papel de aluminio y se colocó en un autoclave Kalstein Modelo AMR-18/75 a una presión de 15 psi y a una temperatura de 121ºC por un tiempo de 15 min (Ver Figura 3.6). Luego, se dejó enfriar el medio de cultivo y colocó en placas Petri para su refrigeración. Para el medio líquido, se utilizó 11,5 g de caldo nutritivo y se llevó a cabo el procedimiento señalado para el medio sólido.

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Figura 3.6. Medios de cultivo líquidos y sólidos.

Es de resaltar, que el microorganismos utilizado fue aislado del yogurt comercial (Migurt). Para esto, se colocó 1 gramo de yogurt en una fiola con caldo nutritivo que fue encubada por 24 horas bajos las condiciones que se describen en la Tabla 5, del Apéndice A. El procedimiento, se llevó a cabo en una estufa marca Medilow a 37ºC. Posteriormente, se realizó una series de diluciones de10-1 a 10-6 sembradas en placas de petri con medio de cultivo sólido en condiciones de esterilización en una campana de flujo laminar y con mechero Bushnepara asegurar condiciones asépticas. Luego, se inoculó por agotamiento y se incubó a temperatura de 37 ºC nuevamente en la estufa por 72 horas. Transcurrido el tiempo se evaluó el crecimiento en un microscopio de luz marca Leica. Para la purificación de la bacteria se repicó en fiolas con el medio de cultivo por 48 horas para asíidentificar al microorganismo mediante sus características microscópicas al conocer su forma con la prueba deTinción de Gram, la cual es comparada con la morfología que se muestra en Tabla 3.2

Tabla 3.2. Identificación preliminar morfológica y perfil de ocho azucares. Morfología bajo microscopio

Identificación preliminar

Identificación API 50 CHL

Cocos pequeños Cocos en parejas y cadenas cortas Cocos en pareja y cadenas cortas Cocos en cadenas de 3 a 4 Cocos en pareja y cadenas cortas Cocos en pareja y cadenas cortas Fuente: Cruz Juan, (2006).

Pediococcuspentosauceus Lactobacillusacidophilus

Lactobacilluspentosus Lactobacillusplantarum 1

Lactobacillusraffinolactis

Lactobacillusacidophilus 3

Leuconostoclactis Lactococusraffinolactis

Lactobacillusplantarum 1 Lactobacillusbrevis 1

Por su parte, para el proceso de fermentación se utilizó una botella de plástico de 2000 mL como fermentador, la cual fue modificada en el laboratorio. Para esto, se esterilizó y se le agregó 1 litrodel medio de cultivo que contenía 200 g de mango con 40 mL del microorganismo aislado, así como los nutrientes que se muestran en Tabla 3.3. Además, se le agregó CaCO3para ajustar el pH del sistema a 6. Posteriormente, se colocó el medio en una incubadora a 37°C y con una agitación de 150 rpm (ver Figura 3.7). Este procedimiento se llevó a cabo en el Laboratorio de microbiología de Facyt Biología de la Universidad de Carabobo. 41

El seguimiento del proceso se realizó mediante la medición parámetros como: la temperatura, los °Brix y el porcentaje de ácido láctico producido. Estos parámetros fueron medidos cada 24 horas por 3 días consecutivos. Es de señalar, que para el cálculo del porcentaje de ácido láctico se tomó el procedimiento descrito por Medina et al, (2014), el cual consiste en la titulación de 1 mL de muestra fermentada con hidróxido de sodio (NaOH) 0,1 N, empleando fenolftaleína como indicador.

Este procedimiento se realizó por triplicado y empleando diferentes bacterias, y una mezcla de ambas cuyo comportamiento se encuentra en el Apéndice A, Tabla 12.

Tabla 3.3. Nutriente utilizados en la preparación del medio de cultivo Fosfato de potasio (g/L)

Sulfato de amonio (g/L)

Sulfato de magnesio (g/L)

Sulfato de zinc (g/L)

Carbonato de calcio (g/L)

0,40

2

0,25

0,4

30

Fuente: Hernández y Veitia (2015).

Figura 3.7. Fermentación del mango

Una vez finalizado el periodo de fermentación se procedió a la separación y recuperación del ácido láctico producido. Para esto, se calentó la solución hasta los 80°C por 15 min para asegurar que los microorganismos quedaran inactivos. Posteriormente, se filtró en un embudo de separación con papel de filtro. El líquido obtenido se utilizó en el proceso de purificación, el cual consistió inicialmente en centrifugar el filtrado con el propósito de eliminar las células muertas de Lactobacillus Bulgaricus oBacillus thermophilic que aun pudieran existir. Luego, se realizó un proceso de separación líquidolíquido con la finalidad de separar el ácido láctico del agua. Esto se llevó a cabo en un beaker de 500 mL. En el cual, la solución se acidificó con ácido clorhídrico (4N) hasta pH 3, esto es para aumentar la concentración de ión H+y de esta manera favorecer el desplazamiento del equilibrio hacia la formación

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del ácido láctico, y así incrementar la producción de ácido láctico durante su la extracción, tal como se muestra en la siguiente reacción: 𝐂𝟔 𝐇𝟏𝟎 𝐎𝟔 𝐂𝐚 + 𝟐𝐇𝐂𝐥 + 𝟑𝐇𝟐 𝐎 → 𝐂𝟑 𝐇𝟏𝟎 𝐎𝟑 + 𝐂𝐚𝐂𝐥𝟐 + 𝟖𝐇 + 𝟑 𝐂𝐎𝟐 Posteriormente, se adicionó 30 mL de acetato de etilo. Luego, se agitó a 150 rpm durante 30 minutos, y se transfirió a un embudo de separación de 250 mL de capacidad, (Ver Figura 3.8). En el cual, se separó la fase orgánica de la acuosa. A la fase orgánica se le agregó sulfato de sodio anhidro para extraer el agua remanente. Luego se destiló simple con la finalidad de separar el solvente orgánico del ácido láctico para obtener de esta manera el producto purificado, el cual recolectado en una fiola y almacenado para su posterior uso. (Ver Figura 3.9).

Figura 3.8. Proceso de separación del ácido láctico

Figura 3.9.Ácido láctico obtenido de la fermentación.

3.3.3 Caracterizar físico-químicamente el ácido láctico obtenido para verificar su rendimiento.

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Para la caracterización del ácido láctico obtenido se llevó a cabo diferentes ensayos de laboratorio, tales como: Índice de refracción, acidez, densidad, pH, viscosidad, y Espectrometría de infrarrojo (IR). El procedimiento utilizado en cada uno de los ensayos realizados se describe a continuación.

Índice de refracción Para la determinación del índice de refracción se utilizó la norma COVENIN 702:2001 el cual establece que a través de un refractómetro normal equipado con escala normalizada, para dicha lectura se limpiaron los prismas primeramente con alcohol y un algodón y luego con agua destilada para calibrar dicho equipo, luego una vez seco los primas se colocaron 2 gotas de ácido láctico en el prisma inferior, se cerró y se apretó, se dejó reposar unos minutos para que la muestra llegara a la temperatura del instrumento, se ajustó el instrumento y la luz para dar una lectura nítida del índice de refracción. Una vez obtenido el resultado se limpió nuevamente con alcohol y algodón y luego con agua destilada.

Acidez titulable De acuerdo a la norma COVENIN 658:1957 para la acidez titulable se pesó 5gde ácido láctico posteriormente fueron diluidos en 100mL de agua destilada, luego fueron transferidos 10ml de la muestra a unafiolade 250 mL, se agregaron 5 gotas de fenolftaleína al 1% como indicador y se procedió a titular con solución de hidróxido de sodio 0,1N hasta obtener un color rosado claro persistente por 30 segundos aproximadamente.

Densidad A través de la norma COVENIN 1116:77 con un pequeño envase de vidrio llamado picnómetro que se utiliza para medir las densidades de los líquidos, en este caso fue utilizado para medir la densidad del ácido láctico. En el Laboratorio de Ingeniería Química (LIQ) mediante diferencia de pesos entre vacío, lleno y el volumen del picnómetro.

pH Se determinó mediante el procedimiento indicado en la norma COVENIN 1315-79 a través de la utilización de un pHmetro Marca Bencht .Para la lectura del pH primero, se sumergió el potenciómetro en un vaso precipitado que contenía agua destilada, se secó el electro con papel absorbente, luego se calibro previamente con una solución buffer 4, finalmente se tomó la muestra de ácido láctico y se colocó en un vaso de precipitado, para dar una lectura optima del pH.

Viscosidad Para el cálculo de la viscosidad del ácido láctico fue empleado un dispositivo llamado viscosímetro de Ostwald, éste permite conocer la velocidad de flujo de un líquido a través de un tubo, en función de la diferencia de presiones bajo las que se establece el desplazamiento. Su cálculo viene dado por una 44

ecuación matemática que depende de los valores de densidad y viscosidad de una sustancia de referencia (agua destilada a 27,5 ° C); además de la densidad del ácido láctico, siendo este valor calculado anteriormente mediante el uso del picnómetro. Este equipo fue utilizado para medir la viscosidad del ácido láctico (Laboratorio de Ingeniería Química).

Espectrometría de infrarrojo (IR). La cantidad de muestras a analizar fueron 3, debido a que las muestras se encontraban en fase líquida se analizaron directamente, sin mezcla alguna, colocando dos gotas de la muestra entre dos placas de Bromuro de potasio (KBr), las cuales conforman parte de la llamada celda de muestras líquidas. Una vez preparada la muestra líquida se colocó en el porta muestras y se insertó en el espectrofotómetro. El espectro de cada muestra se corrió bajo diferentes condiciones hasta que se obtuvo la mejor resolución, el cual debe presentar en lo posible bandas finas e intensas. Una vez obtenido el espectro óptimo para cada muestra se estableció la escala del espectro (número de onda). El espectrofotómetro utilizado fue un Perkin Elmer 1000, es un equipo que permite la determinación cuantitativa de compuestos absorbentes de radiación electromagnética en solución, este equipo fue utilizado para determinar el espectro infrarrojo de los grupos funcionales del ácido láctico y el polímero en el Centro de Investigación Química (CIQ).

3.3.4 Polimerizar el ácido láctico para obtener ácido poliláctico (PLA).

Para la selección de método de polimerización del ácido láctico se construyó una tabla comparativa en la cual se recopiló la información necesaria sobre los factores más relevantes a considerar ydonde se indago sobre los diferentes métodos existentes y de mayor aplicación para obtener el ácido poli láctico tomando en cuentas las característicasmás relevantes y las condiciones básicas para cada método con la cual se pueda llevar a cabo la reacción de manera exitosa(Apéndice A, tabla 16). Esta tabla se construyó con el fin de estudiar más a fondo los métodos involucrados y así tomar una mejor selección del mismo. Posteriormente con la información recopilada anteriormente se construyó una matriz de selección por valoración de puntos. Para lo cual se tomó en cuenta algunas variables que influyen significativamente en el proceso, tales como:presión, temperatura, tiempo, tiempo y disponibilidad de reactivos.

Luego, se realizó una matriz de prioridades de Moody (Apéndice A, tabla 17) para lo cual se tomó en cuenta la valoración obtenida anteriormente y las condiciones disponibles en el Laboratorio de Polímeros del Centro de Investigaciones Químicas de para llevar a cabo el proceso. En esta matriz se ordenaron las variables ya mencionadas por orden de importancia y debido a su influencia en el proceso se le asignaron valores de 0 al menos importante y de 1 al más importante y 0,5 para variables

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idénticas, donde se tomó la sumatoria de estos valores y se dividió entre el total general, obteniendo así el porcentaje de valoración para cada una variable.

Para la valoración integral se construyó una matriz de asignación de valores (sección 4.4, Tabla 10). Donde la matriz de selección se construyó colocando los parámetros seleccionados en las filas y los tres métodos más utilizados para la polimerización se colocaron en las columnas con su respectivo porcentaje de valoración obtenido en la tabla anterior, luego se procedió a llenar la matriz de forma vertical, asignándoles a los mismos una valoración comprendida del 1 al 5, según el grado de cumplimiento del criterio; donde los valores cercanos al límite inferior (uno) corresponde a los parámetros más desfavorables en las especies y al límite superior (5) para los más favorables. La selección se basó en el puntaje total obtenido por los diferentes métodos, el cual se calculó para cada uno, como la sumatoria del producto entre la valoración y el factor de peso. Finalmente, se seleccionó el método que obtuvo la mayor puntuación.

Para la obtención del ácido poliláctico se utilizó el procedimiento propuestopor Hernández y Veitia., (2014); Medina et al, (2014); y Estupiñán et al, (2007), consistente en oligomerización seguida de la poli condensación. Para esto, se realizó el montaje que se muestra en laFigura 3.10.

1.- Oligomerización: Al inicio del proceso de oligomerización se colocó 200 mL de ácido láctico obtenido en un balón de 250 mL, luego se calentó a 150ºC en un sistema de destilación al vacío. La presión del sistema se redujo gradualmente de la siguiente manera: la primera hora se mantuvo en 5 pulgadas Hg de vacío, luego se disminuyó en 5 pulgadas Hg de vacío cada hora hasta llegar a la mínima presión de vacío correspondiente a 22 pulgadas Hg de vacío.

Figura 3.10. Montaje de la polimerización por condensación.

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2.- Policondensación: luego de la etapa de oligomerización, se agregó gota a gota 50mL de cloruro de Estaño (II) dihidratado y ácido bórico, teniendo en cuenta que la cantidad del catalizador fuera de 0.4% en peso y la relación ácido catalizador de 1:1 molar¸ según lo propuesto por Tovar, (2015), seguidamente, la mezcla se calentó a 170 °C bajo agitación magnética, la presión de la reacción se mantuvo durante 4 horas en 22 in de Hg; (Pinzón et al., 2006). Se observó que durante el tiempo de reacción, el sistema se volvió viscoso gradualmente. Posteriormente, se dejó enfriar y el producto obtenido se disolvió en cloroformo. La Caracterización del producto obtenido se realizó mediante Espectrometría Infrarroja con el fin de identificar la presencia de los grupos funcionales presentes, y empleando el procedimiento descripto en al apartad en sección 2.2.19. Posteriormente se realizó un análisis estructural de las muestras con Espectrometría Infrarroja con el fin de identificar la presencia de los grupos funcionales presentes en el polímero.

3.3.5.- Verificar la biodegradabilidad de la mezcla en estudio. Para la verificación de la biodegradación del producto obtenido se realizó un ensayo de degradación hidrolítica empleando tres medios distintos: ácido, neutro y básico. Para cada medio, se colocó en un tubo de ensayo 6 mL de solución amortiguadora de pH 4,5, de 7,00 y de 10 respectivamente (Ver Figura 3.11). Luego se sumergió en cada tubo un trozo del polímero obtenido y se colocó en un baño maría a 36 °C. El seguimiento de la degradación se realizó midiendo el pH de la solución cada 24 horas durante 4 días, tal como lo señala Hernández y Veitia (2014)

Figura 3.11. Tubos de ensayos utilizados en la prueba de degradación Hidrolítica.

3.3.6. Realizar un análisis costo-beneficio con el fin de determinar si es posible o no la propuesta.

Como último objetivo de la investigación, se procedió al análisis de los costos asociados al proceso de producción del ácido poliláctico a nivel de laboratorio. Esta estimación se realizó tomando en cuenta aspectos básicos, como son los costos de material, reactivos, análisis, caracterizaciones y mano de

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obra del personal. Para conocer los costos asociados a la producción del ácido poliláctico se planteó un sistema de ecuaciones que permitió evidenciar la influencia de su desarrollo dentro del laboratorio. Uno de los elementos importantes tomados en cuenta fue la mano de obra al momento de realizar las pruebas determinadas, este es un factor de gran importancia, ya que es el encargado del desarrollo de las tareas y actividades a cumplir, con la ayuda de la infraestructura, materiales, instrumentos, entre otros. El costo relacionado a este factor, está dictado por el sueldo base del trabajador y por los beneficios y requisitos que establece la Ley a las instituciones para el respaldo de sus empleados. En la Tabla 3.4 se presenta las especificaciones del salario de un ingeniero y un técnico Superior Universitario.

Tabla 3.4 Valoración de un mes de trabajo de un ingeniero con hasta un año de experiencia Concepto

Asignación

Salario promedio FAOV (BANAVIH)

-3% del salario promedio 15,5 % del salario Seguro social (IVSS) promedio Caja de ahorros 1% del salario promedio Relación equivalente a 3 Bono de fin de año veces el salario promedio entre 12 meses Relación equivalente al Vacaciones salario promedio entre 12 meses 250% de la Unidad Bono adicional Tributaria por 30 días del mes Total -Fuente: Colegio de Ingenieros de Venezuela (CIV)

Valoración (Bs/mes) Técnico Superior Profesional Universitario Universitario 63997,5 121900 1919,925 3657 9919,6125

18894,5

639,975

1219

15999,375

30475

5333,125

10158,33333

13275

13275

111084,5125

199578,8333

La tabla anterior indica que un ingeniero y un técnico de tipo P1 con experiencia de cero a un año, debe cotizar un sueldo mínimo de 121.900 Bs y 63.997,5 Bs. Partiendo de la información antes mencionada se calculó los costos de mano de obra. Ver tabla 3.5

Tabla 3.5 Cantidad y valoración del personal para la obtención del ácido poliláctico Personal

N° de persona

Pago mensual (Bs)

Desembolso por año (Bs/año)

Técnico

1

111084,51

1333014,12

Ingeniero

2

399157,66

4789891,92

Total

510242,17

6122906,04

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De acuerdo con los datos de la tabla anterior, se estimó el costo de mano de obra, obteniendo que el valor por realizar cada ensayo es de 510.242,17 Bs, de igual manera cabe destacar que el número de ensayos al mes fue un estimado, en función de los días trabajados al mes y el total de personal.

Seguido a esto, se efectuó el análisis de los equipos utilizados para la producción del ácido poliláctico, entre los equipos utilizados, los de mayor importancia son el Biorreactor, empleado en la etapa de fermentación, y la bomba de vacío, empleado en la etapa de polimerización, destacando que estos tipos de equipos en su mayoría son utilizados a nivel de laboratorio y permiten controlar diferentes parámetros como presión, temperatura, pH, velocidad entre otras condiciones necesarias para el desarrollo del proceso. Todos los equipos utilizados en el proceso son señalados en la Tabla 3.6.

Tabla 3.6 Costos de los equipos principales para la obtención del ácido poliláctico. Equipos

Costo por unidad ($)

Cantidad requerida

Costo total por equipo ($)

Biorreactor

5000

1

5000

Campana de flujo laminar

805

1

805

Balanza analítica

339

1

339

Olla de esterilización

1460

1

1460

Bomba de vacío

479

1

479

Brixometro

59

1

59

Agitador de muestras

280

1

280

Refractómetro Plancha de calentamiento y agitación Estufa esterilizador

355

1

355

1118

1

619

1

619

pHmetro digital

293

1

293

Incubador de microorganismo

600

1

600

Microscopio

300

1

300

Espectrofotómetro

6000

1

6000

Total

1118

17709

También como aspecto importante se tomaron en cuenta los costos de los análisis y caracterizaciones de la materia prima, así como también los productos intermedios y finalmente el producto final reflejados a continuación en la tabla 3.7.

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Tabla 3.7 Costos de los análisis y caracterización para la obtención del ácido poliláctico. Descripción

Costo (Bs/mes)

Costo (Bs/año)

Caracterización de la materia prima

325.000,00

3900000

Análisis de control intermediario del proceso

1.300.000,00

15600000

Caracterización del producto final

1.663.000,00

19956000

Total

3.288.000,00

39456000

La obtención de los costos de los reactivos representados en la Tabla 3.10 se realizaron en función del consumo por muestra, estimando el precio por muestra de cada reactivo utilizado en el estudio. Para este estudio se observaron que algunos costos son elevados comparados con los de los equipos, muchos de ellos superior a la unidad, esto debido a que el precio de adquisición de algunos de los reactivos son muy altos. Los costos de los reactivos son de gran importancia porque influyen de manera directa en el valor de producción del ácido poliláctico, donde se registró que para la obtención de un ensayo mensual el valor es de 16780,19 Bs Bs.

Tabla 3.8 Reactivos necesarios para la obtención del ácido poliláctico Reactivos Agar

Unidad de compra Kg

Consumo Bs/Unidad por muestra Kg/muestra 1530000 0,001 Unidad de medida

Costo por muestra (Bs/día) 1530

Costo por muestra (Bs/año) 382500

Caldo nutritivo Carbonato de calcio Acetato de etilo

Kg

Kg/muestra

2160000

0,001

2160

540000

Kg

Kg/muestra

1180000

0,003

3540

885000

L

L/muestra

128000

0,03

3840

960000

Cloruro de estaño Fosfato de potasio diácido Sulfato de magnesio Sulfato de amonio

Kg

Kg/muestra

560000

0,008

4480

1120000

Kg

Kg/muestra

100000

0,00004

4

1000

Kg

Kg/muestra

100000

0,000025

2,5

625

Kg

Kg/muestra

128000

0,0002

25,6

6400

Sulfato de zinc

Kg

Kg/muestra

176000

0,00004

7,04

1760

Ácido clorhídrico

L

L /muestra

78000

0,003

234

58500

Cloruro de sodio

Kg

Kg/muestra

104000

0,00085

88,4

22100

Hidróxido de sodio

Kg

Kg/muestra

7000

0,0005

3,5

875

Levadura

kg

Kg/muestra

172230

0,005

861,15

215287,5

Mango

kg

Kg/muestra

500

0,006

3

750

Yogurt

kg

g/muestra

1000

0,001

1

250

16780,19

4195047,5

Total (Bs)

50

La característica esencial fue el uso de costos predeterminados, como medida de control para cada elemento durante los ciclos de producción. Los costos se calcularon una sola vez, donde cada elemento se controló en forma adecuada, el costo total resulto del equivalente de los elementos controlados.

A partir de las bases de datos, se obtuvieron los valores de los materiales como también, se realizó la búsqueda de costos referenciales a los reactivos y equipos necesarios para la construcción del experimento; se procedió a la estimación de los costos por adecuación de infraestructura, y el resto de las actividades relacionada a la actividad de producción de ácido láctico a nivel de laboratorio.

Gracias a lo anterior expuesto se pudo realizar el estudio de costo/beneficio mediante cálculos, formulas y modelos matemáticos designados para determinar la inversión total en lo que refiere a activos fijos tangibles (equipos e infraestructura), activos fijos intangibles (trámites legales), estimación de costos variables (materia prima, y servicios industriales), los costos de producción, costo de manufactura (mano de obra, gastos administrativos y ensayos de caracterización y control) y rentabilidad del proyecto.

51

CAPÍTULO IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS En este capítulo se presenta un análisis detallado de los resultados obtenidos en esta investigación. Esto en base a los fenómenos involucrados con la finalidad de determinar la influencia que ejercen los mismos en el desarrollo de los objetivos planteados.

4.1 Seleccionar entre las diferentes especies de mango (Mangifera Indica L.) cuál posee mejores propiedades con la finalidad de utilizarlo como materia prima.

Tabla 4.1. Ponderación obtenida en la valoración de las diferentes especies de Mango Analizadas Ponderación según el tipo de Mango. Parámetro Bocado

Hilacha

Pico de Loro

Manga

°Brix

72,42

96,56

24,14

120,7

pH

68,96

86,20

34,48

17,24

Pulpa

10,35

41,40

31,05

20,70

Peso

34,48

51,72

17,24

86,20

Cosecha

155,15

62,06

31,03

93,09

Total general.

341.36

337,94

137,94

337,93

En la Tabla 4.1 se muestra la ponderación obtenida en la matriz de selección elaborada con las especies de mango que se analizaron. En ella se puede observar que la especie que presenta el mayor contenido de grados Brix (ºBrix) es la manga con 120,7 puntos y el hilacha 96,56 esto se debe a que la manga fue favorecida en la valoración de puntos ya que ella se caracteriza por ser intensamente dulce (Ver Apéndice A, Tabla 1 ) concordando claramente con los resultados esperados sin embargos aunque esta especie predomina ampliamente en esta característica no es un resultado definitivo, pues al analizar los otros parámetros importantes se consiguieron resultados poco favorables para el proceso, comparado con la cantidad de azúcar que posee el mango hilacha es por esta característica que el hilacha es favorecido con 337,94 puntos con respecto a la manga que posee 337,93.

52

En cuando a la ponderación del pH se tiene que la especie hilacha obtuvo un valor de 86,20 puntos seguida de la de bocado con 68,96 estos valores se deben que el pH que se requiere para la fermentación debe estar cercano a 6, ya que es un medio casi neutro idóneo para el crecimiento de la bacteria encargada de llevar a cabo el proceso de fermentación, por lo que el hilacha es el que más se acerca al pH deseado es por esto que en la valoración de puntos se favorece el hilacha seguido del mango bocado, representando así una variación porcentual de un 80% con respecto al de mayor beneficio.

Ahora bien, en el peso la manga obtuvo 86,20 puntos mientras que el bocado 34,48 al comparar estos valores se refleja que evidentemente la manga posee un mayor peso lo que involucra la semilla y esta no se utiliza en el proceso y una mayor cantidad de pulpa lo que no ocurre con el mango bocado ya que este posee un menor peso (Ver Apéndice A, Tabla 1) pero es favorecido en la valoración por otras características como lo es el pH y el porcentaje de pulpa que este posee con respecto a la semilla que este tiene en su interior, aportando así al total general del mango bocado 341,36 puntos. Favoreciendo indiscutiblemente en este aspecto mostrando una marcada diferencia con el mango de bocado el cual le sigue en este sentido.

En relación a la cosecha, parámetro que se consideró con mayor importancia debido a que permite contar con la especie de mango el mayor tiempo durante el año, se tiene que bocado obtuvo 155, 15 puntos y la manga 93,09 puntos, esto debido a que el mango bocado representa la cosecha más larga en el año, pudiendo producir hasta 2 cosechas al año característica muy importante ya que garantizaría una gran cantidad de materia prima durante todo el año. Esta característica que se le atribuye al potencial genético y a las características climáticas tropicales de nuestro país en el cual se desarrolla el fruto. Además como último punto cabe destacar que estas cosechas suelen ser muy abundantes lo que ayudaría a compensar fácilmente la ventaja que tiene la manga respecto a su peso el cual es superior pero su cosecha no suele ser tan abundante. Es por lo que el mango bocado se favorece con un total general de 341,36 puntos con respecto a las otras especies, lo que determina que esta es la especie que posee los requerimientos más favorables para ser tomado como materia prima en el desarrollo de la fermentación. .

En referencia al total general se tiene que el bocado acumuló 341,36 puntos y las especies hilacha y manga 337,94 y 337,93 respectivamente. Con estos resultados, se establece que la especie de mango (Mangifera Indica L.) que posee las mejores cualidades para ser utilizado como materia prima en el desarrollo de este trabajo especial de grado es el, Bocado. 53

Tabla 4.2. Caracterización de la pulpa del Mango Bocado. Características

Experimental

Referencia

pH (Adim)

5,53 ± 0,06

4,357 ± 1,8

°Brix (Adim)

15,06 ± 0,48

16,5 ± 0,15

Porcentaje de Humedad (%)

80,62 ± 0,83

81,35 ± 2,12

Porcentaje de Ceniza (%)

0,35 ± 0,06

0,66 ± 0,02

En la Tabla 4.2, se presentan los resultados de la caracterización de la pulpa del Mango Bocado. En ella se observa que el valor del pH es de 5,53 Adim. .donde se puede apreciar que existe una diferencia a lo reportado por Briceño et al, (2005) esto puede ser generado por diversos factores, tales como tiempo de maduración o relacionado con el tipo de suelo en el cual fue cultivado y las características del terreno, esto debido a que estas muestras se tomaron aleatoriamente de árboles cultivados sin ningún tipo de fertilizante o abono que pudiese alterar su acidez en busca de mejorar la producción por cada árbol. Sin embargo el valor no se encuentra tan lejano con lo reportado por la referencia siendo este un valor aceptable para el proceso de fermentación. Adicionalmente es importante resaltar que el valor encontrado en el laboratorio se encuentra mucho más cercano a los valores ideales requeridos por el proceso de fermentación.

En cuanto al valor de los ºBrix obtenido (15,06) se tiene…que este resultado concuerda con la referencia la cual posee una gran similitud en lo reportado por Briceño et al., (2005) donde los °Brix del mango bocado se encuentran alrededor de 16,5 Adim, representando este un valor muy importante ya que representa la mayor cantidad de azúcar presente dentro del proceso que puede ser reducidas durante la fermentación. Este parámetro va ligado indudablemente a la eficiencia en el proceso pues tener grandes cantidades de azucares dentro de la fermentación representara de alguna manera grandes cantidades de ácido láctico resultante. Es importante destacar en este punto que el mango de bocado no es la especie que posee un mayor grado brix presente. Sin embargo en el proceso final será compensado con fermentaciones más grandes hechas con materia prima más abundante a nivel nacional y más económico.

Por su parte, se encontró que la pulpa de mango posee un porcentaje de humedad de 80,62% este valor es muy aproximado al reportado por Briceño et al., (2005), quien señala que los frutos frescos contienen principalmente agua, entre un 80-85% del peso fresco, ácidos volátiles en pequeñas proporciones y el resto lo constituyen sólidos de diferente naturaleza, lo que indica que era el valor esperado. 54

Ahora bien, el porcentaje de ceniza obtenido fue de 0,35% este es bajo en comparación con lo reportado por Martínez (2008), esto se puede deber a parámetros climatológicos los cuales afectan el contenido de nutrientes y las características del mango, las cenizas representan la cantidad de compuestos inorgánicos (minerales) que se encuentran en los alimentos. El porcentaje de cenizas en cada variedad difiere debido a que cada una de ellas presenta características específicas en su composición por diferentes causas.

En virtud de lo señalado anteriormente, se estableció que el mango bocado dispone de las características fisicoquímicas adecuadas para ser empleado como materia prima en la obtención del ácido láctico, ya que reúne los requerimientos nutricionales ideales para llevar a cabo un proceso de fermentación microbiana. 4.2 Seleccionar el microorganismo que se empleará en la fermentación del mango (Mangifera Indica L.) para obtener el ácido láctico.

La selección de los microorganismos que se utilizaron en la obtención de ácido láctico se realizó tomando en cuenta la ponderación obtenida en la matriz que se muestra en la Tabla 4.3.

Tabla 4.3 Ponderación obtenida en la valoración de los diferentes microorganismo analizados

Lactobacillus Rhamnosus

Bacillus thermophilic

Lactobacillus Rhamnosus

Bacillus thermophilic

Lactobacillus Bulgaricus

Lactobacillus Bulgaricus

Ponderación del porcentaje a cada especie

Valoración de 0-5

Parámetro

Porcentaje del parámetro (%)

Temperatura

28,95

5

2

3

144,75

57,9

86,85

pH

18,42

4

5

2

73,68

92,10

36,84

Tiempo de fermentación

18,42

5

3

4

92,10

55,26

73,68

Trabajo de eje

13,16

4

5

3

52,64

65,80

39,48

Producción

13,16

4

3

5

52,64

39,48

65,80

Disponibilidad

7,89

4

4

1

31,56

31,56

7,89

ΣTT

447,37

342,10

284,22

55

En esta tabla, se observa que la temperatura posee un porcentaje del 28,95% debido al resultado de la matriz de valoración realizada anteriormente para la selección del microorganismo. En cuanto a la ponderación general se tiene que la Lactobacillus Bulgaricus es el microorganismo que posee la mayor ponderación con respecto a la temperatura con 144,75 puntos. Estose relaciona con el hecho esta bacteria pertenece al grupo de los microorganismos termófilos, que de acuerdo a Medina y colaboradores (2014), quienes señalaron que las Lactobacillus Bulgaricusrequiere de un rango de temperatura entre 34 a 40°C para desarrollarse. Esto es una ventaja significativa ya que puede adaptarse a la temperatura que se utilizó en este trabajo para llevar a cabo el proceso de fermentación en laboratorio, la cual fue de 37°C. Por su parte, Serna y Rodríguez, (2005) establecieron que, para que la fermentación ocurra de manera rápida y completa es recomendable el uso de microorganismos termófilos.

Con respecto a la valoración del pH esta arroja un resultado del 18,42% colocándolo como un parámetro de prioridad ya que según Rodríguez yVeitia, (2014) establecen, que el diseño correcto del medio tiene que ver con las características bioquímicas propias y evolución de los parámetros durante la producción de ácido láctico, el cual está caracterizado por el descenso continuo de pH. Donde se puede observar que la bacteria Bacillus thermophilicobtuvo un valor de 92,10 puntos seguida de la Lactobacillus Bulgaricuscon 73,68 puntos, estos valores se deben a que la Bacillus thermophilic presenta un pH más alto en comparación al de la Lactobacillus Bulgaricus el cual favorece de alguna manera al proceso ya que se evita el tener que ajustar el pH con el carbonato de calcio, lo que garantiza un ahorro económico en el proceso, además de mantener un nivel de pH óptimo para el crecimiento del microorganismo.

Con respecto altiempo de fermentación resulto 18,42% de porcentaje de valoraciónlo cual ofrecía el mayor rendimiento de producción de ácido láctico sin afectar el tiempo de vida de los microorganismos. Se puede observar en la tabla 4.4 que la Lactobacillus Bulgaricus obtuvo 92,10 puntos siguiéndole la Lactobacillus Rhamnosus 73,68 puntos al comparar estos dos valores con la bibliografía (Apéndice A, Tabla 7) destaca que fue favorecida la primera ya que esta posee un menor tiempo de fermentación lo que es satisfactorio para la producción de ácido láctico y para la realización del trabajo experimental.

Para el trabajo de eje se obtuvo un porcentaje de 13,16% en la valoración, tomando como base lo propuesto por (Betancourt, 2003) donde dice, que un sistema en el cual los sustratos están disueltos o suspendidos en un medio acuoso y son agitados para conservar la homogeneidad del sistema haciendo que este tipo de fermentación se desarrolle de manera acelerada. Lo que la Bacillus thermophilic obtuvo 65,80 puntos seguida de la Lactobacillus Bulgaricus con 52,64 puntos, esto debido a que la Bacillus según la información recopilada en el Apéndice A, Tabla 7 no requiere de trabajo de eje para 56

su desarrollo, la cual es una característica que la favorece con respecto a los otros dos microorganismos estudiados debido a que gracias a esto se puede evitar el uso de agitación durante la fermentación. Cosa que no ocurre con la Bulgaricus que si requiere de trabajo de eje para un mayor crecimiento.

Ahora bien, en cuanto a la producción con un porcentaje de 13,16%, por lo que la Lactobacillus Rhamnosus obtuvo 65,80 puntos seguidos de la Lactobacillus Bulgaricus con 52,64 puntos, donde se ve favorecida la Rhamnosus debido a la alta generación de ácido láctico de que esta presenta según la información recopilada en la tabla del Apéndice A, Tabla 7.

En cuanto a la disponibilidad la Lactobacillus Bulgaricus y la Bacillus thermophilic obtuvieron la misma cantidad de puntos 31,56 puntos ya que de acuerdo a lo señalado por Tejada Ronald (2015) este indica que se encuentran en productos lácteos fermentados, y se utiliza generalmente en la producción de yogurt dando así un fácil acceso a este. Es por esto que dicho parámetro tiene un porcentaje de 7,89% de valoración.

En virtud de lo señalado anteriormente, se establece que el microorganismo más adecuado para llevar a cabo el proceso de fermentación para la producción de ácido láctico es la mezcla de la Lactobacillus Bulgaricus y laBacillus thermophilic, la cual acumuló un total de 447,33 puntos y 342,10 puntos respectivamente en la ponderación de los parámetros analizados.

Ambos microorganismos cooperan entre si durante la fermentación y el crecimiento asociado que dan como resultado una acidificación acelerada; Estudios moleculares y genómicos indican que el Lactobacillus bulgaricus y el thermophilic que se estimulan unos a otros para el crecimiento, cooperando y compensándose unos a otros metabólicamente. El thermophilic degrada la urea en la leche y por consiguiente excreta CO2 para de esta manera estimular el crecimiento del bulgaricus, lo que se ve dificultado por la baja concentración de CO2 en la leche después del tratamiento térmico, (Ozen&Ozilgen, 1992)

Figura 4.1 Colonias de las Lactobacillus Bulgaricus y Bacillus thermophilic 57

En la figura 4.1 se pueden observar los microorganismos Lactobacillus Bulgaricus los cuales son homofermentativos anaerobios, facultativos, no móviles, no forman esporas y se pueden observar en forma de bastoncillos, lisas y cremosas, al igual que otras bacterias son tolerantes a la acidez y poseen un metabolismo fermentativo estrictamente con ácido láctico D, como producto metabólico final importante. Crecen en un número restringido de hidratos de carbono, (Serna & Rodríguez, 2005). Por su parte el thermophilic es una bacteria Gram-positiva y un anaerobio facultativo homofermentativo y colonias de color blanca, con apariencia de estar secas, redondas con bordes irregulares y cremosas y no forma endosporas (Lick et al., 2015)

Tabla 4.4. Evolución de los Parámetros analizados durante el proceso de fermentación. Hora

pH (Adim)

Temperatura (°C)

°Brix (Adim)

VNaOH (mL)

% Ácido Láctico

0 24 48 72

6,0 5,0 4,4 4,0

32 33 32 31

10,4 9,8 8,6 8,0

0 1,7 4,7 6,8

0 15,31 42,34 61,25

De acuerdo a los resultados obtenidos en la tabla 4.4 se puede observar que los valores obtenidos a lo largo de la fermentación corresponden con las características ya reportadas por (Rivas y Garro, 2006) donde se estudió el comportamiento de las variables involucradas en el proceso de fermentación, esto quiere decir, que la bacteria se adaptó de una manera fácil al medio al cual fue sometido arrojando los resultados esperados para dicho proceso. Donde estos datos fueron reflejados en una gráfica para así

12,0

12

10,0

10

8,0

8

6,0

6

4,0

4

2,0

2

0,0

Volumen NaOH (mL)

comparar con la bibliografía y poder obtener una mejor visual deeste comportamiento (Ver figura 4.2).

pH °Brix VNaOH

0 0

24

48 Tiempo (h)

72

Figura 4.2. Comportamiento del pH °Brix y VNaOH durante la fermentación del mango 58

De la figura 4.2 se puede observar que la solución inicial de mango e inóculo parte con un pH de 6, una disminución del mismo se considera un indicador de producción de ácido, evidenciando que en las primeras 24 h se da la mayor reducción de pH, mas no la mayor producción de ácido láctico.

Es importante señalar que el contenido de azúcar fue consumido ligeramente por la bacteria en la fermentación ya que se redujeron de 10,4 ºBrix a 8,0 ºBrix al finalizar la fermentación; se considera que el proceso realizado es eficiente en cuanto a producción de ácido láctico por el consumo de azúcar durante la fermentación. Cuyo comportamiento se asemeja en la bibliografía reportada por Castro y Lugo, (2013).

Para identificar el tiempo en que se da la mayor producción de ácido láctico en el proceso fermentativo, dándose esto a las 72 h, comparando con lo reportado por Castro y Lugo, (2013), se encuentra una correspondencia con los datos reportados por ellos; mostrando que la producción de ácido láctico se da en el mismo periodo de tiempo y teniendo en cuenta que ellos utilizan el mismo microorganismo; observando a su vez un aumento elevado de la acidez del mosto debido a las excreción de las bacterias, luego de trascurrido ese tiempo, el pH comienza a estabilizarse, esto principalmente porque la fermentación comienza su etapa estacionaria manteniéndose las condiciones constantes, ya que los microorganismos comienzan a morir.

Tabla 4.5. Porcentaje de producción de ácido láctico obtenido a través de la fermentación del mango bocado. Microorganismo Lactobacillus Bulgaricus y Bacillus thermophilic,

Sustrato

Rendimiento

Mango

65,97%

En la tabla 4.5 se observa el ácido láctico producido en la etapa de fermentación al finalizar las 72 h donde se obtuvo un rendimiento de 65,97% ver apéndice C, como consecuencia de la fermentación del mango con Lactobacillus bulgaricus y el Bacillus thermophilic. Comparando este resultado con los obtenidos por Medina et al, (2014) donde los porcentajes para ácido láctico fueron de 13.90% y con Quintero et al, (2012) quienes obtuvieron un 17,6 %; con el resultado del presente estudio se considera aceptable para esta etapa del proceso.

59

4.3.-Caracterizar físico-químicamente el ácido láctico obtenido para verificar su rendimiento.

Tabla 4.6. Características referenciales y obtenidas del ácido láctico producido. Parámetro Ácido Láctico obtenido Ácido Láctico referencia Índice de refracción, (Adim)

1,419

1,44

1,868x10-4

28,5×10-3

1099,33

1,1748

Acidez titulada, (%)

1,28

1,458

pH, (Adim)

1,49

2,4

Viscosidad, (Kg/m.s) Densidad, a 25°C (Kg/m3)

En esta fase se muestran los resultados de los análisis físico-químicos aplicados a la obtención de ácido láctico por media de la fermentación del mago y microorganismos, los cuales se reflejan en la tabla 4.6 respectivamente.

Se puede apreciar un índice de refracción de 1,419 obtenido a nivel experimental y al ser comparado con el valor referencial, Perry y Green., (2001) es muy cercano con un valor de 1,44 esta diferencia es debida al método de purificación en la obtención de dicho acido el cual pudo influir los equipos, tiempo de purificación, y demás parámetros de control involucrados en el proceso de purificación. En cuanto a la viscosidad fue valorado en 1,868x10-4Kg/m.s que al ser comparado con el valor de Perry y Green., (2001) este fue de 28,5×10-3 Kg/m.s dando un valor más bajo el cual pudo estar influenciada por trazas de otros componentes al momento de la purificación afectando el poder viscosante de dicho ácido. Referente a la densidad se reporta un valor de 1099,33 Kg/m3 al ser comparado con valores referenciales de Perry y Green., (2001) presentando un valor de 1,1748 Kg/m3 el cual fue muy cercano al valor obtenido debido a la influencia de la temperatura y presión en el método de purificación ya que el ácido láctico tiene la capacidad de regenerar agua si dichos parámetros no son controlados.

En relación al pH del ácido valorado en 1,49 este valor fue estudiado por la referencia reportado, con un valor de 2,4 y a la acidez se aprecia un valor de 1,28 % y el valor presentado por la referencia que fue de 1,458%, Hernández y Veitia., (2015). Presentan una diferencia muy marcada, debido a que la materia prima y los microorganismos utilizados fueron completamente diferentes el cual influye directamente en el pH y el porcentaje de acidez titulada.

60

A pesar de la desviación de los valores obtenidos a través de la caracterización del ácido producido con la fermentación del mango en comparación a la referencia reportada son aceptables.

Posteriormente se realizó un análisis de Espectrometría de infrarrojo (IR) al ácido láctico obtenido, la cual se puede observar en la figura 4.3

Figura 4.3. Espectro IR del ácido láctico obtenido con la fermentación del mango.

Figura 4.4. Espectro IR del ácido láctico teórico.

Al observar la figura del espectro IR del ácido láctico obtenido con el teórico para identificar los grupos funcionales más importantes que se encuentran presentes en la estructura, en la cual se identificaron los picos y bandas de transmitancia respectivas como lo son el grupo hidroxilo (OH) que proviene de una señal ancha y pronunciada la cual posee un valor de 3439,61 cm-1, otra para el grupo

61

carbonilo (C=O) en 1719,39 cm-1, donde la banda del metilo (-CH) es de 1458,19 cm-1 y finalmente la señal del grupo carboxilo (C-O) es de 1048,70 cm-1.

Al comparar el espectro obtenido con la referencia de otro autor (Ver Tabla 4.9) se puede concluir que la magnitud de las ondas posee una similitud con respecto a los valores teóricos por lo que la desviación no es muy significativa, esto confirma de manera cualitativa que existe la presencia del ácido láctico.

Tabla 4.7. Grupos funcionales presentes en el ácido láctico. Onda (cm-1) 3439 1458 1719 1048

Grupo O=H C-H C=O C-O Fuente: (Castells y Camps, 1980).

Onda de referencia (cm-1) 3200 1455 1724 1036

En virtud de lo antes señalado, se establece que el ácido láctico obtenido de la fermentación del mango posee lascaracterísticas aceptables en comparación al ácido láctico comercial. Esto, es un indicativo de que el proceso se desarrolló de manera adecuada.

4.4.- Polimerización del ácido láctico para obtener ácido poliláctico (PLA).

La selección del método de polimerización que se utilizó en la obtención del ácido poliláctico se realizó tomando en cuenta la ponderación obtenida en la matriz que se muestra en la Tabla 4.10.

Tabla 4.8 Ponderación obtenida en la selección del métodos de polimerización utilizado.

4 5 5 5

Ring OpeningPolimeri zation (ROP) o Apertura del Anillo

Ring OpeningPolimeri zation (ROP) o Apertura del Anillo

Policondensació n Azeotrópica 3 3 0 3

Policondensació n Azeotrópica

43,75 31,25 6,25 18,75

Ponderación del porcentaje a cada especie

Policondensació n Directa

Presión Temperatura Tiempo Catalizador

Policondensació n Directa

Parámetro

Porcentaje del parámetro (%)

Valoración de 0-5

5 4 4 3

175 156,25 31,25 93,75

131,25 93,75 0 56,25

218,75 125 25 56,25

ΣTT

456,25

281,25

425

En la tabla 4.7 se puede observar que la presión posee un porcentaje de 43,75%, resultado que arrojo la matriz de valoración realizada anteriormente para la selección del método a emplear en la polimerización. Esto a raíz de que la presión es de todos, el parámetro más importante para llevar a 62

cabo la reacción de manera eficiente ya que de no controlar este parámetro la reacción no se llevaría a cabo. En cuanto a la ponderación general se obtuvo que la apertura del anillo alcanzo 218,75 puntos seguido de la polimerización directa con 175 puntos, esto se presenta ya que la apertura del anillo es el método más controlado con respecto a los tres en estudio, por lo que la poli condensación directa asocia la presión con la temperatura parámetros importantes que pueden ser controlados de manera conjunta para llevar a cabo la reacción.

Por otro lado, la temperatura obtuvo un porcentaje de 31,25% lo que indica que la reactividad de los grupos funcionales aumenta con la temperatura por lo que la reacción suele llevarse a cabo con suministro de calor. Es por esto que en la ponderación general el método de polimerización directa arrojo 156,25 puntos seguido de apertura del anillo con 125 puntos, esto se debe a que el método de polimerización directa logra alcanzar una menor temperatura en la primera etapa, lo que genera un mejor alcance para llegar a iniciar la segunda etapa, ya que la velocidad de reacción aumenta con la temperaturacosa que no ocurre con la apertura del anillo ya que este necesita alcanzar una mayor temperatura para iniciar la primera etapa lo que era muy difícil de controlar ya que los instrumentos del laboratorio eran limitados con respecto a su escala cuyo máximo podía medirse hasta 200°C.

Con respecto al tiempo de reacción este obtuvo un porcentaje de 6,25% lo que indica que este parámetro no es por lo general de gran significancia, pero cabe destacar que para obtener polímeros grandes se necesitan tiempos de reacción mucho más altos en el caso que no se utilice un catalizador, lo que indica quepara aplicar a nivel de laboratorio métodos que requieran mayor tiempo no son de gran ayuda ya que el tiempo no es de total disponibilidad. Para la ponderación de manera general la poli condensación directa obtuvo 31,25 puntos seguido de la apertura del anillo con 25 puntos lo que quiere decir que la poli condensación directa es la más adecuada con respecto a este parámetro ya que el tiempo que requiere la reacción para llevarse a cabo es mucho menor, lo que es satisfactorio en el proceso ya que permite obtener un mayor número de poli condensaciones en menor tiempo.

Para el catalizador este, arrojo un porcentaje de 18,75% lo que deja ver que la influencia del catalizador en el proceso es de suma importancia ya que sin este es muy difícil no llevar a cabo la reacción en su totalidad ya que este acelera dicha reacción aportando una disminución del tiempo de reacción del proceso. Con respecto a la ponderación general la poli condensación directa arrojo 93,75puntos seguido de la apertura del anillo 56,25 esto es debido a que la apertura del anillo los catalizadores basados en metales pesados pueden fácilmente contaminar el producto, lo que complica la purificación del PLA obtenido y también limita sus aplicaciones en los campos del envasado de alimentos y biomedicina (Nuria Valls, 2012) por lo que fue favorecido la poli condensación directa en este ámbito.

63

Finalmente, al sumar la totalidad de los puntoslos resultados obtenidos señalan al método de poli condensación directa con 456,25 puntos, como el método más adecuado para polimerizar el ácido láctico obtenido. Esto concuerda con lo publicado por López (2004) donde establece que la polimerización se lleva a cabo por la reacción entre grupos funcionales, usualmente de distinta naturaleza, lo que indica que se requiere al menos un monómero para realizarse, que lo diferencia de la polimerización por apertura del anillo, en el cual la reacción requiere de una estricta pureza de la lactida y al menos un iniciador lo que lo hace más bien caro y menos accesible.

Posteriormente se construyó un esquema a nivel de laboratorio indicando de manera clara las etapas a seguir en el método de la poli condensación directa tomando en cuenta los parámetros másimportantes para el proceso. Ver figura 4.5.

Figura 4.5. Esquema delas etapas del proceso de polimerización del ácido láctico

Tabla 4.9. Valores de la concentración luego de la pre concentración del ácido láctico

Concentración Inicial (g/L)

Concentración Final (g/L)

6,70

61,25

En la tabla anterior se puede observar como se pudo obtener una mayor concentración a través de la pre concentración del ácido láctico obtenido, esto debido a que se fue retirada la mayor cantidad de

64

agua contenida inicialmente debido a que esta interfiere en el proceso de polimerización, por lo que fue necesario aumentar la concentración para obtener un mejor rendimiento.

Análisis de Espectroscopia Infrarroja

El análisis de IR permitió (para los cuales se siguió los métodos y técnicas descritos en la sección 3.3.3) identificar los picos y las bandas de transmitancia representativas para los diferentes grupos que componen la estructura del polímero. Los resultados de la espectrometría infrarroja mostraron que el ácido poli láctico obtenido por la fermentación del mango mantienen presentes los picos y característicos. (Ver figura 4.6)

Figura 4.6 Espectro IR del ácido poli láctico obtenido por fermentación del mango

El espectro IR del ácido poli láctico obtenido de la fermentación del mango se muestra en la Figura 4.6, los grupos funcionales más importantes a identificar en la estructura es el grupo carbonilo (C=O) en 1751 cm-1, la señal fuerte del metilo (CH3) en 1449cm-1 y 2910cm-1, finalmente otra señal del enlace C-O del grupo carboxilo en 1046cm-1 y 1235 cm-1 respectivamente. Al observar el espectro obtenido y compararlo con otros trabajos de investigación se confirma cualitativamente que hay presencia de ácido poli láctico ya que se reflejan claramente los grupos funcionales correspondientes a éste.

En virtud de que el polímero obtenido a través de la fermentación del mango concuerda con las características esperadas y señaladas por varios autores, como la presencia de los grupos funcionales presentes en su estructura molecular, lo que nos indica que cumple con todos los parámetros que hacen

65

evidenciar la existencia del ácido poli láctico lo que hace resaltar que es óptimo para la realización de futuras aplicaciones.

4.5.-Verificar la biodegradabilidad de la mezcla en estudio.

Tabla 4.10 Valores de pH obtenidos durante la degradación del polímero en los diferentes medios utilizados. Día

Medio ácido

Medio neutro

Medio básico

0

4,00

7,00

10,00

1

3,38

5,37

8,81

2

3,20

4,64

7,61

3

2,85

4,09

6,54

4

2,27

3,44

5,71

En la Tabla 4.9 se muestran los valores de pH obtenidos durante la degradación del polímero en los diferentes medios utilizados. En ella, se observa que en todos los medios utilizados se produce una disminución del pH del sistema al paso de los días.

En cuanto a la variación del pH del medio buffer ácido (ver tabla 4.9), a cortos tiempos de hidrólisis es más evidente no apreciar cambios en el pH significativos ya que posiblemente se estén atacando predominantemente a las zonas amorfas y las cadenas fragmentadas aún no son lo suficientemente pequeñas para difundir al medio o puede que difundan en una cantidad despreciable que fácilmente pueda ser neutralizada por las especies conjugadas del buffer presentes en el medio. Por lo que se puede inferir que el buffer posee una excelente capacidad amortiguante. Además, en investigaciones ya realizadas por Figueira, 2008 sobre el tema de hidrólisis al PLA, concluyen que éste presenta una baja degradabilidad en medios a pH ácidos y básicos moderados y neutros.

Se pudo apreciar que los cambios del pH que ocurren con el agua destilada como medio hidrolítico (Ver tabla 4.9), ya que ésta es la solución control, por lo que la variación del pH no es controlada por dicha solución como ocurre en las soluciones buffer, sino por una competencia entre las especies ácidas y básicas liberadas al medio como consecuencia del proceso hidrolítico. Es decir, si predomina la escisión o solubilización de cadenas en la matriz de PLA, se liberaran grupos carbonilos de naturaleza ácida, disminuyéndose el pH.

66

Al observarse los cambios de pH del medio básico fuerte (pH10), se obtuvo alta variación (Ver tabla 4.9), a pesar de que se está atacando apreciablemente a la matriz del PLA, debido a la concentración adicional de iones –OH que existen en el medio y que catalizan el ataque a los enlaces inestables, produciéndose especies de naturaleza ácida que son liberadas de forma más brusca al medio y que están siendo neutralizadas perfectamente por efecto del buffer. En este medio alcalino está predominando el ataque a la matriz de PLA por la alta electrofilicidad que poseen los átomos de carbono de los grupos carbonilos en sus cadenas, como se ha mencionado en los estudios realizados por Shu et al, (2001) de su hidrólisis.

Finalmente se puede concluir que durante el proceso de hidrólisis ocurre una disminución del peso molecular de las cadenas en función del tiempo de degradación, producto de las escisiones de cadena al azar características de este proceso, esto ocurre como consecuencia del ataque del agua o los iones ácidos o básicos a los enlaces éster de las cadenas. Este proceso es controlado por varios parámetros; la constante de velocidad, la cantidad de agua absorbida, el coeficiente de difusión de los fragmentos de cadenas dentro del polímero y la solubilidad de los productos de degradación. Otros parámetros que influyen en la hidrólisis son la temperatura y pH de la solución.

Se ha demostrado en estudios previos por Fischer et al, (1973) que la degradación hidrolítica del PLA procede en dos etapas:

Durante la primera etapa, el agua se difunde dentro de las zonas amorfas resultando una escisión hidrolítica aleatoria de los enlaces éster en las cadenas. El grado de cristalinidad puede incluso incrementar con el avance de la degradación

La segunda etapa comienza después de la degradación de la mayor parte de la zona amorfa. El ataque hidrolítico procede desde el borde hacia el centro de los dominios cristalinos. Si la degradación se lleva a cabo en medio alcalino, los grupos OH juegan un papel importante en la hidrólisis, si estos grupos se bloquearan, una degradación no significante es lo que se observaría.

En virtud a lo anterior expuesto se puede concluir que las cadenas del PLA son más fácilmente degradables en soluciones ácidas y básicas fuertes, sin embargo la degradación hidrolítica es más significante en condiciones básicas, esto es debido a que asocian este comportamiento a la predominancia de la electrofilicidad de los átomos de C en medio básico, en relación a la nucleofilicidad de los átomos de O del carbonilo en medio ácido.

4.6.- Análisis costo-beneficio con el fin de determinar si es posible o no la propuesta.

67

Tabla 4.11. Aspectos considerados para estimar la relación costos/beneficios.

Capital fijo

Capital de trabajo

Aspectos Equipos principales e infraestructura. Activos tangibles ($/año) Activos intangibles Trámites legales. ($/año) Materia prima y servicios industriales. Costos variables ($/año) Mano de obra, mantenimiento, gastos administrativos y ensayos de Costos fijos caracterización y control. ($/año)

Valor 7.960,01 7.114,69

78.195,65

Costos de inversión Total

93.270,34

Beneficios Venta del producto ($/año) Relación costo/beneficio

162.500,00 0,57

En la Tabla 4.10 se muestran los aspectos analizados para la estimación de la relación costos/beneficios

Cabe resaltar, que el capital fijo fue definido por los activos tangibles que integran todos los equipos que se utilizaran para la producción del ácido poliláctico, así como, el acondicionamiento del área destinada a la actividad; y por los activos intangibles que constituyen: los trámites legales y aspectos relacionados con la formulación del proyecto. El capital fijo fue estimado en 7.960,01 dólares al año (Ver ApéndiceC).

En cuanto al capital de trabajo, este fue definido por los costos variables y los costos fijos. Los costos variables vienen dado por la materia prima y los servicios industriales, tales como: mango, yogurt, agar, carbonato de calcio, hidróxido de sodio, cloruro de estaño, entre otros, ensayos de caracterización y control del producto. Estos costos fueron estimados en 7.114,69 dólares al año. En tanto, que los costos fijos constituidos por: la mano de obra, mantenimiento, gastos administrativos, entre otros fueron estimados en 78.195,65 dólares al año. (Ver Apéndice C).

En este sentido, se determinó un costo de inversión total de 93.270,34 dólares al año. Este costo viene dado por la sumatoria del capital fijo y el capital de trabajo, tal como lo establece Giugni et al. (2013).

Ahora bien, los beneficios fueron estimaron en 162.500,00 dólares al año. Para esto, se consideró los ingresos aproximados por la venta del producto, estableciendo un precio de venta del producto en 50$ por kilogramos. Comparando los costos con un ácido poliláctico comercial, con un valor comercial de 35$ por libra, se observa que están muy por debajo de los costos asociados a la 68

investigación. Sin embargo, a pesar de las diferencias de costo, hay que considerar que la investigación a nivel de laboratorio puede llevar a valores más elevados, ya que los materiales necesarios en el proceso se consiguen al detal incrementando su costo, a diferencia de un producto a nivel industrial donde la producción es a nivel macro, obteniendo mayor cantidad de materia prima a bajos costos.

En referencia a la relación costo beneficio, se estimó un valor de 0,57 (Ver Apéndice C). Con este resultado se puede señalar que la preparación de este polímero biodegradable genera mayores beneficios que costos de inversión, por lo que se maximiza el valor agregado a los consumidores, tal como lo expone Pérez (2007). Además, se establece que la obtención del ácido poliláctico a escala de laboratorio es factible y rentable económicamente, por lo que puede ser empleado en el sector productor sin ningún tipo de inconveniente; ya que presenta características similares a los diferentes polímeros biodegradables comerciales que se encuentran en el mercado.

En virtud de lo expuesto anteriormente se considera que la producción de ácido poliláctico a escala de laboratorio es factible y rentable económicamente. Además, de favorable para el ambiente, ya que el producto aporta al desarrollo de procesos de menor contaminación y conlleva al desarrollo de nuevas tecnologías para la producción industrial.

69

CONCLUSIONES 1. La especie de mango seleccionada para la realización del proceso de fermentación en la obtención de ácido láctico es la variedad Bocado. 2. El mango Bocado presentó pH de 5,53 Adim, humedad de 80,95%, 15,06 °Brix y contenido de ceniza de 0,35 %. 3. Los microorganismos que mejor se adaptan al proceso de fermentación en estudio son Lactobacillus bulgaricus y Bacillus thermophilic. 4. Se logra identificar las características físicas correspondientes de los microorganismos presentes en el yogurt. 5. El ácido láctico producido en la etapa de fermentación, se obtuvo con una concentración del 61,25g/L. 6. Se obtuvo un rendimiento de 65,97%. 7. El índice de refracción del ácido láctico producido a través del mango fue de 1,419. 8. La densidad del ácido láctico obtenido fue de 1099,33 Kg/m3. 9. La viscosidad del ácido láctico producido fue de 1,868x10-4 Kg/m.s. 10. El método de polimerización más adecuado fue la policondensación directa. 11. En el proceso de polimerización se obtuvieron 15 gramos de PLA. 12. El polímero obtuvo una concentración final de 61,25 g/L luego de la pre-concentración. 13. A lo largo del tiempo de degradación, se obtuvieron variaciones apreciables del pH en los medios hidrolíticos preparados a partir de las soluciones amortiguadoras, demostrando que el medio básico es el mejor indicador a la degradabilidad del PLA en cuanto a la hidrolisis. 14. La relación de costo-beneficio obtenida fue de 0,57 arrojando que es un proceso rentable a las condiciones presentadas.

70

RECOMENDACIONES 1.1 Para fines de trabajo posteriores, cerciorarse que la materia prima a emplear se encuentre en su punto óptimo de maduración. 2.1 Evaluar la concentración de azucares fermentables de la materia prima de manera más específica usando otro método para determinar su rendimiento en la obtención del ácido láctico. 3.1 Por otro lado, una de las cosas más importantes a la hora de producir el ácido láctico es una buena purificación, es por esto q se deben aplicar los mejores métodos para extraer el ácido láctico del cardo fermentado, ya que de esto depende el grado de pureza que este tenga. 4.1 Por otro lado, una de las cosas más importantes a la hora de producir el ácido láctico es una buena purificación, es por esto q se deben aplicar los mejores métodos para extraer el ácido láctico del cardo fermentado, ya que de esto depende el grado de pureza que este tenga. 5.1 Realizar la polimerización directa con un sistema de vacío lo que garantiza que la reacción se lleve a cabo de forma reversible para la producción del ácido poli láctico. 6.1 Se debe estudiar más a fondo los tipos de catalizadores involucrados en la policondensación para así acelerar la reacción, y optimizar el tiempo. 7.1 Utilizar soluciones amortiguadas que no neutralicen a la solución esto puede tener un efecto apreciable a largos tiempos de hidrólisis. 8.1 Realizar más pruebas que identifiquen la pérdida de peso molecular. Realizar un estudio de factibilidad económica del proceso para la obtención del ácido poliláctico

71

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APÉNDICE A. DATOS RECOLECTADOS PARA LA OBTENCIÓN DE PLA Tabla A.1 Variedades de mango (Mangifera indica L.) Especies

ºBrix

18,02 Bocado 18,41 Hilacha 17.20 Pico de loro 21,17 Manga Fuente: Lozano, Jairo. 2009.

pH

Pulpa %

Peso (g)

Zafra

4,47 4,49 4,09 3,97

64 73 71,12 65,59

155 180 - 250 185 231,85

Inicios de Enero Enero - Febrero Noviembre - Diciembre Noviembre - Diciembre

Tabla A.2 Método de Moddy para obtener el porcentaje de los parámetros a evaluar en la matriz de selección para la especie del mango Parámetro

°Brix

pH

Pulpa

Peso

Zafra

ΣPi

%

°Brix

0,5

1

0

1

1

3,5

24,14

pH

1

0,5

1

0

0

2,5

17,24

Pulpa

0

0

0,5

0

1

1,5

10,35

Peso

1

1

0

0,5

0

2.5

17,24

Zafra

1

1

1

1

0,5

4,5

31,03

ΣPT

14,5

100

Tabla A.3 Variables involucradas en la determinación del contenido de ceniza del mango Bocado Masa del crisol

Masa del crisol con

Masa del crisol

vacío

la Muestra

con la ceniza

(m±0,0001)g

(m±0,0001)g

(Adim)

1

28,5951

32,6252

28,6104

0,3746

2

29,8550

33,8334

29,8685

0,3393

3

30,0802

34,2445

30,0968

0,3986

4

53,6032

57,6291

53,6142

0,2732

N°

80

% Ceniza

Tabla A.4 Variables involucradas en la determinación del pH del mango Bocado Masa de la Muestra

pH

(m±0,0001)g

(Adim)

1

10,2

5,59

2

10,4

5,52

3

10,8

5,47

N°

Tabla A.5 Variables involucradas en la determinación de °Brix del mango Bocado °Brix

N°

(Adim)

1

14,50

2

15,86

3

15,32

Tabla A.6 Variables involucradas en la determinación de humedad del mango Bocado Masa de la muestra inicial

N°

% Humedad

(m±0,0001)g

1

3,0771

80,8326

2

3,2758

80,1788

3

3,8681

80,8510

Tabla A.7 Características de géneros comunes de bacterias que producen ácido láctico Condiciones Bacteria

Temp

p H

Tiempo

Weje

Rendimie

de

nto

ferment

us casei

37

5,7

150

1

us

34-40

45

ón

rpm

0,526 gl-

Extracto 24 h

si

13,93 g l-1 -1

h

de

64 g l-1

levadura

1h-1 Lactobacill

Producci

Autor

ación 0,834 g g-

Lactobacill

Sustrato

24 h

81

Lactosa

60 g l-1

Mi-Young, et al., 2003.

López y Lugo, 2013

bulgaricus Rhizopus oryzae

30

5,7

NRRL 395 Lactobacill us lactis

37

6,8

150 rpm

si

----

10,6 g l-1 h-1

24 h

Glucosa

24-58 g l-

Bulut et al.,

1

2004 Ohashiet al.,

240 h

Melaza

40 g l-1

--

Lactosa

100 g l-1

36 h

Lactosa

41g l-1

1999

Lactobacill us herveticusA

42

150

2,17 g l-1

rpm

h-1

5-

150

1,05 gl-

6

rpm

1h-1

5-

150

0,56 –

6,8

rpm

0,86 g g-1

5,5

TCC

Tango y Ghaly, 2002

15009 Lactobacill us plantarum

37

ATCC

Fu et al., 1999

21028 Lactobacill us

42

rhamnosus Rhizopus oryzae ATCC

35

3,5

200

-6

rpm

52311

56 h

Glucosa

110,9 45,9 g l-1

--

Glucosa

60 g l-1

h-1

60

6,5

--

0,8 g g-1

335 h

Glucosa

--

Cebada

55 g l-1

c

Rky1

y Vázquez,

Danner et al., 2002

0,92- 0,94

Enterococc us faecalis

1997

1999

Bacillus thermophili

et al,

Domínguez

0,66 g g-1 1,13 g l-1

Gonçcalves

38

7,0

200

g g-1

rpm

0,88 – 3,8 g l-1 h-1

82

103,1 g l-

Hurok et al.,

1

2005

Tabla A.8 Método de Moddy para obtener el porcentaje de los parámetros a evaluar en la matriz de parámetros importantes para la selección del microorganismo

Parámetro

Temperatu ra pH Trabajo de eje

Temperat ura

pH

Trabajo de eje

Tiempo de fermentaci ón

Produc

Disponibili

ción

dad

ΣPi

%

0,5

1

1

1

1

1

5,5

28,95

1

0,5

0

1

0

1

3,5

18,42

0

1

0,5

1

0

0

2,5

13,16

1

1

0

0,5

1

0

3,5

18,42

0

0

0

1

0,5

1

2,5

13,16

0

0

0

0

1

0,5

1,5

7,89

ΣPT

19

100

Tiempo de fermentació n Producción Disponibili dad

Tabla A.9. Requerimientos de nutrientes de los microorganismos y formas comunes de satisfacerlos en cultivos. Nutriente

Forma química suministrada al medio de cultivo Orgánico: Medios definidos: glucosa, acetato, piruvato, malato, cientos de otros compuestos.

Carbono

Medios complejos: extracto de levadura, extracto de carne de res, peptona; muchos otros extractos. Inorgánico: CO2, HCO3.

Nitrógeno

Orgánico: Aminoácidos, bases nitrogenadas

Fósforo

KH2PO4, Na2HPO4

Azufre

Na2SO4, H2S

83

Potasio

KCl, K2HPO4

Magnesio

MgCl2, MgSO4

Sodio

NaCl

Hierro

FeCl3, Fe(NH4)(SO4)2, quelatos de hierro

Micronutrientes

COCl2, ZnCl2, CuCl2, MnSO4, Na2SeO4

Fuente: Orozco M. María P. y Solarte Juan A. (2003)

Tabla A.10. Comparación de los nutrientes para diferentes medios de cultivos Autores

Cantidad de cultivo

Bulutet al., 2004

Contiene (g/L): glucosa 25-250, sacarosa 5-100, melaza 75-400, (NH4)2SO4 2, KH2PO4 0,65; MgSO4 0,25.

Xuedonget al., 2005

Contiene (g/L): glucosa 100, (NH4)2SO4 3, KH2PO4 0,10-0,60; MgSO4 0,25; ZnSO4 0,04

Xuefenget al. 2010

Contiene (g/L): glucosa 120, (NH4)2SO4 4, KH2PO4 0,45; MgSO4 0,25; ZnSO4 0,44; CaCO3 60

H. Ronald et al.,

Contiene (g/L): glucosa 30; (NH4)2SO4 1,25; KH2PO4 0,6 ; MgSO4·7H2O

2006

0,25; ZnSO4·7H2O 0,04 ; Na2HPO4·2H2O 5,37 y NaH2PO4·H2O 9,64

Hong-WeiYen et al.,

Contiene (g/L): 60 de almidón de papa; 2 NH4NO3; 0,25 MgSO4.7H2O; 0,25

2010

ZnSO4.7H2O; 0,3 K2HPO4 y 0,3 g KH2PO4

E. Efremenkoet al.,

Contiene (g/L): glucosa 120; (NH4)2SO4 3,0; MgSO4.7H2O 0,3; ZnSO4.7H2O 0,05; KH2PO4 0,2 (pH 6.0).

2006 Bo Jinet al., 2005

Contiene (g/L): Almidón 10; pectona 5,0; extracto de levadura 5,0; KH2PO4 0,2; and MgSO4.7H2O 0,2.

Tabla A.11. Porcentajes de producción de ácido láctico de diferentes autores Autor Medina et al, 2014 Araya et al, 2010

Microorganismo Lactobacillus Bulgaricus Lactobacillus casei

84

Sustrato

Rendimiento

Harina de Cují

13,9 %

Piña

84,0%

Quintero et al, (2012)

Lactobacillus brevis

Jarabe de yuca

24,4%

Glucosa

90,21%

Desechos vegetales

80%

Lactobacillus Orozco y Solarte

delbrueckii((NRRL B--

(2003)

763)) ((2003)

Hernández y Veitia

Rhizopus oryzae

(2015)

Tabla A.12 Variables involucradas en el proceso de fermentación Bacteria

Lactobacillus Bulgaricus T

°

(°C)

Brix

6,00

30

24

5,06

48 72

Hora

pH

0

Bacillus thermophilic T

°

Lactobacillus Bulgaricus Bacillus thermophilic

pH

10,4

0

6,00

32

10,2

0

6,00

31

10,4

0

29

10,4

1,5

5,01

30

9,8

1,5

5,00

30

10,2

1,7

4,56

31

10

4,5

4,48

29

9,2

3,8

4,29

32

9,0

4,8

4,01

33

9,4

6,3

4,00

31

9,0

5,8

3,89

30

8,9

7,0

(°C) Brix

VNAOH pH

T

VNAOH

(°C)

°Brix VNAOH

Tabla A.13.Parámetros de interés involucrados en el proceso de fermentación del mango bocado. pH

Temperatura

°Brix

VNaOH

% Ácido

(Adim)

(°C)

(Adim)

(mL)

Láctico

0

5,8

33

10,5

0

0

24

5,0

33

9,6

1,2

10,81

48

4,1

30

8,1

3,9

35,13

72

2,9

31

7,9

6,2

55,85

Hora

85

Tabla A.14 Variables involucradas para la determinación de la densidad de ácido láctico. Sustancia

Masa del

Masa del

Volumen del

picnómetro lleno

picnómetro vacio

picnómetro

(m ± 0,01)g

(m ± 0,01)g

(V ± 0,01)mL

23,00

25,00

1

51,00

2

50,00

3

50,00

Tabla A.15 variables involucradas para la determinación de la viscosidad de ácido láctico.

Sustancia

Tiempo

Temperatura de la sustancia

(t±0,01)s

(T±1)°C

10,63 9,79

Agua destilada

26

9,70 19,52 19,57

Ácido láctico

26

19,77

Tabla A.16.Métodos de polimerización para la producción de ácido poliláctico (PLA) N°

1

Método

Policondensación Directa

Presión

22psi

Temperatura

Tiempo

Reactivos

Oligomerización

Oligomerización

150ºC

4 horas

Ácido láctico

Polimerización

Polimerización

catalizador

170ºC

4 horas Ácido láctico

2

Policondensación Azeotrópica

Vacío

130°C

(30-40) horas

Ring 3

OpeningPolimerization

Atmosfera

(ROP) o Apertura del

inerte o Vacío

catalizadores y solventes

Ácido láctico (180-210)°C

(12-20) horas

catalizadores y solventes

Anillo

86

Tabla A.17 Método de Moddy para obtener el porcentaje de los parámetros a evaluar en la matriz de parámetros importantes para la selección de la polimerización Parámetro

Presión

Temperatura

Tiempo

Reactivos

ΣPi

%

Presión

0,5

1

1

1

3,5

43,75

Temperatura

1

0,5

0

1

2,5

31,25

Tiempo

0

0

0,5

0

0,5

6,25

Reactivos

0

1

0

0,5

1,5

18,75

ΣPT

8

100

Tabla A.18 Comportamiento del pH de los diferentes medios a lo largo de la degradación. Día

Medio ácido

Medio neutro

Medio básico

0

4,00

7,00

10,00

1

3,55

6,82

9,64

2

2,96

5,46

8,38

3

2,65

4,90

7,05

4

2,45

4,37

6,21

Tabla A.19Valores de pH de los diferentes medios a lo largo de la degradación. Día

Medio ácido

Medio neutro

Medio básico

0

4,00

7,00

10,00

1

3,30

6,58

9,28

2

3,12

5,87

8,04

3

2,80

4,86

7,18

4

2,34

3,87

6,04

87

APÉNDICE B. CALCULOS TIPICOS CARACTERIZACIÓN DEL MANGO BOCADO.

1. Determinación del contenido de ceniza.

Se realizó siguiendo la norma COVENIN 1783-81:

C=

M2 − M0 x 100% M1 − M0

Para el Crisol N°1: M0= 28,5951 M1= 32,6252 M2= 28,6104

Sustituyendo en la ecuación anterior los valores correspondientes para el contenido de ceniza, se tiene:

C1 =

28,6104 − 28,5951 x 100 32,6252 − 28,5951 C1 = 0,3746%

De la misma manera se realizó el cálculo 3 veces más del contenido de ceniza para el mango bocado y los resultados obtenidos se encuentran reportados en la tabla 4.4.

C=

0,3746 + 0,3393 + 0,3986 + 0,2732 4 C = 0,34642%

Aplicando el método de las derivadas parciales en la ecuación anterior para la estimación del error, se tiene:

∆C = |

∂C ∂C ∂C | xΔM2 + | | xΔM0 + | | xΔM1 ∂M2 ∂M0 ∂M1 ΔC = 0,06%

Contenido de ceniza = 0,35 ± 0,06%

88

2. Determinación del pH.

Se determinó mediante el procedimiento indicado en la norma COVENIN 1315-79:

A una temperatura de 25,0 °C se tomó la lectura del pH del mango Bocado pH1 = 5,59

De la misma manera se realizó la lectura 2 veces más del pH para el mango bocado y los resultados obtenidos se encuentran reportados en la tabla 4.5.

pH =

5,59 + 5,52 + 5,47 3 pH = 5,5266

3. Determinación de °Brix.

Se determinó usando la norma COVENIN 924-83:

A una temperatura de 25,5 °C se tomó la lectura de los ° Brix del mango Bocado °Brix1 = 14,50

De la misma manera se realizó la lectura 2 veces más de los °Brix para el mango bocado y los resultados obtenidos se encuentran reportados en la tabla 4.6.

°Brix =

14,50 + 15,36 + 15,32 3 °Brix = 15,06

4. Determinación de la humedad.

Se determinó según el procesamiento estandarizado de la norma AOAC 14.004 Se peso en la charola de aluminio 3.0771g para luego determinar el % de humedad por medio de la balanza ohaus.

89

De la misma manera se realizó el cálculo 2 veces más del porcentaje de Humedad para el mango bocado y los resultados obtenidos se encuentran reportados en la tabla 4.7. 80,83 + 80,17 + 80,85 3

H=

H = 80,62%

5. Determinación del rendimiento Para calcular el rendimiento de cada muestra, se utilizó la siguiente ecuación: % R= C

Cfp

is −Cfp

× 100

Fuente: Figueredo y Hernández (2012)

Dónde: %R: rendimiento (%) Cfp: concentración final del producto (g/L) Cis: concentración inicial del sustrato (g/L) Cfs: concentración final del sustrato (g/L) Sustituyendo los valores correspondientes en la ecuación anterior, se tiene: 6,7g/L

% R= 10,512g/L−0,356g/L × 100 % R=65,9708

CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DEL ÁCIDO LÁCTICO PRODUCIDO

1. Determinación de la densidad del ácido láctico obtenido

ρ=

Mpll − Mpv Vp

Fuente: COVENIN 1116-77

Dónde: ρ: densidad del ácido láctico (kg/m3) Mpll: masa del picnómetro lleno (kg) Mpv: masa del picnómetro vacío (kg) Vp: volumen del picnómetro (m3) 90

Sustituyendo los valores correspondientes para la muestra de ácido láctico obtenido en la ecuación anterior, se tiene

ρ=

0,051Kg − 0,023Kg 2,5x10−5 m3 ρ =1120 Kg/m3

De la misma manera se realizó el cálculo 2 veces más y los resultados obtenidos se encuentran reportados en el apéndice A tabla a.8

ρ=

1120 + 1080 + 1080 3 ρ = 1093.3333

Aplicando el método de las derivadas parciales en la ecuación anterior para la estimación del error, se tiene: ∂ρ ∂ρ ∂ρ ∆ρ = | | xΔMpll + | | xΔMpv + | | xΔVp ∂Mpll ∂Mpv ∂Vp

Sustituyendo tenemos que: ∆ρ = 4,48

Kg/𝑚3

Finalmente se tiene que: ρ = ( 1093 ± 5 )Kg/m3

2. Determinación de la viscosidad del ácido láctico producido

μ=

t m xρm xμagua t agua xρagua

Fuente: Perry Greenn (2001)

91

Dónde: μ: viscosidad del ácido láctico (kg/m.s) tm: tiempo de la muestra de ácido láctico (s) ρm: densidad de la muestra de ácido láctico (kg/m3) μagua: viscosidad del agua (kg/m.s) tagua: tiempo del agua (s) ρagua: densidad del agua (kg/m3)

Sustituyendo los valores correspondientes para la muestra de ácido láctico obtenido en la ecuación anterior, se tiene:

μ=

33Kg 8,71x10−4 Kg/m. s m3 x 10,04s x 996 Kg/m3

19,62s x 1093,

μ = 0,001868 Kg/m. s Aplicando el método de las derivadas parciales en la ecuación anterior para la estimación del error, se tiene:

∆μ = |

∂μ ∂μ ∂μ ∂μ ∂μ | xΔρm + | | xΔt agua + | | xΔMt m + | | xΔμagua + | | xΔρagua ∂t m ∂ρm ∂μagua ∂t agua ∂ρagua

Sustituyendo tenemos que: ∆𝜇 = 0,000231 Kg/𝑚. 𝑠

Finalmente se tiene que: μ = ( 0,0018 ± 0,0002 )Kg/𝑚. 𝑠

3. Acidez titulable

Para calcular el porcentaje de acidez de la muestra, se utilizó la siguiente ecuación:

% acidez =

VNaOH xNNaOH xmeqácido x100 Vmuestra

Fuente: Ospina (2010)

92

Dónde: % acidez: porcentaje de acidez (%) VNaOH: volumen gastado de hidróxido de sodio (mL) NNaOH: concentración del hidróxido de sodio (N) meqácido: miliequivalentes del ácido láctico (meq) Vmuestra: volumen de muestra a titular (mL)

Sustituyendo los valores correspondientes para la muestra de ácido láctico obtenido en la ecuación anterior, se tiene que:

% acidez =

14,2mLx 1Nx0,09meqx100 100mL % acidez = 1,278 %

Aplicando el método de las derivadas parciales en la ecuación anterior para la estimación del error, se tiene:

∆%acidez = |

∂%acidez ∂%acidez | xΔNNaOH + | | xΔVmuestra ∂NNaOH ∂Vmuestra

Sustituyendo tenemos que: ∆%acidez = 0,0242 %

Finalmente se tiene que: % acidez = ( 1,28 ± 0,02 )%

4. Concentración del ácido láctico obtenido por fermentación

Para calcular la concentración del ácido láctico obtenido por fermentación, se utilizó la siguiente ecuación:

Cmuestra =

CNaOH xVNaOH xPM Vmuestra

Fuente; Skoog (2001)

93

Dónde: Cmuestra: Concentración de la muestra (g/L) CNaOH: Concentración del hidróxido de sodio (mol/L) Vmuestra: Volumen de la muestra a titular (mL) VNaOH: Volumen gastado de hidróxido de sodio (mL) PM: Peso molecular del ácido láctico (g/mol)

Sustituyendo los valores correspondientes para la muestra de ácido láctico obtenido en la ecuación anterior, se tiene que:

Cmuestra =

1mL/Lx6,8mLx90,08g/mol 10mL Cmuestra = 61,2544 g/L

Aplicando el método de las derivadas parciales en la ecuación anterior para la estimación del error, se tiene:

∆Cmuestra = |

∂Cmuestra ∂Cmuestra | xΔVNaOH + | | xΔVmuestra ∂VNaOH ∂Vmuestra

Sustituyendo tenemos que: ∆Cmuestra = 4 g/L Finalmente se tiene que: Cmuestra = ( 61 ± 4 )g/L

CÁLCULOS PARA EL ANÁLISIS DEL COSTO/BENEFICIO DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE ÁCIDO POLILÁCTICO.

El proceso de obtención de ácido poliláctico fue desarrollado en el laboratorio de Polímeros perteneciente al área del centro de investigaciones químicas (CIQ). Para realizar el estudio costobeneficio fue necesario la implementación de un modelo de evaluación económica para estimar los costos de inversión y beneficios involucrados por año, como lo indica Giugni et al. (2013), para una proyección de 5 años. Para la estimación se tomó como base una producción de 3.250 gramos/año 94

de ácido poliláctico. Giugni et al. (2013) establece, que en el proceso de producción los costos se definen en capital fijo y de trabajo, en donde su sumatoria representan el egreso para obtener el producto final.

Capital fijo El capital fijo representa los activos necesarios que se utilizaron para que el proceso se estructurara, tales como los tangibles, por los equipos e infraestructura, y los intangibles.

En cuanto a los equipos esenciales utilizados para el proceso de obtención diario, estos costos unitarios se encuentran en el apéndice B. Los costos obtenidos fueron los siguientes: n

Ce = ∑ N. Ci i=1

Dónde: Ce: Costo correspondiente a los equipos ($) N: Cantidad por equipo C: Costo unitario por equipo ($)

Ce = 17.709 $ Los costos referente a la infraestructura (Cif) por el acondicionamiento del laboratorio, en cuanto a la zona del proceso de producción, zona de recepción y dosificación de la materia prima y almacenaje del producto, se estimó en función del 25% de los costos involucrados de los equipos, por tal: Cif = 0,25. Ce Cif = 4.427,15 $ Los activos intangibles están definidos por los trámites legales y aspectos relacionados con la formulación del proyecto, los costos (Cint) se establecieron en función del 30% de los costos involucrados de los equipos, por ende: Cint= 0,30. Ce = 0,30. 27.000.000 Bs = 8.100.000,00 Bs Cint = 0,30. Ce Cint = 5.312,57$ 95

Ahora bien, los costos que representan al capital fijo (Cfijo) son: Cfijo = Ce + Cif + Cint

Sustituyendo los valores correspondientes, se tiene: Cfijo = 17.709$ + 4.427,15$ + 5.312,57$ Cfijo = 27.448$

Si la tasa de interés anual se establece en 15% del capital fijo en una proyección de 5 años, se estima el equivalente anual por medio de la siguiente ecuación anterior:

R = Cfijo .

i. 1 + in 1 + in − 1

Dónde: R: Equivalente anual del capital fijo (Bs) i: Tasa de interés anual n: Años de proyección del proyecto Sustituyendo los datos correspondientes, se obtiene:

R = 27.448$.

0,15.1 + 0,155 1 + 0,155 − 1

R = 7960,01$

Capital de trabajo Es el capital involucrado en las operaciones del proceso de producción, depende de las características de la actividad productiva. Está constituido por los costos variables y fijos por año. Los costos variables (Ccv) los integran la materia prima y los servicios industriales (agua y energía eléctrica).

Los costos de la materia prima (CMP) se calculan en función de una producción de 13 g/día de 96

ácido poliláctico y se muestran en el apéndice B. CMP = 6186,68$/año Los costos de los servicios industriales (CSi) se establecieron en función del 15% de los costos asociados de la materia prima, por ende: Csi = 0,15. CMP Csi = 0,15. 6.186,68$/año Csi = 928,00$/año

Los costos variables totales en el primer año, fue: Ccv = CMP + Csi Ccv = 6.186,68$/año + 928,00$/año Ccv = 7.114,69$/año Los costos fijos (Ccf) los integra la mano de obra, responsable del desarrollo de las tareas y actividades del proceso; mantenimiento, gastos administrativos y ensayos de caracterización y control del producto.

Los costos de la mano de obra (Cmo) se establecieron con los 3 responsables en el proceso de producción; como los fueron, un técnico de laboratorio, dos ingeniero químico. En el capítulo IV se encuentra el tabulador del salario mensual. Los costos se determinan en la siguiente Tabla C.1.:

Tabla C. 1. Costos asociados a la mano de obra empleada en el proceso de obtención de ácido poliláctico Desembolso por Desembolso por Personal N° de persona Pago mensual (Bs) año (Bs/año) año ($/año) Técnico

1

111084,51

1333014,12

1965,874259

Ingeniero

2

399157,66

4789891,92

7063,935099

Total

6122906,04

9029,81

Cmo = 9029,81$/año Los costos asociados al mantenimiento (Cm) se establecieron en función del 5% de los 97

costos total de los equipos, por tal: Cm = 0,05. Ce Cm = 0,05 . 17709$/año Cm = 885,43$/año

Los costos administrativos (Ca) se determinaron en función del 100% de los costos asociados a la mano de obra más el 20% de los costos asociados a los activos intangibles, por ende: Ca = Cmo + 0,20. Cint Ca = 9029,81$/año + 0,20 . 5312,57$/año Ca = 10092,32$/año Los costos asociados a los ensayos de caracterización y control del producto (C ens), son realizados para analizar la materia prima para la producción, evaluación del producto final y control intermediario del proceso, necesario para la fase de reducción. Estos costos se representan en la siguiente Tabla C.2.:

Tabla C. 2. Costos relacionados con los ensayos realizados en el proceso

Descripción

Costo (Bs/mes)

Costo (Bs/año)

Costo ($/año)

Caracterización de la materia prima

325.000,00

3900000

5751,559189

Análisis de control intermediario del proceso

1.300.000,00

15600000

23006,23675

Caracterización del producto final

1.663.000,00

19956000

29430,28594

Total

3.288.000,00

39456000

58188,08

𝐂𝐞𝐧𝐬 = 𝟓𝟖𝟏𝟖𝟖, 𝟎𝟖 $/𝐚ñ𝐨 Los costos fijos totales en el primer año, fue: Ccf = Cmo + Cm + Ca + Cens

98

Ccf = 9029,81$/año + 885,43$/año + 10092,32$/año + 58188,08$/año Ccf = 78195,64$/año Ahora bien, los costos que representan al capital de trabajo (Ctrabajo) son: Ctrabajo = Ccv + Ccf

Sustituyendo los valores correspondientes al primer año, se tiene: Ctrabajo = 7114,69$/año + 78195,64$/año

Ctrabajo = 85310,33$/año

En tanto los costos de inversión total (Cinversión) para el primer año se valoran en: Cinversión = Ctrabajo + R Cinversión = 85310,33$/año + 7960,01$/año Cinversión = 93270,34$/año

Beneficios Los beneficios (B) son los resultantes de los ingresos generados por el retorno de la venta del producto. Se estableció un precio de venta (PV) del producto en 50 dólares por kilogramos. La producción se estimó en 13 g/día en 250 días de operación al año, abarcando una producción anual (PA) de 3,250 kilogramos.

Los ingresos por ventas resultantes para el primer año, fue: B = PV. PA B = 50$/Kg. 3,250Kg/año B = 162500$/año 99

Igualmente se sigue el mismo procedimiento anterior para realizar la proyección de los años restantes, tomando en cuenta una tasa inflacionaria del 25% por año.

Relación costos/beneficios La relación estimada de costo-beneficio para la obtención de ácido láctico, se determinó con el cociente de los costos asociados a la inversión del proceso de obtención y los beneficios que se derivan de la venta del producto al cabo de los 5 años de estimación del estudio. Para obtener estos valores al tiempo estimado, se utiliza la herramienta del valor actual de Excel tanto en el costo total de inversión como en los beneficios, resultando: Cinversión B 93270,34$/año = 162500$/año

RC/B = RC/B

RC/B = 0,57

10 0