Andrea López 24 de Noviembre del 2011

Presentación del tema: "Andrea López 24 de Noviembre del 2011"— Transcripción de la presentación:

1 Andrea López 24 de Noviembre del 2011
ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA VIDA INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA “Obtención de un biofertilizante a partir del residuo ultra fino de Spirulina platensis mediante degradación anaerobia en fase hidrolítica”. Andrea López 24 de Noviembre del 2011

2 Proceso productivo de la Spirulina
Cultivo Entre 20 – 30 °C pH: 9 – 10,5 Filtración Filtración primaria Filtración secundaria Secado Producto final Spirulina de primera Residuo ultra fino Parroquia rural Pintag Cantón Quito Provincia de Pichincha Ecuador

3 Formulación del problema
Retos a la agricultura - mayor número de alimentos. Incremento de la población mundial Métodos de fertilización, amigables con el medio ambiente. La fertilización química. Suelos con estructura debilitada. Muerte de organismos. Dependencia de las plantas a sustancias. Acumulación de minerales. Productos fertilizantes a base de sustancias naturales. Reyes, 2008

4 Métodos tradicionales Digestión anaerobia en fase hidrolítica
Justificación Biofertilizantes a base de aminoácidos. Biocatalizador en los procesos enzimáticos y nutricionales. Métodos tradicionales - Uso de enzimas - Acido concentrado - Métodos costosos - Incremento en el precio del producto Digestión anaerobia en fase hidrolítica - Método alternativo - Uso de microorganismos Reducción de costos en la producción

5 Objetivos Obtener un biofertilizante a partir del residuo ultra fino de Spirulina platensis. Emplear la digestión anaerobia en fase hidrolítica para la transformación de las proteínas de la Spirulina platensis en aminoácidos libres. Realizar pruebas con diferentes consorcios bacterianos, y establecer con cuál de estos se obtiene una mejor degradación de proteínas. Controlar parámetros de operación durante los ensayos preliminares. Diseñar y construir un biorreactor piloto, para la obtención del biofertilizante. Dimensionar el biorreactor a escala industrial para la producción del biofertilizante en la empresa Andesspirulina.

6 Marco Teórico Spirulina platensis
Cianobacteria planctónica , forma poblaciones masivas. Aguas tropicales y subtropicales – altos niveles de carbonatos y bicarbonatos Sintetiza sustancias nutritivas – almacena en su citoplasma Realiza procesos fotosintéticos. Ampliamente utilizada en la alimentación humana, de peces y ganado.

7 Estructura de la Spirulina platensis
Estructura filamentosa Compuesta por tricomas cilíndricos multicelulares Forma de una hélice abierta, El diámetro de la hélice varía entre 30 y 70 μm La temperatura y condiciones físicas y químicas, afectan la geometría de la hélice. López, 2011

8 Composición química de la Spirulina platensis
Ácidos grasos, lípidos en forma de pigmentos. Lípidos Del 0.8 – 1.5 % La clorofila a Pigmentos clorofílicos El n-C-17, en 64-84% Hidrocarbonos Altos niveles de provitamina A Altas concentraciones de vitamina B12 Vitaminas Altas concentraciones de hierro. Otros micro elementos Minerales Glucosa del 7 al 8 %. Galactosa , xilosa y liposacáridos en 1.5 % del peso seco. Carbohidratos

9 Proteínas 60 a 70 % del peso seco total.
El ácido glutámico en un 17.4% El ácido aspártico en un 12.2% La leucina en un 10.9 %, La valina en un 7.5% La isoleucina 6.8%. Almacenamiento de aminoácidos a bajas temperaturas Consumo de proteínas, en escases de N.

10 Ficobiliproteínas Pigmentos fotosintéticos mas importantes.
Complejos pigmentos-proteínas Las ficoeritrinas (FE). De color rojo o naranja Las ficocianinas (FC). De color azul. Las aloficocianinas (AFC). De color púrpura. Núcleo: apoproteína, a esta estructura se encuentran adheridos los cromatóforos. Suárez, 2009

11 Utilidades de la Spirulina
Alimentación y salud humana: Suplemento nutricional Fuente de proteína Fuente de minerales Cultivos Masivos La luz: factor fundamental. Alimentación de animales: Peces Ganado Temperatura: °C. pH : 9 a 11 Otros productos: Cosméticos Pigmentos aislados Biofertilizante a base de aminoácidos libres. Andesspirulina, 2010

12 Biofertilizante a base de aminoácidos
Síntesis de proteínas Efectos en: Aminoácidos libres La multiplicación celular Fertilidad de los pólenes y flor Metabolización y formación de clorofila y hormonas Vía foliar o al suelo. Anti estrés de suelos salinos u otros tipos de carencias o excesos de agua. Producto comercial: ALGAFERT

13 Digestión Anaerobia Estabilización de materiales orgánicos mediante su conversión a metano y otros productos como el dióxido de carbono.

14 Etapa hidrolítica de la digestión anaerobia
Psicrófilo ( de 4 a 15 °C) Mesófilo ( de 20 a 43 °C) Termófilo ( superior a 45°C) Velocidad de hidrólisis de moléculas complejas, es más lenta en condiciones de temperaturas psicrófilas

15 Mecanismos en la etapa hidrolítica
Microorganismos Secretan las enzimas al medio líquido, y estas se adsorben en las partículas Velocidad de hidrólisis Número de sitios de adsorción existentes en la superficie de la molécula. Se adhieren a las moléculas, y secretan enzimas en los alrededores de la misma Enzimas adjuntas que tienen la doble capacidad de actuar como transportadores-receptores En biorreactores Las partículas de sustratos son rápidamente colonizadas por microorganismos Enterobacteriaceae, Bacillus, Peptostreptococcus, Propionibacterium, Bacteroides, Micrococcus y Clostridium

16 Etapas del proyecto

17 Ensayos preliminares Inóculo de estiércol de vaca
500 gramos de estiércol de vaca seco diluidos en 1 litro de agua. Inóculo de bacterias ácidos lácticas 0.30 a 0.50 gramos de cultivo liofilizado .se disolvió en 150 ml. Concentraciones de entre 0.33 y 2 g/l. Inóculo de agua residual Concentración de Spirulina Concentración entre 1,25 y 60g/l.

18 Adaptaciones para agitación y calentamiento continuo.
Medición del pH Análisis de laboratorio Pruebas de laboratorio para determinación de concentraciones de los 17 aminoácidos. Análisis de datos López, 2011 López, 2011

19 Resultados Ensayos preliminares Primer Ensayo 1,25 g/l
Concentración muy baja Segundo ensayo T = 25 a 38 °C. Tercer ensayo T = 35 a 37 °C.

20 Hidrólisis de las ficobiliproteínas
Indicador visual Cambio de coloración, de verde a marrón. Hidrólisis de las ficobiliproteínas López, 2011.

21 Ensayos preliminares Cuarto ensayo T = 38 a 39 °C. Quinto ensayo T = 39 a 40°C.

22 Ensayos preliminares Sexto ensayo T = 40 a 41 °C. Séptimo ensayo T = 40 a 41 °C. Solo inóculo de agua residual

23 Resultados de ensayos preliminares
Disminución en el tiempo que se da el cambio de coloración Aumento de Temperatura López, 2011.

24 Biofertilizante producido mediante digestión anaerobia en fase hidrolítica
ALGAFERT, producido por Bioalgalmarine

25 Diseño del biorreactor piloto
Hélice marina Visimix Turbulent SV 2K7

26 Motor considerado RPM necesarias = 95 Mecanismo reductor de velocidad
Borraz, 2001. Sistema de transmisión compuesto Gonzales, 2003.

27 Primer sistema de poleas
Segundo sistema de poleas López, 2011.

28 Sistema de calentamiento considerado
Resistencia tipo alambre, recubierta por espagueti de fibra de vidrio. Conexiones: termoculpla, contactor y relé térmico. Construcción: en Resultados y discusión

29 Diseño del biorreactor piloto

30 Construcción del biorreactor piloto.
Ensamblaje de la estructura metálica Ensamblaje de las placas deflectoras Enrollado de la resistencia

31 Construcción del biorreactor piloto.
Ensamblaje del sistema de poleas Sistema de poleas en estructura metálica Conexiones Biorreactor finalizado.

32 Implementación y control de parámetros de funcionamiento
Carga Inicial - 60 g/l = 5,58 kg de Spirulina - 3 l de inóculo - pH inicial = 7,45 Operación y monitoreo - Revisión de temperatura - Medición de pH - Monitoreo diario del biorreactor Estabilización con cal Al final del proceso López, 2011

33 Características del producto final.
pH final = 6,94 Color = marrón Concentración de aminoácidos totales = 3,23 g/l. Concentración de aminoácidos totales de ALGAFERT = 20 g/l Biofertilizante producido mediante digestión anaerobia en fase hidrolítica Aplicación = 5 litros por cada 1000 litros para agua de riego. Aplicación = 1.3 litros por cada 1000 litros para agua de riego.

34 Dimensionamiento del biorreactor a escala industrial
- Reducción de costos. - Disponibilidad de materia prima. - Elaboración de un nuevo producto. - Disponibilidad de materiales para construcción del biorreactor. - Diseño del biorreactor piloto. Pérez, 2007

35 Dimensionamiento del biorreactor a escala industrial.
Acero inoxidable Dimensionamiento del tanque Materia prima disponible = 30 kg. Tapa abisagrada

36 Sistema de Agitación Motor Diámetro del rodete Placas deflectoras
Variador de velocidad Electrónico Distancia del rodete al fondo del tanque Diámetro del rodete Placas deflectoras

37 Sistema de calentamiento
Resistencias chapa plana Calor ganado por la mezcla Para calcular el número de resistencias 1 Resistencia = 4W /cm2 Especificaciones de las resistencias AISI 340 de 5 x 63 cm

38 Sistema de calentamiento
A = Mezcla B = Acero Inox C = Lana de vidrio D = aire ambiente Cálculo del calor perdido por el sistema Lana de vidrio rollo tipo tela de 5cm de espesor. Área total del tanque

39 Resumen de parámetros

40 Resultados y Discusión

41 Costos de Construcción
Material disponible Material que debe ser adquirido

42 Costos de producción Costo de mano de obra

43 Los costos directos del producto son: 1,09 dólares por litro.
25 % de costos indirectos y un 25 % de margen de ganancia Costo del biofertilizante: 1,63 dólares el litro.

44 Conclusiones Por su alto contenido proteínico, la Spirulina platensis, es un sustrato apto para la elaboración de un biofertilizante El biorreactor a escala piloto, está construido con un sistema de calentamiento, con resistencia tipo alambre, envuelta en espagueti de fibra de vidrio. Un sistema de agitación mecánica continua. Durante la digestión anaerobia, parámetros como la temperatura y el pH, deben ser controlados. La empresa Andesspirulina se dedica a la producción de Spirulina plantensis, que posee un alto porcentaje de proteína de entre 60 y 70%,

45 Conclusiones El mejor consorcio bacteriano para la producción del biofertilizante fue el que se encuentra en el agua residual proveniente de la planta de producción de Andesspirulina El aumento de temperatura, reduce los días en los que se produce la hidrólisis de proteína de Spirulina plantensis. El producto obtenido al final del funcionamiento del biorreactor piloto, tiene una concentración de nitrógeno asimilable o amídico de 3.23 g/L. Con un espesor de 50,00 mm de lana de vidrio, se obtiene una pérdida de calor de 45,73 W,

46 Recomendaciones Realizar pruebas con el biofertilizante sobre cultivos, Para la construcción de biorreactores a nivel industrial, se recomienda formar un grupo multidisciplinario. Se recomienda subir un 25% más el precio del producto final.