Ingeniería Industrial Introducción

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TECNOLOGÍAS EMERGENTES

Grupo de Química de Carbohidratos, Polímeros y Aditivos Industriales

E047-01

Francisco Rojas MelgarejoMayo de 2011 Francisco Rojas Melgarejo

Mayo de 2011QCPAI E047QCPAI E047--0101

CONTENIDO

Diseño higiénico de instalaciones y equipos: salas blancas.

Introducción.

Aplicación de biocatalizadores inmovilizados en la industria alimentaria.

Tecnologías emergentes de separación: Columnas de Conos Rotatorios.

Francisco Rojas MelgarejoMayo de 2011QCPAI E047QCPAI E047--0101

CONTENIDO


Introducción.




IntroducciIntroduccióónn

Ingeniería Industrial

Desarrollar nuevos métodos de fabricación

Modificar procesos de fabricación actuales

Elaborar nuevas propuestas de fabricación en un mundo cada vez más industrializado y poblado



Obtener resultados de calidad con el mínimo impacto ambiental


Alargar vida útil de los alimentos

Conservar características nutricionales y organolépticas

Alimentos mínimamente procesados

Procesos eficientes energéticamente

Alimentos seguros

Respetar exigencias medioambientales



La calidad de los productos y procesos implica un desarrollo armonioso

Necesidad de implantar normas internacionales “globales”


Código de Alimentos

Código de Regulaciones Federales 21

Salas Blancas

Sistema de Análisis de Riesgos y Puntos Críticos (HACCP/APPCC)

Directrices de la Unión Europea para nuevos alimentos y procesos

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Contratos y proyectos cofinanciados entre la Universidad y Empresas implicadas

Resolución de problemas concretos de fabricación

Desarrollo de nuevas tecnologías de fabricación

Nuevos procedimientos de fabricación

Confianza mutua en custodiar con garantías la información compartida

Becas Séneca para la Empresa

Proyectos CDTI (Centro de Desarrollo Tecnológico Industrial)




Primeros interesados

Ex-alumnos que trabajan para industrias

Empresarios Publicaciones, Congresos


Universidades

Organismos públicos de investigación

Federaciones de alimentación internacionales


CONTENIDO


Introducción.




AplicaciAplicacióón de biocatalizadores inmovilizados en la industria n de biocatalizadores inmovilizados en la industria alimentariaalimentaria

1.5.8 Otras aplicaciones1.5.7 Células de combustible y baterías bioquímicas1.5.6 Tratamiento de aguas residuales1.5.5 Cromatografía de afinidad1.5.4 Aplicaciones en la elaboración de alimentos1.5.3 Aplicaciones médicas1.5.2 Aplicaciones analíticas

1.5.1 Utilización de enzimas inmovilizadas en procesos químicos

1.5 Aplicaciones de las enzimas inmovilizadas

1.4 Ventajas y desventajas de la inmovilización

1.3.5 Estabilidad1.3.4 Constantes cinéticas de enzimas inmovilizadas1.3.3 Temperatura óptima de enzimas inmovilizadas1.3.2 pH óptimo de enzimas inmovilizadas1.3.1 Especificidad por el sustrato

1.3 Propiedades de enzimas inmovilizadas

1.2.4 Otros métodos de inmovilización1.2.3 Método de atrapamiento1.2.2 Método de entrecruzamiento1.2.1 Método de enlace a un soporte

1.2 Métodos de inmovilización de enzimas

1.1 Introducción

1 INMOVILIZACIÓN DE ENZIMAS



1. Chibata, I. (1978). “Immobilized Enzymes: Research andDevelopment”, John Wiley & Sons.

2. Guilbault, G. G. (1984). “Analytical Uses of Immobilized Enzymes”,Marcel Dekker, Inc.: New York.

3. Tischer, W. y Wedekind, F. (1999). Top. Curr. Chem. 200, 95.4. Tischer, W. y Kasche, V. (1999). Trends Biotechnol. 17, 326.5. Arroyo, M. (1998). Ars Pharmaceutica, 39:2; 23-39.6. Rojas-Melgarejo F. Immobilization of enzymes on cinnamic carbohydrate

esters. Doctoral Thesis. University of Murcia; 2002.

BIBLIOGRAFÍA



Ventajas del uso de enzimas inmovilizadas en el procesamiento de alimentos.

Las inherentes al uso de enzimas inmovilizadas.

1. Utilización de extractos enzimáticos crudos (Tirosinasa).2. Reutilización de la enzima. Mayor tiempo de vida media de la enzima.3. Ahorro económico.4. Utilización en procesos continuos y/o discontinuos. Fácil adaptación.5. Control más preciso del proceso. Fácil detención de la reacción.6. Evitar la inhibición por producto (enzima soluble).7. Mayor estabilidad al pH (rangos más amplios), temperatura (elevadas),

almacenado, fuerza iónica, inactivadores y/o desnaturalizantes .8. Pocas interferencias (activadores e inhibidores) en la acción catalítica de

la enzima.9. Mayor rendimiento de productos.10. Producto libre de enzima y otros contaminantes.11. Protección del medio ambiente. Efluentes libres de contaminantes: NO

pérdidas accidentales.12. Utilización de enzimas recombinantes (invertasa, *HRPc).

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2 SOPORTES DE INMOVILIZACIÓN



Ventajas del uso de fotopolímeros entrecruzablescomo soportes de inmovilización.

1. Fácil preparación.2. Control de las características del polímero: hidrofobicidad y/o

hidrofilicidad, grado de entrecruzamiento, presencia de determinadosgrupos reactivos (método de inmovilización).

3. No utilización de disolventes orgánicos.4. Elaboración de sistemas multicapa y/o sistemas multienzimáticos.











1.1 Introducción




Aplicaciones en la elaboración de alimentos

ββββ-galactosidasa. Eliminación de la lactosa contenida en la leche, de manera continua. Preparación de productos lácteos dietéticos.

ββββ-galactosidasa. Hidrólisis de suero ácido (fabricación de requesón) para obtener edulcorantes de uso en productos de dieta y de elevado coste. Preparación de helados.

Catalasa. Eliminar el exceso de peróxido de hidrógeno utilizado para esterilización de la leche.

Tripsina. Prevenir la aparición de un sabor “oxidado”.Renina. Producir queso. Enzima escasa.Amilasa, glucoamilasa y glucoisomerasa. Hidrólisis de almidón para

obtener jarabe rico en frutosa: edulcorante en bebidas refrescantes (Coca-Cola, Pepsi).

Amilasa. Hidrolizar almidón durante la fabricación de cerveza.Papaína y polifenol oxidasa. Evitar turbidez de cerveza almacenada

durante mucho tiempo.Proteasas. Hidrolizar proteínas y polipéptidos, reducción de lactoglubilina en

leche, fabricación de quesos (maduración), solubilizar concentrados de proteínas de pescado.



Aplicaciones en la elaboración de alimentos

Lipasas. Maduración de queso, interesterificación de aceites y grasas: transformación del aceite de palma en sucedáneo de la manteca de coco (chocolate).

Fumarasa. Obtención de ácido L-málico: aditivo en zumos de frutas, refrescos, mermeladas y dulces.

Pectinasa. Hidrólisis de pectina durante la preparación de zumos.Naringinasa. Eliminar el sabor amargo en el zumo de naranja.Glucosa oxidasa y peroxidasa. Eliminar la glucosa de la albúmina de la

clara del huevo.Tanasa. Tratamiento de la crema de té.Invertasa. Azúcar invertido para obtener sirope rico en fructosa en la

industria de bebidas.Endo- ββββ-glucosidasas. Aumentar el aroma de vinos y zumos.Tirosinasa. Tratamiento de aguas residuales.Peroxidasa. Tratamiento de aguas residuales. Esterilización en frío de

diferentes bacterias en aire y aguas.



Fuentes de extracción de enzimas

Peroxidasa Rábano picante

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Restos de champiñón: Pieles y tallosTirosinasa







Invertasa Zymomonas mobilis Escherichia coli BL21 (DE3)








ββββ-Galactosidasa

Invertasa Zymomonas mobilis Escherichia coli BL21 (DE3)

Kluyveromyces fragilis (levadura)


Peroxidasa

Peroxidasa recombinante

Rábano picante

Escherichia coli

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1.1 Introducción




Tratamiento de aguas residuales

Necesita de grandes volúmenes de H2O:1. Limpieza de materias primas.2. Lavado en planta.3. Escaldado.4. Pasteurización.5. Limpieza de equipos de producción.6. Refrigeración del producto final.

PROCESOS DE LA INDUSTRIA ALIMENTARIA



Tratamiento de aguas residuales



Ensayos de laboratorio

Tratamiento de aguas residuales con enzimas inmovilizadas

HRP inmovilizada sobre ésteres cinámicos de hidratos de carbono

[Fenol]0 (0.1-0.5 mM) >70% ↓↓↓↓

Gran versatilidad en su aplicación industrial

Variedad de compuestos aromáticos

Amplio rango de T, pH y salinidad

Coagulantes Polietilénimina, quitina o quitosano (Adsorbente)

Disminuye el costo de tratamiento



Evita contaminación por enzima libre tras tratamiento

Enzima

Condiciones de trabajo

pH = 7.0

Velocidad de flujo = 50-55 mL/min

Proceso industrial Diseño de un soporte

Tratamiento de aguas residuales con enzimas inmovilizadas

6



Soporte de inmovilización

Análisis estructural1H RMN13C RMN

DEPT

IR

DSC

Tiempo de irradiación UV

SSCN

GSOCN 15 min

5 s



Diseño industrial

Quitosano (0.5 cm)

No retención de fenol en el circuito

[Fenol]0 = cte

Reactor Continuo de Lecho Empaquetado con Recirculación y Flujo Descendente



Eficacia alta

Resultado independiente del soporte de inmovilización

Mejoras publicadas: 30-60%

Mejoras obtenidas: > 70%

Resultados



Fácil preparación

Buen control de las características del soporte de inmovilización

Preparación sin residuos que afecten al Medioambiente

Ventajas del proceso

Rendimiento alto del proceso catalizado

Productos finales de reacción fáciles de eliminar por sedimentación o filtración

Fácil de adaptar a procesos en funcionamiento


CONTENIDO


Introducción.




DiseDiseñño higio higiéénico de instalaciones y equipos: salas blancasnico de instalaciones y equipos: salas blancas

Salas blancas, salas limpias o de ambiente controlado

SALAS BLANCAS

Atmósfera libre de partículas

Atmósfera libre de microorganismos

Industria Alimentaria

Requisitos de garantía de calidad

Proteger individuos, productos y procesos de la contaminación

Desarrollar investigación y nuevos procesos

Alto grado de pureza

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Objetivos

SALAS BLANCAS

Exclusión microbiana en zonas de operaciones asépticas

Limitación microbiana en zonas próximas a las de operaciones asépticas

Control de contaminación de entrada

Exclusión de partículas en zonas de operaciones asépticas

Material estéril, componentes, superficies

Material lavado antes de esterilizar

Limitación de partículas

Material antes de lavado

Exclusión de contaminación cruzada

Entre productos/materiales diferentes



Parámetros

SALAS BLANCAS

Número y tamaño de partícula en aire

Temperatura seca: distribución

Temperatura húmeda: distribución

Flujo de aire: velocidad, dirección, distribución

Presión interior: distribución

Geometría y acabados interiores

Iluminación

Protección electrostática

Protección contra incendios



Nivel de esterilidad : factores

SALAS BLANCAS

Número de renovaciones de aire/hora

Superficie de los filtros vs Superficie de la sala

Régimen de entrada de aire

Nivel de contención de la sala

Generación intrínseca de partículas por los procesos realizados, personas, materiales



Proyecto multidisciplinar:

SALAS BLANCAS

Procesos y operaciones de trabajo

Funcionalidad

Mantenimiento

Control

Diagrama de flujo

Conclusiones: documentos y planos

Plano de distribución de las diferentes salas necesarias

Acceso

ventilación

Saneamiento del aire

Vestuario del personal

Trajes blancos: operarios, mantenimiento, limpieza, visitantes

Sistemas de filtrado: 10 veces/min

Pautas

Director politécnico integrador

Equipos de filtrado de alta eficacia (filtros HEPA)



Proyecto multidisciplinar:

SALAS BLANCAS

Flujos de proceso

Personal

Materias primas

Materiales

Normas de Correcta Fabricación (GMP´s)

Operaciones de mantenimiento y control(Áreas técnicas)



Clasificación

SALAS BLANCAS

FS 209D (1988)

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Clasificación

SALAS BLANCAS

FS 209E (1992)



Clasificación

SALAS BLANCAS

ISO 14644-1 (1999)



Clasificación

SALAS BLANCAS

Comparación de estándares internacionales



Clasificación

SALAS BLANCAS

Flujo del aire: caudal constante y número de revoluciones variable

Multidireccional (régimen turbulento)

Unidireccional (régimen laminar)

Velocidad baja y constante: 0.3-0.4 m/s

Unidireccional vertical

Unidireccional horizontal

Unidireccional inclinado



Flujo de aire

SALAS BLANCAS

Multidireccional (régimen turbulento)



Flujo de aire

SALAS BLANCAS

Unidireccional vertical (régimen laminar)

El aire de entrada limpio no perjudica el proceso de fabricación

Flujo de zona no contaminada a contaminada

Depende del porcentaje de planta ocupado

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Flujo de aire

SALAS BLANCAS

Unidireccional horizontal (régimen laminar)

El aire de entrada limpio no perjudica el proceso de fabricación

Flujo de zona no contaminada a contaminada



Flujo de aire

SALAS BLANCAS

Unidireccional inclinado (régimen laminar)

Los contaminantes generados en sala no pueden ascender por el componente vertical del flujo de entrada de aire



Flujo de aire

SALAS BLANCAS

Mixto

Multidireccional con zonas de flujo unidireccional que requieren menor concentración de contaminantes

Menor coste de inversión, explotación y mantenimiento vs flujo unidireccional

Sistemas cerrados

Minisalas con alto control de entrada y salida de aire y productos

Salas con elevada exigencia de control de contaminantes

Estudio del aire de retorno y renovación: control de contaminación y [O2]

Contadores de partículas



Clasificación

SALAS BLANCAS

ISO 14644-1 (1999)

Requieren flujo laminar

No requieren flujo laminar



Aplicaciones en la Industria Alimentaria

SALAS BLANCAS

Productos esterilizados y envasados

Fabricación de bebidas

Despiece en industrias cárnicas



Diseño de salas blancas

SALAS BLANCAS

Proceso de fabricación

Condiciones exteriores: ubicación y cámara de entrada

Sistemas de filtrado de aire

Proceso de construcción

Calidad de los materiales

Zonas con diferente clasificación

Flujos de aire

Flujos de aire vs distribución de equipos y personas

Potencial electrostático

Número y tamaño de las partículas que desprenden

Bajo coeficiente de transmisión térmica

Buen acondicionamiento acústico interno

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Diseño de salas blancas

SALAS BLANCAS

Coste de instalación

Coste de explotación: acondicionamiento térmico del aire renovado

Coste de mantenimiento: espacios y flujos de personal

Modularidad: cambios en proceso de fabricación

Adaptabilidad: construcción global

Seguridad

reparación y sustitución de equipos

Vestuario de personas

Flujo y número máximo de personas:

Equipos de control redundantes:

Potencial electrostático: reducir electricidad estática: red de tierra independiente

Formación del personal

disciplina de movimiento



Construcción de salas blancas

SALAS BLANCAS

Materiales

Paredes

Suelos

Lisas

Juntas estancas

Plástico, poliéster, chapa inoxidable, lacados al horno

Materiales B-s3, dO (UNE EN 13501-1:2002)

Solapar con el suelo

Lisos, continuos, sin juntas

Plástico, epoxi o poliéster


Conectar a tierra

Suelo antiestático sin electricidad estática: humedad < 40 %


Combustible, no inflamable

NO aristas, NO ángulos, NO discontinuidades, NO fugas



SALAS BLANCAS

Materiales

Techos

Puertas

Luminarias fluorescentes empotradas, enrasadas y estancas

Chapa

Dobles, estancas, lisas

Esclusas


Lisos, continuos, sin juntas

Ventanas

Reducir número y tamaño: habitabilidad

Dobles

Estanqueidad > 10-3 m3/m2h





SALAS BLANCAS

Materiales

Aislamiento térmico

K < 0.5 Kcal/m2hºC

Ocluido entre capas impermeables (aislado del interior)


Desagües

Controlar contaminación de retorno: insectos




SALAS BLANCAS

Aire acondicionado

Temperatura

Dependiente del proceso de fabricación

Tolerancias de ± 0.5ºCSobredimensionar equipos de frío-calor

Sistemas de control y regulación sensibles

Aislamiento térmico del exterior

Salas blancas dentro de salas a temperatura constante


Salas prefabricadas y cabinas



SALAS BLANCAS

Humedad

Evitar condensaciones

40% < humedad <60% Evitar cargas estáticas:

Tolerancias exigentes: ∆Hr = ± 1%

Presión

Salas presurizadas: salas estancas

Vestuarios y entradas

Equipos de medida, control y regulación muy sensibles

Esclusas previas que amortigüen cambios bruscos de presión

25 ± 5 Pa


Aire acondicionado

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SALAS BLANCAS


Consideraciones de diseño: flujo laminar


SALAS BLANCAS


Consideraciones de diseño: flujo no laminar


SALAS BLANCAS


Coste de construcción


SALAS BLANCAS


Coste de mantenimiento


CONTENIDO


Introducción.




TecnologTecnologíías emergentes de separacias emergentes de separacióón: Columnas de Conos Rotatoriosn: Columnas de Conos Rotatorios

COLUMNA DE CONOS ROTATORIOS (CCR)

Cilindro vertical de acero inoxidable.

Sobre al eje rotatorio serie de conos paralelos a los fijos, colocados de manera que alternan verticalmente: uno fijo, uno rotatorio.

Gas recolector inerte captura en vacío, una corriente de vapor de componentes volátiles

Dos series de conos invertidos

Sobre la pared interna de la columna hay una serie de conos fijos.

Fuerza centrífuga

Fina película turbulenta que es desplazada hacia el borde del cono, cayendo sobre el siguiente cono fijo.

El producto baja de cono en cono, hasta llegar a la parte inferior de la columna.

Destilación a vacío (-98 kpa) y baja temperatura (≅ 45ºC).

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COLUMNA DE CONOS ROTATORIOS (CCR)Una mínima cantidad del vino desalcoholizado que sale de la base de la columna se convierte en vapor a baja temperatura formado espontáneamente cuando el líquido entra en contacto con el vacío en la columna (re-inyección).

Agente de arrastre Recoge compuestos volátiles al subir.

Deflectores de la cara inferior de los conos Rotatorios

Alto grado de turbulencia en la corriente de vapor, en un tiempo de permanencia de pocos segundos y sin daño térmico al producto.

Transferencia muy eficiente de volátiles frágiles del líquido al gas

Película líquida turbulenta

Largo camino recorrido




El vapor sale por la parte superior de la columna y pasa a través de un condensador que captura los volátiles en forma líquida concentrada.

El líquido restante sale bombeado por la parte inferior de la columna.



COLUMNA DE CONOS ROTATORIOS (CCR)Etapas del proceso

Restablecer los componentes de aroma y sabor al vino desalcoholizado

Mezclarlo con la porción principal del vino original para lograr el nivel de alcohol deseado

Seleccionar una cantidad relativamente pequeña de vino

Separar todos sus componentes aromáticos delicados y volátiles

Eliminar el alcohol de esta porción desaromatizada 3 ó 4 %







Aplicaciones

Reducción del contenido alcohólico en vinos

No sufren modificaciones significativas en sus parámetros analíticos y sensoriales.

No hay evidencias significativas de que el grado de desalcoholización influya en los niveles de los compuestos odoríferos, excepto en los relacionados con los aromas herbáceos y frutales.

Concentración de antocianos. La relación entre ellos no se modifica: no se altera el perfil indicativo de la variedad.

No se observan diferencias significativas en los restantes parámetros analizados.

No existen diferencias sensoriales significativas entre el vino original y el vino desalcoholizado.

≤ 2%

TECNOLOGÍAS EMERGENTES

Grupo de Química de Carbohidratos, Polímeros y Aditivos Industriales

E047-01

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