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“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
ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITODEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA VIDA
INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA
Proceso productivo de la Spirulina
Parroquia ruralPintag Cantón Quito Provincia de Pichincha Ecuador
Cultivo • Entre 20 – 30 °C• pH: 9 – 10,5
Filtración • Filtración primaria• Filtración secundaria
Secado
Producto final • Spirulina de primera • Residuo ultra fino
Formulación del problema
Incremento de la población mundial
Retos a la agricultura - mayor número de alimentos.
Métodos de fertilización, amigables con el medio ambiente.
Reyes, 2008
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.
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
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.
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.
Marco Teórico
Estructura de la Spirulina platensis
Estructura filamentosa
Compuesta por tricomas cilíndricos multicelulares
Forma de una hélice abierta,
La temperatura y condiciones físicas y químicas, afectan la geometría de la hélice.
El diámetro de la hélice varía entre 30 y 70 μm
López, 2011
Composición química de la Spirulina platensis
• Del 6 – 13%• 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 B12Vitaminas
• Altas concentraciones de hierro. • Otros micro elementosMinerales
• Glucosa del 7 al 8 %. • Galactosa , xilosa y liposacáridos en 1.5 % del peso seco.Carbohidratos
Proteínas
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
60 a 70 % del peso seco total.
Aminoácidos esenciales
Contenido g/Kg.
Isoleucina 33,8Leucina 50,1Lisina 27,5Metionina 13,7Fenilalanina 27Treonina 30Triptófano 8,8Valina 38,7
Aminoácidos no-esenciales
Alanina 46,7Arginina 45Ácido aspártico 66,9Cistina 58Ácido glutámico 87,7Glicina 31,9Histidina 12,5Prolina 25,9Serina 29Tirosina 26,9
Consumo de proteínas, en escases de N.
Núcleo: apoproteína, a esta estructura se encuentran adheridos los cromatóforos.
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.
Suárez, 2009
Utilidades de la Spirulina
Cultivos Masivos
La luz: factor fundamental. Temperatura: 24 - 34°C.
pH : 9 a 11
Alimentación y salud humana:- Suplemento nutricional - Fuente de proteína - Fuente de minerales
Alimentación de animales: - Peces - Ganado
Otros productos:- Cosméticos - Pigmentos aislados
Andesspirulina, 2010
Biofertilizante a base de aminoácidos libres.
Biofertilizante a base de aminoácidos
Síntesis de proteínas
Vía foliar o al suelo.
Aminoácidos libres- La multiplicación celular - Fertilidad de los pólenes y flor- Metabolización y formación de
clorofila y hormonas
Anti estrés de suelos salinos u otros tipos de carencias o excesos de agua.
Efectos en:
Producto comercial: ALGAFERT
Digestión Anaerobia
Estabilización de materiales orgánicos mediante su conversión a metano y otros productos como el dióxido de carbono.
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
Degradación de proteínas
ProteasasPeptidasas Proteinasas
Proteínas en aminoácidos
Síntesis de material celular
Etapa acidogénica y metanogénica: Ácidos grasos
Dióxido de carbono Hidrógeno
Metano
Mecanismos en la etapa hidrolítica
Microorganismos
Secretan las enzimas al medio líquido, y estas se adsorben en las partículas
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
Velocidad de hidrólisis
Número de sitios de adsorción existentes en la superficie de la molécula.
En biorreactores
Las partículas de sustratos son rápidamente colonizadas por microorganismos
Enterobacteriaceae, Bacillus, Peptostreptococcus, Propionibacterium, Bacteroides, Micrococcus y Clostridium
Etapas del proyecto
1. Ensayos preliminares
2. Diseño del biorreactor
piloto
3. Construcción
del biorreactor
piloto
4. Implementación y control de parámetros de
funcionamiento del biorreactor.
5. Dimensionamien
to del biorreactor a
escala industrial
Inóculo de estiércol de vaca
Inóculo de bacterias ácidos lácticas
Inóculo de agua residual
500 gramos de estiércol de vaca seco diluidos en 1 litro de agua.
0.30 a 0.50 gramos de cultivo liofilizado .se disolvió en 150 ml. Concentraciones de entre 0.33 y 2 g/l.
Concentración de Spirulina
Concentración entre 1,25 y 60g/l.
Ensayos preliminares
Adaptaciones para agitación y calentamiento continuo.
Medición del pH Análisis de laboratorio
Pruebas de laboratorio para determinación de concentraciones de los 17 aminoácidos.
López, 2011 López, 2011
Análisis de datos
Resultados
Ensayos preliminares
Concentración muy baja 1,25 g/lPrimer Ensayo
Inóculo Concentración de
inóculo g/lVolumen de inóculo (ml)
Concentración de Spirulina (g/l)
pH inicial pH final Días a los que se presentó
cambio de coloración
1 - 2 15 7.20 5.92 122 - 2 25 7.21 5.97 133 Agua Residual - 2 25 7.20 6.63 114 B. ácido lácticas 0.33 2 25 7.15 6.55 135 Testigo - 0 25 7.18 6.87 15
Estiércol de vaca
Segundo ensayo T = 25 a 38 °C.
Tercer ensayo T = 35 a 37 °C.
Inóculo Concentración de
inóculo g/LVolumen de inóculo (ml)
Concentración de Spirulina (g/l)
pH inicial pH final Días a los que se presentó
cambio de coloración
1 Estiércol de vaca - 6 25 7.19 5.70 112 Agua Residual - 6 25 7.17 6.78 103 B. ácido lácticas 1 6 25 7.15 6.55 124 Testigo - 0 25 7.15 6.90 13
López, 2011.
Indicador visual
Cambio de coloración, de verde a marrón.
Hidrólisis de las ficobiliproteínas
Ensayos preliminares
Cuarto ensayo T = 38 a 39 °C.
Quinto ensayo T = 39 a 40°C.
Inóculo Concentración de
inóculo g/LVolumen de inóculo (ml)
Concentración de Spirulina (g/l)
pH inicial pH final Días a los que se presentó
cambio de coloración
1 Estiércol de vaca - 10 25 7.18 5.75 102 Agua Residual - 10 25 7.20 6.61 103 B. ácido lácticas 1.33 10 25 7.19 6.37 104 Testigo - 0 25 7.18 6.62 12
Inóculo Concentración de
inóculo g/LVolumen de inóculo (ml)
Concentración de Spirulina (g/l)
pH inicial pH final Días a los que se presentó
cambio de coloración
1 - 10 25 7.19 5.81 92 - 10 35 7.17 5.78 103 - 10 25 7.18 6.69 84 - 10 35 7.20 6.62 95 2 10 25 7.16 6.41 106 2 10 35 7.18 6.50 107 Testigo - 0 25 7.20 6.89 13
Estiércol de vaca
Agua Residual
B. ácido lácticas
Ensayos preliminares
Sexto ensayo T = 40 a 41 °C.
Séptimo ensayo T = 40 a 41 °C.
Inóculo Concentración de
inóculo g/LVolumen de inóculo (ml)
Concentración de Spirulina (g/l)
pH inicial pH final Días a los que se presentó
cambio de coloración
1 - 15 40 7,20 6,72 82 - 15 50 7,18 6,81 83 - 15 60 7,17 6,80 94 Testigo - 0 40 7,19 6,90 12
Agua Residual
Solo inóculo de agua residual
Inóculo Concentración de
inóculo g/LVolumen de inóculo (ml)
Concentración de Spirulina (g/l)
pH inicial pH final Días a los que se presentó
cambio de coloración
1 - 10 30 7,18 5,79 102 - 10 40 7,21 5,80 103 - 10 30 7,19 6,65 84 - 10 40 7,17 6,70 95 - 10 50 7,19 6,71 96 B. ácido lácticas 2 10 30 7,16 6,54 107 Testigo - 0 30 7,18 6,90 12
Agua Residual
Estiércol de vaca
Resultados de ensayos preliminares
Aumento de Temperatura Disminución en el tiempo que se da el cambio de coloración
25 - 38 35 - 37 38 - 39 39 - 40 40 - 41 40 - 417.00
8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
13.00
Rango de T°.
Días
López, 2011.
Aminoácido Concentración
mg/L1 Ácido aspártico 0,802 Treonina 0,303 Serina 0,404 Ácido glutámico 1,105 Prolina 0,306 Glicina 0,807 Alanina 1,808 Cistina ND9 Valina 1,20
10 Metionina 0,2011 Isoleucina 0,7012 Leucina 0,1313 Tirosina 0,5014 Fenilalanina 0,3015 Histidina 0,4016 Lisina 0,4017 Arginina 0,90
Aminoácido Concentración
mg/L1 Ácido aspártico 2202 Treonina 5503 Serina 6004 Ácido glutámico 7005 Prolina 56 Glicina 2407 Alanina 8708 Cistina 709 Valina 790
10 Metionina 66011 Isoleucina 700012 Leucina 230013 Tirosina 105014 Fenilalanina 190015 Histidina 32016 Lisina 173017 Arginina -
Biofertilizante producido mediante digestión anaerobia en fase hidrolítica
ALGAFERT, producido por Bioalgalmarine
Diseño del biorreactor piloto
Parámetro Valor Volumen total 123.71 LVolumen funcional 93 L Volumen de inóculo 3 L Concentración de Spirulina 60g/L Temperatura 40 °C Tiempo de Retención 8 díasDensidad de la mezcla 1006 kg/m3Viscodidad aproximada 10 cPDiámetro del rodete 16.16 cm Distancia entre rodete y fondo 22.33 cm
Hélice marina
Visimix Turbulent SV 2K7
Característica Valor Voltaje 220VPotencia 1/2 HP Velocidad 1350 RPM
Motor considerado
RPM necesarias = 95
Mecanismo reductor de velocidad
Sistema de transmisión compuesto
Gonzales, 2003.
Borraz, 2001.
Primer sistema de poleas
Segundo sistema de poleas
López, 2011.
Sistema de calentamiento considerado
Resistencia tipo alambre, recubierta por espagueti de fibra de vidrio.
Construcción: en Resultados y discusión
Conexiones: termoculpla, contactor y relé térmico.
Diseño del biorreactor piloto
Construcción del biorreactor piloto.
Enrollado de la resistencia Ensamblaje de la estructura metálica
Ensamblaje de las placas deflectoras
Construcción del biorreactor piloto.
Ensamblaje del sistema de poleas
Conexiones
Sistema de poleas en estructura metálica
Biorreactor finalizado.
Implementación y control de parámetros de funcionamiento
Carga Inicial
Operación y monitoreo
- Revisión de temperatura - Medición de pH- Monitoreo diario del biorreactor
Estabilización con cal
- 60 g/l = 5,58 kg de Spirulina- 3 l de inóculo- pH inicial = 7,45
Al final del procesoLópez, 2011
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
Aplicación = 1.3 litros por cada 1000 litros para agua de riego.
Aplicación = 5 litros por cada 1000 litros para agua de riego.
Biofertilizante producido mediante digestión anaerobia en fase hidrolítica
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
Dimensionamiento del biorreactor a escala industrial.
Dimensionamiento del tanque
Materia prima disponible = 30 kg.
Tapa abisagrada
Acero inoxidable
Sistema de Agitación
Característica Valor Voltaje 220VPotencia 1/2 HP Velocidad 1350 RPM
Motor
Variador de velocidad Electrónico
Diámetro del rodete Distancia del rodete al fondo del tanque Placas deflectoras
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
Sistema de calentamiento
Cálculo del calor perdido por el sistema
Área total del tanque
A = Mezcla B = Acero Inox C = Lana de vidrio D = aire ambiente
Lana de vidrio rollo tipo tela de 5cm de espesor.
Parámetro Unidad Valor Volumen total Litro 500 Volumen funcional Litro 375 Volumen de inóculo Litro 12 Concentración de spirulina g/l 60 Temperatura °C 40 Tiempo de Retención día 8 Densidad de la mezcla Kg/m3 1006 Viscosidad aproximada cP 10 Diámetro del rodete cm 25.66 Distancia entre rodete y fondo cm 35.66 Espesor lámina de acero inox mm 3 Velocidad del agitador Rpm 100 Potencia necesaria para el calentamiento W 10122 Número de resistencias planas 8 Espesor del aislante mm 50
Resumen de parámetros
Resultados y Discusión
Costos de Construcción
Material Cantidad Estado Motor de 0,5 Hp 1 Usado Contactor 1 Usado Relé térmico 1 Usado Termocupla + control 1 Usado Cajetín para control 1 Usado /mal estado Hierro para estructura metálica Nuevo Tuberias de pvc 3 Nuevas
Material disponible
Material que debe ser adquirido
Material Cantidad Precio
unitario $ Precio total $ Resistencias chapa plana AISI 430 8 12,00 96,00 Variador de velocidad 1 300,00 300,00 Pernos en inox (Juego) 16 1,40 22,40 Placas deflectoras en inox de 4 5,00 20,00 Láminas inox de 3mm 1.22 x 2.44 2 400,00 800,00 Lana de vidrio 2,62m2 31,90 83,57 Construcción del tanque * 900,00 Total
2221,97
Actividad Tiempo de
duración (h)Costo por
hora $Frecuencia
(días)Costo total
Preparación para arranque del biorreactor. 2 1,46 1 vez cada 8 días 2,92Monitoreo 3 veces al dia (30 min en cada monitoreo) 1:30 1,46 Diaria (8 días) 17,52Extracción y envasado del producto final. 3 1,46 1 vez cada 8 días 4,38Limpieza del tanque. 3 1,46 1 vez cada 8 días 4,38Total. 9:30 29,2
Costos de producción
Costo de mano de obra
Rubro Unidad Costo unitario $ Cantidad Precio total Energía motor KWh 0,06 71,16 4,27 Energía resistencias (Calentamiento) KWh 0,06 10,12 0,60 Energía resistencias (Mantenimiento de T) KWh 0,06 8,78 0,52 Agua Litros 0,00 375,00 0,00 Spirulina ultra fina Kg 16,00 22,50 360,00 Inóculo agua residual Litros 0,00 12,00 0,00 Costo total 365,39
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.
Biofertilizante comercial
Costo: 16 dólares por litro
Concentración de aminoácidos: 20 g/l
Aplicación: 1.3 litros por cada 1000 litros de agua
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%,
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,
Recomendaciones
Se recomienda subir un 25% más el precio del producto final.
Realizar pruebas con el biofertilizante sobre cultivos,
Para la construcción de biorreactores a nivel industrial, se recomienda formar un grupo multidisciplinario.
