Departamento de Ingeniería Química Desarrollo tecnológico y evaluación para el escalado de la etapa de elaboración del cultivo industrial en la producción de yogurt de soya en la UEB La Villareña Autor: Onay Alberto Leiva Bermúdez Tutor: Dr. C. Omar Pérez Navarro , Noviembre 2021 Departament of Chemical Engineering , November 2021 Author: Onay Alberto Leiva Bermúdez Thesis Director: Dr. C. Omar Pérez Navarro Technological development and evaluation for the scale-up of the processing stage of the industrial crop in the production of soy yogurt in the UEB La Villareña Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419 Pensamiento «Para formular nuevas preguntas, nuevas posibilidades, para ver los viejos problemas desde un nuevo ángulo, se requiere de imaginación creativa, y marca un avance real en la ciencia. » Albert Einstein Dedicatoria Dedicatoria A todos los que creyeron en mí, a los que me apoyaron en este camino y a los que ahora, presentes y no, disfrutan este resultado. Agradecimientos Agradecimientos A mi familia, sostén de todos los tiempos; mi madre de modo especial. A Amanda, por su dedicación en etapas cruciales. A los amigos; compañía y alegría de los buenos momentos. A profesores, tutores, padrinos y personajes divinos que forman parte de mi historia. Resumen RESUMEN Debido a la necesidad del incremento de la producción y la eficiencia económica del proceso de fabricación de yogurt de soya en la UEB La Villareña, se evaluó la operación de la planta a la máxima capacidad de fermentación de leche de soya instalada, a partir del desarrollo tecnológico para el escalado de la etapa de elaboración del cultivo industrial y el estudio de las variables influyentes en esta última. En estudio experimental del comportamiento de la acidez del cultivo con la variación del tiempo y la temperatura, se observó que esta última presenta una relación inversamente proporcional a la variable respuesta con notable influencia, mientras que el tiempo presenta una correlación positiva muy alta. El ajuste de los datos experimentales a una ecuación de regresión múltiple, permitió obtener un modelo que explica la variabilidad de la respuesta con 𝑅2 igual a 95,15 % que se validó estadísticamente. Del análisis de los criterios de escalado aplicados al fermentador instalado, mantener igual velocidad en la punta del agitador, resultó ser la alternativa operacional más acertada. Para el régimen de transferencia de calor requerido, las áreas de transferencia determinadas para las operaciones de pasteurización, inoculación y fermentación fueron de 2,82 m2, 7,86 m2 y 7,84 m2 respectivamente, inferiores a 7,95 m2 de superficie de intercambio que ofrece el fermentador escalado. En condiciones de máximo aprovechamiento de la capacidad instalada se genera una producción anual de 9677819,80 L de yogurt de soya, con un aumento de dos veces el valor de la producción y un tiempo de recuperación de la inversión inferior a 2 años. Summary SUMMARY Due to the need to increase the production and economic efficiency of the soy yogurt manufacturing process at the UEB La Villareña, the operation of the plant was evaluated at the maximum installed soy milk fermentation capacity, based on the technological development for the scaling up of the industrial culture processing stage and the study of the influential variables in the latter. In the experimental study of the behavior of the acidity of the culture with the variation of time and temperature, it was observed that the latter presents a relationship inversely proportional to the response variable with notable influence, while time presents a very high positive correlation. The adjustment of the experimental data to a multiple regression equation allowed obtaining a model that explains the variability of the response with R2 equal to 95,15 %, which was statistically validated. From the analysis of the scaling criteria applied to the installed fermenter, maintaining the same speed at the tip of the agitator proved to be the most appropriate operational alternative. For the required heat transfer regime, the transfer areas determined for the pasteurization, inoculation and fermentation operations were 2,82 m2, 7,86 m2 and 7,84 m2 respectively, lower than the 7,95 m2 of exchange surface offered by the scaled fermenter. Under conditions of maximum utilization of the installed capacity, an annual production of 9677819,80 L of soy yogurt is generated, with an increase of twice the production value and an investment recovery time of less than 2 years. Índice ÍNDICE INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ....................................................................... 3 1.1. Generalidades de la leche y productos lácteos ........................................................... 3 1.1.1. La lactosa ......................................................................................................... 4 1.1.1.1. Fermentaciones de la lactosa. Propiedades químicas del ácido láctico ...... 4 1.2. Cultivos para la producción de yogurt ...................................................................... 6 1.2.1. Etapas en la propagación de cultivos lácteos .................................................... 7 1.3. Fermentación .......................................................................................................... 8 1.3.1. Problemas relacionados con la acidificación ................................................... 10 1.4. Fermentador .......................................................................................................... 10 1.4.1. Sistema de agitación empleado en fermentadores .......................................... 11 1.4.1.1. Agitadores de paleta ................................................................................. 12 1.5. Escaldo de reactores agitados .............................................................................. 12 1.6. Propiedades nutricionales de la soya para su utilización en la industria alimentaria. ..................................................................................................................................... 13 1.6.1. Yogurt de soya. Características generales, valor nutritivo y beneficios para la salud ......................................................................................................................... 14 1.6.1.1 Caracterización de la UEB Productos Lácteos Villa Clara. Proceso de elaboración del yogurt de soya .............................................................................. 15 1.7. Correlación múltiple ............................................................................................... 18 1.8. Prueba t de Student .............................................................................................. 20 CAPÍTULO 2. ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y PROPUESTA TECNOLÓGICA ................. 21 2.1. Tecnologías y procedimiento metodológico para la elaboración del cultivo industrial ..................................................................................................................................... 21 2.1.1. Establecimiento de la simbiosis deseada en los cultivos ................................. 23 2.2. Metodología para la evaluación de la acidificación del cultivo industrial ................ 23 2.3. Diseño experimental y análisis estadístico ............................................................ 24 Índice 2.4. Propuesta de escalado de la reacción de fermentación de la lactosa para la inoculación de bacterias termofílicas en el cultivo industrial ......................................... 27 2.4.1. Análisis de las consecuencias de la aplicación de los diferentes criterios de escalado para la operación del fermentador de cultivo industrial (2000 L) ................ 27 2.4.2. Requerimientos de transferencia de calor para el fermentador ....................... 30 2.4.3. Carga del sistema de bombeo para el transporte del cultivo industrial ............ 32 CAPÍTULO 3. EVALUCIÓN TÉCNICA-ECONÓMICA ...................................................... 34 3.1. Cuantificación de la producción. Consumo de materias primas y requerimientos auxiliares ...................................................................................................................... 34 3.2. Costo de inversión ................................................................................................. 36 3.3. Costos de producción ............................................................................................ 38 3.4. Indicadores dinámicos y de rentabilidad del proceso ............................................. 41 3.4.1. Comportamiento económico del proyecto para un aumento del precio de la materia prima. Análisis de sensibilidad ..................................................................... 42 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 44 RECOMENDACIONES .................................................................................................... 45 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 46 ANEXOS .......................................................................................................................... 50 Índice Introducción 1 INTRODUCCIÓN La industria alimenticia cubana ha enfrentado en los últimos años un considerable descenso en sus producciones, lo que ha implicado el establecimiento de nuevas estrategias de desarrollo, encaminadas fundamentalmente a atenuar los efectos negativos existentes en la producción de alimentos. La falta de recursos, calidad y eficiencia en sus procesos, unido con la existencia de un mercado insatisfecho, caracterizan la generalidad de la industria láctea del país. Para lograr el desarrollo de la ciencia y la innovación tecnológica, y solucionar las necesidades técnico-económicas que surgen cotidianamente, es necesario encauzar el desarrollo tecnológico de la industria láctea a través de la aplicación de una Estrategia Tecnológica Integral (ETI), la que brinda la posibilidad de operar las instalaciones en función de las condiciones del mercado, mediante la promoción del cambio tecnológico, el apoyo de las habilidades tecnológicas y el desarrollo de la investigación, como herramientas para aumentar la capacidad de producción (Alamo y Ferrer, 2007). Las empresas lácteas cubanas producen y distribuyen productos alimenticios con un alto valor nutritivo y carácter subsidiado, donde la mayoría de la materia prima es importada, representando un alto costo para el país. La importancia fundamental de estas empresas radica en que sus clientes pertenecen en su mayoría a un sector vulnerable de la población. Existe una variedad muy amplia de leches fermentadas, en las que interviene un gran número de especies de bacterias acidolácticas (BAL) y algunas levaduras. Sin embargo, el yogurt es el más ampliamente difundido en el mundo. En algunos países el consumo de estos productos es superior al de leche fresca (Ramírez y col., 2011). Hay diferentes tipos de yogur de acuerdo con sus características físico-químicas y con la presencia de aromas en la composición de la mezcla básica. Entre los principales componentes del yogur están: el ácido láctico, acetaldehídos y diacetil en bajas concentraciones, encargados de darle su sabor característico (Mesa y col., 2016). El yogurt de soya combina las propiedades nutricionales de la soya con las múltiples ventajas del yogurt para la salud. Comparte las riquezas de nutrientes con los que cuenta esta milenaria leguminosa, en cuanto a composición proteica, lipídica, así como de vitaminas, minerales y otros componentes esenciales para el organismo. Es por ello que su consumo se incrementa en el mundo en formas variadas. En la UEB La Villareña de la Empresa Productos Lácteos Villa Clara se desarrolla el proceso de obtención de yogurt de soya, donde los niveles productivos son insuficientes para Introducción 2 satisfacer la demanda actual de este producto. Para su fabricación se utiliza un cultivo industrial que permite la producción de ácido láctico y el desarrollo del sabor en el producto. La producción del cultivo industrial es uno de los procesos más importantes y también difíciles que se realizan en la industria láctea. Paradas imprevistas en su producción pueden originar pérdidas financieras muy elevadas, para ello se deben controlar los parámetros de este proceso, prestando especial atención en la temperatura, los tiempos y la acidez del producto como los más influyentes en las etapas de su elaboración. La capacidad de producción de yogurt de soya depende de la capacidad de elaboración de este cultivo para la inoculación del medio de fermentación, por tanto, el escalado de las condiciones fermentativas de la elaboración del cultivo industrial para satisfacer la capacidad de fermentación de leche de soya instalada en este centro, constituye una alternativa novedosa desde el punto de vista técnico-económico. Atendiendo a estos antecedentes se plantea el siguiente Problema Científico: No se dispone de una capacidad de elaboración de cultivo industrial, que garantice la inoculación de todo el volumen de fermentación de leche de soya disponible en la UEB La Villareña, para un aumento en los niveles productivos de yogurt de soya. Para dar solución al problema anterior se plantea la siguiente Hipótesis: Si se desarrolla y evalúa la tecnología para el aumento de la capacidad de elaboración del cultivo industrial, es posible satisfacer las cantidades necesarias de este producto para inocular la capacidad de fermentación de leche de soya disponible y elevar los niveles productivos de yogurt de soya. Siendo entonces el Objetivo General: Evaluar el proceso de producción de yogurt de soya a partir del desarrollo tecnológico para el escalado de la etapa de elaboración de cultivo industrial en la UEB La Villareña. Objetivos específicos: 1. Evaluar experimentalmente la influencia del tiempo y la temperatura en la acidez del cultivo industrial. 2. Establecer el modelo de la curva de acidificación del cultivo industrial. 3. Escalar el proceso fermentativo de elaboración del cultivo industrial con el régimen de transferencia de calor requerido. 4. Determinar los indicadores técnico-económicos y de rentabilidad para el aumento del volumen de producción de yogurt de soya. Capítulo 1. Revisión bibliográfica 3 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1. Generalidades de la leche y productos lácteos La leche es un producto nutritivo complejo que posee más de 100 substancias que se encuentran ya sea en solución, suspensión o emulsión en agua. Las temperaturas extremas, la acidez (pH) o la contaminación por microorganismos pueden deteriorar su calidad rápidamente (López y Barriga, 2016). A nivel mundial, contribuye en promedio 134 kcal de energía/ persona por día, 8,3 g de proteínas/ persona por día y 7,6 g de grasas/ persona, o 5 %, 10 % y 9 % de estos tres constituyentes respectivamente. Es la quinta fuente de energía y la tercera fuente de proteínas y grasas más grande para los humanos (FAO, 2018). El mercado mundial de la leche y los productos lácteos continúa en crecimiento. Este sector agroindustrial se caracteriza por un alto grado de innovación en sus productos, de acuerdo con los hábitos alimenticios, exigencias para la salud y el bienestar de los consumidores. La Unión Europea es la principal región productora de leche de vaca, aporta el 30,7 % de la producción mundial. Le siguen en importancia Estados Unidos (19,5 %) e India (13,7 %). Los principales productores son también los más importantes consumidores de leche: India (25,8 %), Unión Europea (26,1 %) y Estados Unidos (16,1 %) (Gaucín, 2017). Poseen un elevado valor nutricional dentro de los que se destacan en su composición micronutrientes como: magnesio, selenio, riboflavina y vitaminas B5 y B12 (CN, 2013). La leche suministra una gran cantidad de agua, que representa aproximadamente el 90 % de la misma. El principal hidrato de carbono que se encuentra en su composición es la lactosa. Su concentración es relativamente constante promediando alrededor de 5 %, y sus moléculas constituyentes: glucosa y galactosa se encuentran en una concentración de 14 mg/ 100 g y 12 mg/ 100 g respectivamente. A su vez constituye una fuente importante de proteínas y grasas. La mayor parte del nitrógeno de la leche se encuentra en la forma de proteínas. Estas se clasifican en dos grandes grupos: caseínas (80 %) y proteínas séricas (20 %). Su concentración varía de 3,0 % a 4,0 % (30-40 g/l). Existe una estrecha relación entre la cantidad de grasa y la cantidad de proteína: cuanto mayor es la cantidad de grasa, mayor es la cantidad de esta última (García y col., 2014). Normalmente, la grasa (lípido) constituye desde el 3,5 % hasta el 6,0 % de su composición. Esta se encuentra presente en pequeños glóbulos suspendidos en agua. Cada glóbulo se encuentra rodeado de una capa de fosfolípidos, que evitan que se aglutinen entre sí, repeliendo otros glóbulos Capítulo 1. Revisión bibliográfica 4 de grasa y atrayendo agua. Siempre que esta estructura se encuentre intacta, la leche permanece como una emulsión (Agrobit, 2021). 1.1.1. La lactosa Es un hidrato de carbono que solo se encuentra en la leche, disuelto y uniformemente distribuido, constituyendo el principal componente de esta después del agua. Es un disacárido formado por la unión de dos azucares, la galactosa y la glucosa. De la misma manera que otros azucares, la lactosa presenta un sabor dulce, pero en comparación con la sacarosa su poder edulcorante es unas seis veces menor. En la leche, este sabor dulce está enmascarado por la caseína, de forma que el suero tiene un sabor dulce más acusado. Puede ser fermentada por determinados microorganismos para producir ácido láctico, gas carbónico y otros componentes importantes como el diacetilo que interviene en la formación del aroma (Spreer, 1991). 1.1.1.1. Fermentaciones de la lactosa. Propiedades químicas del ácido láctico Algunas de las fermentaciones más relevantes de la lactosa en presencia de microorganismos son (Spreer, 1991):  Fermentación láctica: las bacterias lácticas trasforman la lactosa en ácido láctico. Esta fermentación se debe evitar en la leche de consumo líquido, pero se promueve en la elaboración de queso, yogur, etc. Así pues, las bacterias lácticas constituyen los fermentos o iniciadores que se emplean en la fabricación de productos lácteos.  Fermentación propiónica: degradación de la lactosa por bacterias propiónicas, dando lugar a dióxido de carbono, ácido acético y propiónico, que es responsable del aroma característico de los quesos de pasta cocida como el Emmental y Gruyere.  Fermentación butírica: fermentación indeseable originada por bacterias contaminantes del género Clostridium que originan ácido butírico y desprenden hidrógeno (hinchazón tardía) pudiendo llegar a reventar. Dan lugar a olores y sabores nauseabundos en quesos de pasta cocida y prensada, donde las bacterias encuentran las condiciones adecuadas para su desarrollo.  Fermentación ácido-mixta. Las bacterias del grupo coli fermentan la lactosa con formación de ácido láctico, ácido acético, etanol, dióxido de carbono e hidrógeno. La fermentación láctica se lleva a cabo en el citoplasma celular. A través de la glucólisis se obtienen dos moléculas de piruvato a partir de una molécula de glucosa. El transporte y fosforilación de los azúcares ocurre mediante el transporte de glucosa libre y fosforilación por un ATP-dependiente de hexosa quinasa; el transporte también puede ocurrir mediante el sistema de fosfotransferasa de azúcar (PTS) como el fosfoenolpiruvato (PEP). Capítulo 1. Revisión bibliográfica 5 Bajo condiciones de oxígeno limitado y exceso de glucosa, las bacterias acidolácticas homolácticas catabolizan un mol de glucosa en dos moles de piruvato. El balance redox intracelular es mantenido a través de la oxidación de NADH, coordinado con la reducción del piruvato a ácido láctico. Este proceso también produce dos moles de ATP por glucosa consumida (Vjayakumar et al., 2008). Posteriormente, el ácido pirúvico es transformado a ácido láctico por medio de dos moléculas de NADH, siendo uno de los metabolitos principales de las bacterias del género lactobasilo. Esta ruta metabólica se representa en la figura 1.1. Figura 1.1. Metabolismo de la lactosa, galactosa y glucosa en Lactococcus lactis: enzimas responsables de las rutas metabólicas principales (Orozco, 2011) El ácido láctico (ácido 2-hidroxipropanóico) es un compuesto incoloro de fórmula CH3CHOHCOOH y su vez uno de los ácidos hidroxicarboxílicos más comunes (Datta y Henry, 2006). Se da bajo formas ópticamente activas, dextrógiras y levógiras, frecuentemente denominadas ácido D – Láctico y ácido L – Láctico como se observa en la figura 1.2 (Orozco, 2011). En su estado natural es una mezcla ópticamente inactiva compuesta por partes iguales de ambas formas D (-) y L (+), conocida como mezcla racémica (Nancib et al., 2009). Capítulo 1. Revisión bibliográfica 6 Figura 1.2. Ácido L (+) láctico a la izquierda y ácido D (-) láctico a la derecha. C* es el carbono asimétrico de la molécula de ácido láctico (Orozco, 2011). Este origina una disminución del pH indispensable para lograr la coagulación en la elaboración de leches fermentadas. En la figura 1.3 se muestra el comportamiento de la producción de ácido láctico durante la fermentación. Figura 1.3. Producción de ácido láctico durante la fermentación láctica (Mateos, 2001).ºD = 1 mg. de ácido láctico en 10 cm3 de leche. 1.2. Cultivos para la producción de yogurt Los cultivos de yogurt pueden presentar problemas de crecimiento lento o incluso nulo, debido a la presencia de antibióticos en la leche; por lo tanto, el primer requisito previo de cualquier leche que deba ser utilizada en un proceso de fermentación es que, debe estar exenta de agentes antimicrobianos. La inhibición del cultivo iniciador no sólo podría ocasionar pérdidas económicas, sino que posiblemente permitiría que creciesen organismos patógenos. El manejo del cultivo para la producción de yogur requiere higiene y precisión máximas. La función de cualquier fermento o cultivo iniciador es descender el pH de la leche desde 6,4 – 6,7 hasta un pH de 3,8 – 4,2 y desarrollar en el producto final unas características de textura, viscosidad y sabor que respondan a las exigencias del consumidor (Early, 1998). Según (Mateos, 2001), el cultivo para el yogur debe aportar a la leche las bacterias ácido lácticas que son responsables del proceso de acidificación. La fermentación del yogur se debe al trabajo de dos microorganismos: Streptococcus y Lactobacillus, que se desarrollan en simbiosis a lo largo del tiempo de incubación como se representa en la figura 1.2. Capítulo 1. Revisión bibliográfica 7 Figura 1.2. Simbiosis bacteriana (Mateos, 2005). 1.2.1. Etapas en la propagación de cultivos lácteos Éstos van transitando por un proceso de propagación hasta alcanzar el desarrollo requerido para su utilización a escala industrial, identificándose como sigue (López y Madrid, 1996): 1- Cultivo comercial: es el cultivo maestro, el cual es la base para preparar los demás cultivos. Es el que la industria láctea adquiere de los laboratorios. Estos se pueden encontrar en distintas presentaciones: - Líquidos: para la propagación del cultivo madre (forma poco utilizada). - Liofilizados: como un concentrado de cultivos en forma de polvo, para la propagación como cultivo industrial. Congelados: como un concentrado de cultivos para la propagación como cultivo industrial. - Congelados: como cultivos superconcentrados en forma muy soluble para inoculación directa del producto. 2- Cultivo madre: es el cultivo que se prepara a partir del cultivo maestro. Esta preparación se hace diariamente. 3- Cultivo intermedio: es una etapa previa a la producción de grandes volúmenes de cultivo industrial. 4- Cultivo industrial: es el cultivo que se utiliza en el proceso de producción. Los cultivos comerciales más utilizados están compuestos por Lactobacillus delbrueckiissp. bulgaricus y Streptococcus salivariusssp. thermophilus, las cuales establecen una relación de simbiosis (Early, 1998). Streptococcus thermophilus crece más rápido y produce ácido fórmico y dióxido de carbono. El ácido fórmico y el dióxido de carbono producido estimula el crecimiento del Lactobacillus bulgaricus. Así mismo, la actividad proteolítica del Lactobacillus bulgaricus produce péptidos y aminoácidos que estimulan el crecimiento del Streptococcus. Este es el responsable de la caída inicial del pH hasta aproximadamente 5,0, entre tanto Lactobacillus es el responsable del descenso de pH hasta 4,0 (Blasco, Capítulo 1. Revisión bibliográfica 8 2002). Tanto el Streptococcus como el Lactobacillus pertenecen al grupo de las bacterias lácticas homofermentativas, es decir solo forman indicios de otras sustancias como diacetilos, acetaldehído, etc. junto con ácido láctico que representa del 90 al 97 % de la lactosa fermentada. El método de control del cultivo es muy importante en la manufactura del yogur y es por esta razón que el cultivo madre debe ser mantenido en óptimas condiciones antes de ser inoculado a la leche (Mateos, 2005). El pH óptimo de desarrollo del S. thermophilus es de 6,8 y del Lb. bulgaricus es 6,0; los primeros alcanzan en una acidez entre 0,85 % a 0,95 %, mientras que los últimos llegan a una acidez de 1,20 % a 1,50 %. La producción de cultivos madre es uno de los procesos más importantes que se realizan en la industria láctea y también más dificultosa de realizar, por los diversos factores que se necesitan tomar en cuenta para su producción. Los equipos para la producción deben ser bien elegidos y el proceso a emplearse debe ser lo más eficiente posible para evitar cualquier riesgo de contaminación por mohos, levaduras y bacteriófagos que abundan en el ambiente. El cultivo iniciador, también es conocido como fermento, se utilizan para los productos lácteos acidificados. El fermento es añadido y se deja crecer bajo condiciones controladas. En el transcurso de la fermentación las bacterias producen sustancias que dan al producto sus características como acidez, sabor, aroma y consistencia. La caída de pH, que se produce cuando las bacterias fermentan la lactosa, produce ácido láctico. Este tiene un efecto conservador y a la vez mejora su valor nutritivo y digestibilidad. Las bacterias usadas en la acidificación para la producción de yogur son Lactobacillus Bulgaricus y Streptococcus Termophillus. El cultivo industrial es el utilizado en el proceso de producción a gran escala, el cual es desarrollado con leche en polvo o fluida e inoculado con el cultivo técnico, anteriormente preparado en el laboratorio. 1.3. Fermentación Según (UPC, 1998), la fermentación o acidificación está formada por dos fases: siembra e incubación. La siembra consiste en la inoculación de las bacterias especificas del yogur, Lb. bulgaricus y S. thermophilus. Para evitar problemas de un aporte excesivo de ácido láctico y de leche cuajada e inclusive una acidificación demasiado rápida, la cantidad de siembra debe ser de 0,5-1 % hasta 5-7 % considerando la vitalidad de los cultivos y recordando que para tener una acidificación uniforme, la mezcla de las bacterias en la leche debe ser uniforme. Según (Mahaut, 2004), la fase de incubación corresponde al desarrollo Capítulo 1. Revisión bibliográfica 9 de la acidez del yogur y depende de dos factores: la temperatura y el tiempo como se muestra en la figura 1.3, donde se destacan las tres que experimentan las dos cepas de bacterias acidolácticas. Figura 1.3. Actividad acidificante a distintas temperaturas de fermentación con sus respectivas etapas (Nigro y Nugnes, 2018) La temperatura debe elegirse próxima a la temperatura óptima de desarrollo del S. thermophilus, es decir entre los 42 – 45 ºC (durante 2 horas y 30 minutos), ya que es preferible que los Streptococcus inicien la fermentación, por otro lado, una temperatura comprendida en este rango, asegura una simbiosis óptima. El objetivo de esta fase es alcanzar un 0,9 % ácido láctico o pH 4,6. Si la leche está libre de inhibidores, la actividad de microorganismos está determinada principalmente por la temperatura de incubación y la cantidad de inóculo agregado. Mientras mayor sea la diferencia con la temperatura óptima y menor sea la cantidad de inóculo agregado, mayor será el tiempo de fermentación (Blasco, 2002). La evolución de los equilibrios de las poblaciones varía en función de las condiciones del cultivo (pH y temperatura), pero al final de la fermentación, casi siempre predominan los Streptococcus (Blasco, 2002). La fermentación se puede llevar a cabo a temperatura constante o a temperatura decreciente. En el segundo caso después de un cierto tiempo de incubación se detiene el aporte de calor para que la temperatura vaya descendiendo progresivamente. Se debe enfriar el producto para terminar el desarrollo de acidez. Se recomienda enfriarlo a 22-24 ºC ya que a esa temperatura se inhibe el desarrollo de las bacterias (Blasco, 2002). En estudios realizados se determinó que, tanto la acidez como la viscosidad del yogur, son controladas por la asociación de las sepas utilizadas para la fermentación y por las condiciones experimentales; a su vez la acidificación es significativamente influenciada por la temperatura de incubación, mientras más alta sea esta, menor será el tiempo necesario Capítulo 1. Revisión bibliográfica 10 para alcanzar la taza de acidificación máxima es decir, que un yogur fermentado entre 43- 45 ºC acidificará más rápido que el sometido a una incubación entre 35 y 38 ºC. 1.3.1. Problemas relacionados con la acidificación Según (Mahaut, 2004), algunos de los defectos en aspecto y textura relacionados con la acidez son:  Decantación y sinéresis, que generalmente se deben a una mala fermentación (sobre- acidificación o post-acidificación), como consecuencia de una temperatura demasiada elevada o una refrigeración excesivamente larga.  Falta de firmeza: se produce cuando la proporción de inóculo es muy baja o debido a condiciones de incubación inadecuadas por tiempo y/o temperatura insuficientes.  Textura arenosa, que pude deberse a muchos factores: extracto seco demasiado alto, tratamiento térmico muy fuerte, homogeneización a temperatura excesivamente elevada, acidificación irregular. 1.4. Fermentador Un fermentador es un recipiente que provee condiciones adecuadas a una cepa microbiana para que pueda generar eficientemente un determinado metabolito. Actualmente el término fermentador o biorreactor pueden ser considerados como sinónimos (Hochefeld, 2006). Es un sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo; en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra microorganismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de los mismos; el cual puede ser aeróbico o anaeróbico (Rojas y González, 2011). Su diseño debe ser tal que asegure un ambiente uniforme y adecuado para los microorganismos; donde se busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etc.) al elemento que se cultiva (Rojas y González, 2011). Las que tareas que se requieren de un biorreactor son: A. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo a fin de prevenir la sedimentación o la flotación. B. Mantener constante y homogénea la temperatura. C. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes. D. Poseer un diseño que permita mantener el cultivo puro; una vez que todo el sistema ha sido esterilizado y posteriormente sembrado con el microorganismo deseado. La eficiencia de un fermentador depende de la concentración de biomasa, el mantenimiento de las condiciones asépticas, la transferencia de masa y energía, y del mantenimiento de las condiciones óptimas de operación (Karanthald y Raj, 2005). Capítulo 1. Revisión bibliográfica 11 Los fermentadores se distinguen por su configuración y diseño. En la tabla 1.1, se mencionan algunas ventajas y desventajas de difrentes tipos de fermentadores usualmente utilizados. Tabla 1.1. Ventajas y desventajas de diferentes tipos de fermentadores Tipo de fermentador Ventajas Desventajas Tanque Agitado Flexible y adaptable; Amplia intensidad de mezclado; Maneja medios de alta viscosidad Alto consumo de energía; Destrucción de las células, sensibles al cizallamiento; Alto costo Columna Burbuja Simple, no posee partes móviles; Bajo costo; Alta concentración de células No garantiza un buen mezclado; Excesiva formación de espuma; Limitado a sistema de baja viscosidad Air Lift Simple, no posee partes móviles; Buena transferencia de calor; Alta eficiencia en la absorción de gas No garantiza un buen mezclado; Excesiva formación de espuma; Limitado a sistemas de baja viscosidad Fuente: (Rojas y González, 2011) Para satisfacer estas condiciones es necesario que el biorreactor esté provisto de un sistema adecuado de agitación. Para que la distribución sea uniforme durante el cultivo se utiliza un tanque para contenerla; si se trabaja un proceso aeróbico se requiere de un sistema que inyecte aire en el cultivo. 1.4.1. Sistema de agitación empleado en fermentadores La agitación es un factor clave en el diseño de los fermentadores, pues con ella se logra la homogeneidad de la mezcla reaccionante y se favorecen los fenómenos de transferencia de masa y energía, incrementando la conversión en el fermentador. En algunos casos la agitación se garantiza con el burbujeo de aire (sistemas aerobios), mientras que en otras ocasiones (sistemas anaerobios y algunos aerobios) se utilizan agitadores mecánicos (Rojas y González, 2011). Los fermentadores de tanque agitado son muy empleados en todas las escalas de producción. Generalmente, constan de un recipiente cilíndrico cerrado en su parte superior con una tapa que puede ser elipsoidal o semiesférica y suelen ser diseñados con el fondo redondeado para eliminar zonas de estancado (Hochefeld, 2006). Habitualmente sólo el 70- 80 % del volumen del fermentador se llena con líquido (Najafpour, 2007). El mezclado se debe al movimiento rotatorio de los agitadores unidos a un eje situado concéntricamente con el recipiente (eje de potencia); éste es accionado con un motor. Capítulo 1. Revisión bibliográfica 12 1.4.1.1. Agitadores de paleta Por lo general son agitadores de palas planas que giran sobre un eje vertical y cumplen eficazmente problemas sencillos de agitación. Son frecuentes los de dos o cuatro palas. Estas giran a bajas o moderadas velocidades en el centro del estanque, impulsando el líquido radial y tangencialmente, sin que haya prácticamente movimiento vertical a excepción de que las placas se encuentren inclinadas. Las corrientes que generan se desplazan hacia fuera hasta la pared del estanque y después hacia arriba o hacia abajo. En estanques de gran altura se instalan varias palas, unas sobre otras, en un mismo eje. Este tipo de agitadores giran a velocidades comprendidas entre 20 y 150 rpm aproximadamente. La longitud total de un rodete de palas comprende entre el 50 y el 80 % del diámetro interior del estanque y la anchura de la pala es de 1/6 a 1/10 de su longitud (McCabe y col., 2007). 1.5. Escaldo de reactores agitados El escalado de reacciones en vasos agitados consiste en seleccionar las variables de mezclado para conseguir el rendimiento deseado tanto en la escala piloto como en la gran escala. Esto es a menudo una tarea difícil, a veces incluso imposible, usando similitud geométrica, por lo que el uso de impulsores no geométricos en la planta piloto comparados con los impulsores utilizados a escala industrial, a menudo permite una modelación más cercana a los requisitos de mezclado que deben alcanzarse (Perry and Green, 1999) Para las operaciones de mezclado, el criterio de escalado se da habitualmente como una ecuación general (Montante et al., 2003): NDn 𝑖= constante. Donde N es la velocidad de rotación y Di es el diámetro del impulsor. El exponente (n) depende de las características específicas del proceso. En reactores de suspensión agitados, este tipo de criterio de escalado es frecuentemente derivado de estudios relativos a la mínima velocidad rotacional para la suspensión total de los sólidos. Los valores de 𝑛 derivados de diversos estudios sobre la calidad de la distribución de los sólidos se encuentran entre 0,67 (turbina de simple hoja inclinada) y 0,93 (turbina de múltiple hojas inclinadas y turbinas Rushton múltiples) (Montante et al., 2003). La ecuación general para el movimiento de fluido en un sistema de mezcla no contiene menos de 13 términos. De estos términos, 9 definen las condiciones geométricas. Si estos se pueden fijar, y se respeta la similitud geométrica de forma estricta, la ecuación se puede simplificar y escribir como 𝑁𝑝 = 𝐶𝑅𝑒𝑚𝐹𝑟𝑛, donde Np es el número de potencia, 𝑅𝑒 es el número de Reynolds, 𝐹𝑟 es el número de Froude y C es el factor de forma. La gran mayoría de las operaciones de mezclado pueden ser manejadas por esta ecuación. Es importante Capítulo 1. Revisión bibliográfica 13 destacar que el número de potencia para un sistema particular es independiente del tamaño del vaso. Esta es la razón por la cual los experimentos en modelos muy pequeños pueden ser utilizados para determinar las características de potencia de los sistemas de mezclado en la planta a gran escala. Generalmente, la suspensión de sólidos en vasos a gran escala se mantiene por velocidades de agitación inferiores en comparación con los vasos pequeños, si se aplica la similitud geométrica. También pueden aparecer grandes diferencias en relación con los requerimientos de potencia entre la pequeña y la gran escala, debido a que la potencia por unidad de volumen P varía con N3Di 2 de acuerdo con la ecuación de Zwietering (McCabe et al., 1983). Los números de Reynolds en tanque grandes serán más elevados, típicamente del orden de 5 a 25 veces más altos, que los tanques pequeños. Para una entrada de potencia específica, debe prestarse mucha atención a la relación 𝐷𝑖 𝐷⁄ durante el escalado. Esta relación depende en gran medida de la naturaleza de la agitación y puede tomar los siguientes valores óptimos: ▪ 0,25 para dispersar un gas en un líquido. ▪ 0,40 para el contacto de dos fluidos inmiscibles. ▪ 0,60 o más para algunas operaciones de mezclado. Al mantener la entrada de potencia estable en una operación específica, la velocidad del impulsor es inversamente proporcional al tamaño del impulsor. En general, las operaciones que dependen de grandes gradientes de velocidad, se logran satisfactoriamente con impulsores pequeños; mientras que los impulsores grandes, de movimiento lento, se deben utilizar preferiblemente para las operaciones que dependen de altas tasas de circulación (McCabe et al., 1983). 1.6. Propiedades nutricionales de la soya para su utilización en la industria alimentaria. La soya es milenaria, tan antigua como las lentejas o el trigo. Esta legumbre proviene del continente asiático desde hace más o menos 5000 años y era considerada como un alimento de gran valor. Es rica en nutrientes de primer orden en cuanto a su composición en proteínas, grasas, vitaminas, minerales y otros elementos esenciales para el organismo humano. Por esta razón su consumo se ha incrementado en todo el mundo y, aunque sus orígenes son de la cocina oriental, se encuentra incorporada cada vez en mayor medida en casi todos los países del mundo. La soya es rica en fibra y contiene entre 30 y 50 % de proteína vegetal, 20 % de grasas saludables, 24 % de carbohidratos complejos, además de Capítulo 1. Revisión bibliográfica 14 vitaminas A, E y del complejo B; contiene minerales como calcio, cobre, hierro y zinc. Sus proteínas son de alto valor biológico frente a las restantes legumbres poseedoras de un valor nutritivo menos completo, pues dicho valor proteico está determinado por la cantidad y la calidad de sus aminoácidos (MINAL, 2016). 1.6.1. Yogurt de soya. Características generales, valor nutritivo y beneficios para la salud El yogurt de soya es muy saludable pues combina las propiedades nutricionales de la soya con las ventajas para la salud del yogur desde el punto de vista de la asimilación, valor nutritivo y conservación de la salud. Se hace fermentando la leche de soya con bacterias amigables, principalmente Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus (MINAL, 2016). Está compuesto de grasas de tipo insaturadas con ausencia total de colesterol y sus proteínas vegetales son de elevada calidad al poseer todos los aminoácidos esenciales para el organismo y varios otros nutrientes de primer orden. Al no contener ni el azúcar ni las proteínas de la leche, los yogures de soya son aptos en la dieta de las personas intolerantes a la lactosa y las alérgicas a la caseína (Othmer, 1998). Existen tres tipos principales de yogurt: firme, batido y líquido, aunque se pueden mencionar algunos otros como congelado, deshidratado, etc., cada uno de ellos en forma natural o adicionada con sabores o con fruta. Los tipos de yogurt rígido y batido tienen alto contenido en sólidos (14 a 18 %) y en lo único que varían es en el proceso de elaboración. Por lo general, para aumentar el contenido de sólidos, el aumento de concentración se hace por evaporación, ósmosis inversa, ultrafiltración y adición de leche descremada en polvo (Navarrete, 2000). Debido a su elevada calidad nutritiva, está indicado en todas las edades así como durante embarazo y lactancia. En los niños, el yogur de soya garantiza la mayor parte de los nutrientes necesarios, incluido el calcio, para el crecimiento psíquico y motor, así como las cantidades necesarias de calorías. Por eso debe formar parte de una dieta balanceada. En la adolescencia, cuando se produce un rápido proceso de crecimiento, maduración y desarrollo corporal y sexual, con aumento de la actividad física y de las tareas docentes, deportivas y recreativas, es necesario el consumo de alimentos variados y nutritivos donde el yogur se soya juega un importante papel. El adulto mayor requiere de una alimentación acorde a la edad, es por ello que en este grupo poblacional ofrece posibilidades ventajosas de combinar una sana alimentación, pues proporciona vitaminas con propiedades Capítulo 1. Revisión bibliográfica 15 antioxidantes, calcio en la prevención de la osteoporosis y grasas de tipo insaturado capaces de evitar enfermedades crónicas frecuentes a estas edades (CUBAHORA, 2018). Se ha demostrado la prevención de enfermedades del corazón con una alimentación baja en grasas saturadas y colesterol asociada al consumo de 25 gramos de proteína y fibra de soya al día. El yogur de soya puede ayudar a regular determinadas enzimas capaces de afectar los niveles de azúcar en sangre en personas con diabetes mellitus tipo 2. El alto contenido en zinc de la soya facilita a nuestro organismo la asimilación y el almacenamiento de la insulina. Al ser un alimento rico en potasio ayuda a una buena circulación, regulando la presión arterial, por lo que es un alimento beneficioso para personas que sufren de hipertensión. Como este tipo de yogur contiene lactobacterias saludables puede ayudar a mantener el colon y el sistema digestivo saludable, reduciendo el riesgo de cáncer de colon; además, bloquea la absorción de ciertas sustancias nocivas antes de que puedan llegar a ser causantes de cáncer en otras partes del cuerpo. Los alimentos a base de soya, se asocia con un menor riesgo de fracturas óseas en la tercera edad y también ayuda a controlar la obesidad y los síntomas de la menopausia debido a sus fitoestrógenos (CUBAHORA, 2018). 1.6.1.1 Caracterización de la UEB Productos Lácteos Villa Clara. Proceso de elaboración del yogurt de soya En la UEB La Villareña de la Empresa de Productos Lácteos Villa Clara perteneciente al Ministerio de la Industria Alimentaria (MINAL), fue constituida oficialmente a partir de 1975. El establecimiento Santa Clara está ubicado en carretera de Circunvalación y carretera de Manicaragua, municipio Santa Clara, provincia Villa Clara. La fábrica abarca un área total de 36000 m2 y su construcción es de base de paneles de prefabricado. Hoy cuenta con cuatro secciones: recepción y pasteurización de leche, fabricación y fundición de queso, fabricación de yogurt natural, molida y fabricación de yogurt de soya, además de un área de preparación de cultivo industrial. Hace poco tiempo el establecimiento instaló una planta pequeña para la fabricación de helado. El objeto social del establecimiento es amplio pues garantiza el abastecimiento de productos alimenticios a niños y ancianos. Tiene como objetivos principales el estricto cumplimiento de la distribución a la canasta básica de sus diversas producciones así como hospitales, círculos infantiles, hogares de ancianos y dietas médicas. Produce, distribuye y comercializa de forma mayorista leche fluida, leche en polvo, mezclas físicas alimenticias en polvo, yogurt, helados, productos derivados de la leche, quesos y otros productos lácteos y sus análogos, así como productos derivados de la soya (Laureiro, 2009). Capítulo 1. Revisión bibliográfica 16 Dentro de los sistemas auxiliares de la fábrica se encuentra el sistema de refrigeración, conformado por tres bancos de hielo, tres compresores y una bomba; dentro de esta área también se encuentra una cisterna con capacidad de 900 m3 y otra de 300 m3. El sistema de generación de vapor consta de tres calderas, un tanque de calentamiento de combustible y dos suavizadores de agua de control automático. Dentro de los servicios generales se encuentra el taller de maquinado y la nevera. El establecimiento está ubicado en una zona donde no existen fuentes de contaminación ambiental que puedan afectar la inocuidad del alimento. No está expuesta a inundaciones ni a infecciones de plagas y los desechos líquidos y sólidos pueden retirarse de forma eficaz. Los residuos líquidos se eliminan de todas las fases del proceso productivo sin causar contaminación del agua potable, ni al producto en proceso, los cuales son tratados mediante una planta de residuales con el objetivo de no contaminar el medio ambiente. Dispone de instalaciones para el almacenamiento de los desechos y materias no comestibles antes de su eliminación (Legarreta, 2017). El proceso para la obtención de yogurt de soya que se desarrolla en el centro, consta de nueve etapas que incluyen el envase y almacenamiento. En estas ocurren fenómenos físicos y microbiológicos como se muestra en la figura 1.4. Figura 1.4. Diagrama de flujo del proceso de producción de yogurt de soya en la UEB Productos Lácteos Villa Clara Este comienza con la hidratación del grano de soya que tiene como objetivo su ablandamiento para que la operación de molienda se realice con la calidad requerida. Para Capítulo 1. Revisión bibliográfica 17 ello la soya es trasladada manualmente al embudo y mediante el dosificador de 13 kg/min se agrega al tornillo sinfín que trabaja a contracorriente con agua caliente a una temperatura de 85 ºC, controlada con un lazo de control de vapor de agua el cual está compuesto por una válvula motorizada, un suavizador de temperatura y un regulador PID. Conjuntamente con este procedimiento se prepara una disolución de bicarbonato de sodio al 5 %, la cual es adicionada al tornillo sinfín con el objetivo de facilitar el ablandamiento del grano. Se procede a la trituración del grano de soya al tamaño establecido para seguir siendo procesado, mediante el primer molino. En esta etapa se utiliza agua con un flujo de 90 a 100 L/min a una temperatura de 85 ºC para obtener una leche de soya con presencia de solidos que requieren una segunda molienda. Antes de la segunda trituración, se procede a pasteurizar la leche de soya para eliminar el inhibidor tripsina que pueda contener, haciéndola pasar al calefactor donde existe una presión de 0,35 a 0,4 MPa y una temperatura de 140 ºC. Esta es enviada al serpentín o retenedor donde el producto se retiene 6 min para garantizar que se haya eliminado completamente el inhibidor y un mejor ablandamiento de la pasta de soya. Conjunto con esta etapa se prepara el sirope con el objetivo de eliminar posibles aportes de levadura de la pasta de soya; para el cual se pesa la cantidad de azúcar de la misma proporción que la soya, se mezcla con agua, carbonato de calcio y color; calentándolo a una temperatura de 85 ºC alrededor de 30 min. Este sirope no debe prepararse más allá de 6 horas previas a su utilización. Una vez obtenido la pasta de soya pasteurizada con una temperatura de 135 ºC pasa a la segunda molienda. En caso de que los sólidos presentes no cumplan con los requerimientos establecidos, se retorna al molino 1. Para realizar la segunda molienda se debe verificar que las mallas del molino se encuentren en perfectas condiciones. Los sólidos en esta etapa deben de estar entre un 16,8 y 17,3 % y una densidad de 1,02 kg/L con una acidez de 0,05 a 0,009 %. Para controlar la eficiencia de esta etapa se verifica que la leche de soya tenga un color crema clara, homogénea, sin partículas en suspensión y sin sedimento. Luego se estandariza para elevar el volumen de la leche de soya a 5000 L por tanque. Seguido se hace circular agua al tiempo para bajar la temperatura a 50 ºC en un período aproximado de 90 min, alcanzada esta temperatura se cierra la entrada de agua y comienza a circular agua helada para proceder a bajar temperatura de 40 a 42 ºC. La adición del cultivo industrial a los tanques fermentadores se debe realizar, con un 7 % de cultivo después de haber añadido el sabor, con la diferencia de que hay que esperar de 150 a 180 min para que el cultivo forme el coagulo tradicional de la masa objeto de la Capítulo 1. Revisión bibliográfica 18 fermentación. Alcanzada la acidez establecida se procede a romper el coagulo y a enfriar el yogurt. Junto con el cultivo debe añadirse la Vitamina A en una proporción de 5 g/t según lo establecido en la norma NEIAL1600.55 2020 (Anexo 1). 1.7. Correlación múltiple Los coeficientes de correlación son medidas que indican la situación relativa de los mismos sucesos respecto a las dos variables, es decir, son la expresión numérica que nos revela el grado de relación existente entre las mismas y en qué medida se relacionan. Son números que varían entre los límites +1 y -1 como se muestra en la tabla 1.2. Su magnitud demuestra el grado de asociación entre las variables; el valor r = 0 indica que no existe relación entre las variables; los valores ± 1 son indicadores de una correlación perfecta positiva (al crecer o decrecer 𝑋, crece o decrece 𝑌) o negativa (al crecer o decrecer 𝑋, decrece o crece 𝑌). Cuando se estudian en forma conjunta dos características (variables estadísticas) de una población o muestra, se dice que estamos analizando una variable estadística bidimensional. La correlación es el grado de relación que existe entre ambas características, y la regresión es la forma de expresar matemáticamente dicha relación. Dado dos variables, la correlación permite hacer estimaciones del valor de una de ellas conociendo el valor de la otra variable (Suárez, 2017). Tabla 1.2. Significado de los valores de los coeficientes de correlación Valor Significado -1 Correlación negativa grande y perfecta -0,9 a -0,99 Correlación negativa muy alta -0,7 a -0,89 Correlación negativa alta -0,4 a -0,69 Correlación negativa moderada -0,2 a -0,39 Correlación negativa baja -0,01 a -0,19 Correlación negativa muy baja 0 Correlación nula 0,01 a 0,19 Correlación positiva muy baja 0,2 a 0,39 Correlación positiva baja 0,4 a 0,69 Correlación positiva moderada 0,7 a 0,89 Correlación positiva alta 0,9 a 0,99 Correlación positiva muy alta 1 Correlación positiva grande y perfecta Fuente: (Suárez, 2017) Una correlación múltiple (𝑅) es el coeficiente de correlación entre una variable criterio (𝑌) y la combinación linear de las variables llamadas predictoras (𝑋) que también se pueden https://www.monografias.com/trabajos6/lide/lide.shtml https://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml https://www.monografias.com/trabajos15/valoracion/valoracion.shtml#TEORICA Capítulo 1. Revisión bibliográfica 19 denominar variables independientes. El término predictor es habitual aunque según la finalidad que se busque puede resultar ambiguo. La correlación múltiple ajustada es una correlación múltiple reducida que pretende ser una estimación de 𝑅2 en la población, no en la muestra. Esta reducción la hacemos porque cuando aumenta el número de predictores o variables independientes (𝑘) aumenta el valor de 𝑅 de manera artificial (se capitaliza en los errores de medición), sobre todo si el número de sujetos es relativamente bajo (de hecho cuando 𝑘 + 1 = 𝑁, tendremos que 𝑅 = 1). Aunque es deseable un valor alto de 𝑅2 para explicar de manera más completa la varianza de la variable dependiente (variable 𝑌, objeto de nuestro estudio), no hay que ir añadiendo variables independientes para su aumento, sino seleccionar cuidadosamente las variables independientes que van a entrar en la ecuación (Vallejo, 2021). El coeficiente de correlación más utilizado es el de Pearson. Es un método propio de la estadística paramétrica, que no solo se usa para conocer la relación entre dos variables cuantitativas, sino también para la predicción de una variable (CIMEC, 2021). Este oscila entre 1- y 1 y su interpretación está dada por:  Un valor menor que 0 indica que existe una correlación negativa, es decir, que las dos variables están asociadas en sentido inverso. Cuánto más se acerca a -1, mayor es la fuerza de esa relación invertida (cuando el valor en una sea muy alto, el valor en la otra será muy bajo). Cuando es exactamente -1, eso significa que tienen una correlación negativa perfecta.  Un valor mayor que 0 indica que existe una correlación positiva. En este caso las variables estarían asociadas en sentido directo. Cuanto más cerca de +1, más alta es su asociación. Un valor exacto de +1 indicaría una relación lineal positiva perfecta.  Finalmente, una correlación de 0, o próxima a 0, indica que no hay relación lineal entre las dos variables. La representación gráfica de los datos es muy útil para visualizar la relación existente entre las variables, ya que hay que tener en cuenta que a veces existen relaciones entre variables que no son lineales. A continuación se presentan algunas características del coeficiente de correlación de Pearson: 1. El valor del coeficiente de correlación es independiente de cualquier unidad usada para medir las variables, lo que sin duda es una ventaja. 2. Cuando hay valores extremos en alguna de las variables, el valor del coeficiente de correlación puede verse alterado de forma importante. En estas situaciones, si a pesar de ello queremos aplicarlo, es conviene realizar una transformación de datos (por ejemplo, la Capítulo 1. Revisión bibliográfica 20 transformación logarítmica), cambiando la escala de medición para moderar el efecto de valores extremos. 3. Cuanto más grande es la muestra, más preciso será el coeficiente de correlación. Con muestras muy pequeñas puede que esté indicado aplicar otro coeficiente de correlación, de tipo no paramétrico (ejemplo: Coeficiente de Correlación de Spearman). 5. El coeficiente de correlación mide solo la relación con una línea recta, pero puede que nuestras dos variables tengan una relación diferente. Por ejemplo, al representarlas gráficamente podemos encontrar que tienen una relación curvilínea, y no en línea recta. En este caso el coeficiente de correlación de Pearson, que mide la relación lineal, nos daría un valor pequeño, a pesar de que en realidad las dos variables tienen asociación entre sí (solo que ésta es de tipo no lineal). 6. Debemos tener claro que decir que hay correlación no es lo mismo que decir que existe causalidad. Es decir, la causa de que una variable varíe en cierto sentido no es que la otra se mueva (o viceversa). Puede haber otros factores ajenos u otras variables, al margen de estas dos, que en realidad sean la causa de estos movimientos. 1.8. Prueba t de Student La prueba t de Student es un tipo de estadística deductiva. Se utiliza para determinar si hay una diferencia significativa entre las medias de dos grupos. Con toda la estadística deductiva, asumimos que las variables dependientes tienen una distribución normal. Especificamos el nivel de la probabilidad (nivel de la alfa, nivel de la significación, 𝑝) que estamos dispuestos a aceptar antes de cercar los datos (𝑝 < 0,05 es un valor comúnmente utilizado). A continuación se muestran cinco factores que contribuyen a indicar si la diferencia entre dos medias de grupos se puede considerar significativa (S.E.F.O, 2019): 1. Cuanto mayor es la diferencia entre las dos medias, mayor es la probabilidad que una diferencia estadística significativa existe. 2. La cantidad de traslapo que existe entre los grupos (es una función de la variación dentro de los grupos). Cuantas más pequeñas son las variaciones que existen entre los dos grupos, mayor es la probabilidad de una diferencia estadística significativa 3. El tamaño de la muestra es extremadamente importante en la determinación de la significación de la diferencia entre las medias. Aumentando el tamaño de la muestra, las medias tienden a ser más estables y representativas. 4. Un nivel más grande de ∝ requiere menos diferencia entre las medias (𝑝 < 0,05). 5. Se debe utilizar una hipótesis (con dos colas) no directivas. Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 21 CAPÍTULO 2. ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y PROPUESTA TECNOLÓGICA 2.1. Tecnologías y procedimiento metodológico para la elaboración del cultivo industrial En la etapa de elaboración del cultivo industrial se hace necesario la preparación previa del cultivo técnico el cual tiene que cumplir con las especificaciones de calidad de la norma NRIAL 084:8. En el recipiente del viscubator se prepara la magra reconstituida, la cual se favorece con calentamiento y agitación hasta lograr su completa dilución. Los recipientes que contienen la leche son colocados en el viscubator y se procede a calentarlos en un baño de agua caliente hasta que alcance la temperatura de 363-368 ºK (90-95 ºC) y se mantiene a esa temperatura, agitando en distintos momentos, durante 20 minutos para lograr la eliminación de los microrganismos patógenos. Luego se procede a refrescar el baño pasando agua helada hasta la temperatura de 315-318 ºK (42-45 ºC) esta temperatura debe ser comprobada con un termómetro en el propio recipiente puesto que, este es el rango óptimo para la inoculación de la leche con un 2 % del cultivo comercial, y se comienza con el tiempo de incubación de 2 horas y media. Durante este tiempo debe vigilarse que no existan alteraciones significativas de la temperatura puesto que con un cambio de esta variarían los parámetros de la acidez. Si pasado este tiempo no se alcanza la acidez requerida y demás parámetros se conecta el equipo en circulación de agua helada hasta lograr bajar la temperatura de 277 ºK y 279 ºK (4 ºC - 6 ºC) manteniéndose frio hasta que se efectúe la siguiente operación. Estos cultivos no deben utilizarse después de las 72 h. Posterior a esta etapa se procede con la preparación del cultivo industrial en el fermentador destinado para este fin el cual contiene la leche fluida. Esta primeramente pasa por un proceso de pasteurización, suministrándole al fermentador vapor para alcanzar una temperatura de 363-368 ºK (90-95 ºC). Una vez alcanzada esta temperatura se mantiene durante 20 min y se comienza a suministrar agua agitando la leche para obtener una temperatura comprendida entre 315 y 318 ºK (42-45 ºC), óptima para su inoculación. Esta se inocula con el 7 % del cultivo técnico y un tiempo de agitación de 15 a 20 min hasta que ocurra la total dispersión del cultivo en la leche. Transcurrido un tiempo de 2 ½ horas, se muestrea el cultivo y mediante análisis de laboratorio se verifica si ya alcanzado un 0,6 % de acidez. Seguidamente se enfría hasta que alcance una temperatura comprendida entre 277 ºK y 279 ºK (4 ºC - 6 ºC), durante este proceso se van tomando muestras del cultivo para controlar la acidez del mismo. Posterior a esto se deja reposar durante 12 a 24 h a esta temperatura. Una vez elaborado el cultivo industrial, este no debe permanecer almacenado durante más de 48 h. En el caso que se fabrique otra masa dentro de este intervalo de tiempo, no deberá mezclarse con el cultivo envejecido dentro del mismo tanque Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 22 de almacenamiento. Este cultivo debe cumplir con una acidez de 1,2 % expresada en ácido láctico a las temperaturas finales anteriormente expresadas. En la figura 2.1 se representa el procedimiento secuencial para la elaboración y evaluación del cultivo industrial. Inicio Incubar (150 min) Pasteurizar (90-95 ◦C) Enfriar (42-45 ◦C) Inocular (7 %) la leche fluida de vaca Prueba de acidez del medio (0,6 %) Acidez requerida No Prolongar el tiempo de incubación 30 min Enfriar (4-6 ◦C) Sí Madurar (13 h) Prueba de acidez del medio (1,18 %) Acidez requerida Sí No Prolongar el tiempo de maduración (máximo 11 horas) Inocular leche de soya Fin Figura 2.1. Procedimiento heurístico para la elaboración y evaluación del cultivo industrial La planta de producción de yogurt de soya está instalada para una capacidad de 30000 L por día con 6 tanques, cada un volumen de trabajo de 5000 L para inocular cada tanque se necesita 350 L de cultivo industrial. Para la fabricación de este cultivo se cuenta con un fermentador de 1000 L el cual permite inocular solo el 50 % de la capacidad instalad. Por Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 23 lo que es necesario emplear un fermentador de mayor capacidad, que permita la obtención del cultivo industrial con los requerimientos establecidos según la metodología presentada en la figura 2.1. 2.1.1. Establecimiento de la simbiosis deseada en los cultivos La parte fundamental para la obtención de un cultivo con todas las propiedades fundamentales es la realización de la simbiosis, en aquellos donde participan dos grupos fundamentales de microorganismos con diferentes temperaturas optimas de desarrollo. Con el establecimiento de la simbiosis se logra el sabor y aroma característico del producto, la disminución del tiempo en los procesos industriales y la seguridad de los mismos. Además hace que disminuya el tiempo de elaboración del producto ya que las especies se ayudan en su desarrollo. Entre los factores que son necesario tomar en cuenta para el establecimiento de la simbiosis se encuentra la temperatura, la relación de bacterias y el tiempo de incubación. Para ello se colocan en el medio los dos microrganismos o grupos al mismo tiempo, pero manteniendo lo más cerca posible la temperatura optima del microrganismo que se desee desarrollar primero. Después de realizar la simbiosis es necesario continuar con los pases hasta que se observe un cultivo de buena calidad que cumpla con la acidez requerida explicada anteriormente, que en su morfología tengan presencia de bacilos fuertes y cocos diplo. Estos no deben ser alargados y finos pues es señal de que el cultivo está perdiendo calidad, para ello se debe mantener la misma temperatura; un aumento de esta provocaría la formación de grumos y decadencia de la acidez, por otro lado un descenso de la temperatura trae consigo la formación de bacilos, lo que hace que aumente la acidez y viscosidad a parámetros fuera de lo establecido. 2.2. Metodología para la evaluación de la acidificación del cultivo industrial Esta metodología tiene como objetivo establecer un procedimiento para determinar la acidez en el cultivo industrial. El método se basa en la neutralización de las funciones acidas del producto, mediante la adición de una base en presencia de un indicador cromático, cuyo cambio de color evidencia el punto final de la reacción. Inicialmente se pesaron 9 gramos de la muestra de ensayo en una cápsula de porcelana con un error máximo de ± 0,1 g. Luego se añadió 9 ml de agua destilada y 5 gotas de fenolftaleína, y se homogenizó la muestra. Con una solución de hidróxido de sodio 0,1 N contenida en una bureta de 25 ml graduada en 0,1 ml, se realizó la valoración hasta obtener un color rosa tenue que perduró al menos durante 30 segundos. Para determinar la acidez Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 24 de la muestra expresada en ácido láctico, se multiplicaron los ml de solución de hidróxido de sodio 0,1 N consumidos por el factor 0,1. 2.3. Diseño experimental y análisis estadístico De forma general se siguió el procedimiento que se representa en la figura 2.2. Inicio Toma de datos experimentales Ajuste a un modelo Prueba de bondad de Ajuste del Modelo Validación del modelo Fin Figura 2.2. Procedimiento para la determinación del modelo de la curva de acidificación Para la evaluación del comportamiento de la acidificación del cultivo, se tomó en consideración el efecto del tiempo (𝑋1) y la temperatura (𝑋2) (variables independientes). Las medidas fueron realizadas siguiendo los tiempos definidos en la Tabla 2.1, después de inoclular con 7 % del cultivo técnico Bioyogurt BY. Tabla 2.1. Medidas experimentales del porciento de acidez en las muestras de cultivo industrial No. de corridas Tiempo (h) Temperatura (ºC) Acidez (%) 1 0 44 0,62 2 0,5 41 0,74 3 1 38 0,85 4 1,5 31 0,95 5 2 24 1,03 6 2,5 13 1,10 7 3 8 1,15 8 3,5 6 1,18 9 5,5 6 1,184 10 7,5 6 1,188 11 9,5 6 1,192 12 11,5 6 1,196 13 13,5 6 1,199 Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 25 La determinación del porciento de acidez se basó en la técnica experimental expuesta en el epígrafe 2.2, donde se predijo una relación con las variables independientes expresada de la forma: 𝑌 = 𝑏0 + 𝐵1𝑋1 + 𝐵2𝑋2 (2.1) El comportamiento las variables evaluadas se muestran en la figura 2.2. Figura 2.2. Relación del tiempo de incubación de las bacterias ácido lácticas con la temperatura y la formación de acidez durante el tiempo de incubación De acuerdo con el análisis existe una relación directamente proporcional entre el tiempo de incubación y la acidificación del producto, aunque en un tiempo de aproximadamente 3 h ya se alcanza la acidificación requerida por el posterior proceso de fermentación de la leche de soya. Los datos muestran un coeficiente de correlación de Pearson de 0,72 indicando una correlación positiva alta según los criterios planteados en la tabla 1.2; es decir a mayor tiempo de incubación, mayor acidez alcanzará el cultivo pudiendo llegar a valores de 1,2 en un tiempo de 13 horas. Por otro lado se observó que la covariable temperatura tiene efecto sobre la acidificación del cultivo, siendo el coeficiente de correlación de Pearson igual a -0,98, indicando que tiene una correlación negativa muy alta con respecto a la acidez del producto. Se estableció la curva de acidificación a partir del análisis de regresión múltiple (Anexo 2), obteniéndose la ecuación de regresión (2.2) con 𝑅2= 95,15 %. Esto indica que los datos tienen un alto ajuste al análisis realizado, permitiendo predecir la acidez a partir de los valores de tiempo y temperatura, cuando el proceso se realiza bajo las mismas condiciones operacionales. 𝑌 = 1,27 + 1,62 · 10−4𝑋1 + 0,01𝑋2 (2.2) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A c id e z ( % ) T e m p e ra tu ra ( ◦C ) No. de corridas Temperatura (°C) Acidez (%) Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 26 Con la ecuación de regresión se obtuvo el comportamiento de la acidificación en una superficie de respuesta mediante el software Statgraphics Centurion XV.II como se muestra en la figura 2.3. Figura 2.3. Superficie de respuesta para los efectos tiempo-temperatura en el porciento de acidez Para la validación del modelo se analizaron los datos mediante una prueba 𝑡 de Student (Anexo 3) para observar si existen diferencias significativas entre el valor pronosticado y el real, utilizando un nivel de significancia 𝛼= 0,05. El análisis indica que no existen diferencias significativas entre el valor pronosticado y el experimental (P=0,99) como se muestra en la figura 2.4, por lo que se comprueba que la ecuación explica el grado de acidez alcanzado en el producto como resultado del tiempo y la temperatura de incubación. Figura 2.4. Acidez experimental alcanzada en condiciones industriales y acidez teórica. Se evaluaron los valores de tiempo y temperatura en el modelo obtenido 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A ci d ez ( % ) No. de corridas Acidez experimental Acidez teórica Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 27 2.4. Propuesta de escalado de la reacción de fermentación de la lactosa para la inoculación de bacterias termofílicas en el cultivo industrial La concepción tecnológica de estos procesos expuesta en el epígrafe 2.1 asegura los resultados industriales obtenidos en la elaboración del cultivo industrial en un fermentador discontinuo. Sin embargo, la capacidad instalada en esta etapa del proceso es insuficiente para satisfacer la capacidad de fermentación de leche de soya con que cuenta la planta, ocasionando que esta opere al 50 % de su capacidad. Es por ello que se realizó el escalado de las condiciones fermentativas de la lactosa de leche fluida mediante el cultivo técnico Bioyogurt BY. En las condiciones instaladas la reacción se lleva a cabo en un fermentador de 1000 L (Anexo 4), con una velocidad de agitación de 24 rpm en un tiempo de 30 min, donde se logra homogenizar el cultivo liofilizado de origen, en el medio. La condiciones cinemáticas están dadas por una temperatura inicial de la leche de 90 ºC donde se logra su pasteurización, una temperatura óptima de inoculación de 43 ºC y una temperatura de 5 ºC para el tiempo de reposo; pH de 4,5; y una concentración de inóculo de 7 % en volumen. La fermentación se logra, bajo este régimen, en un tiempo total de 15,50 h. Para satisfacer las demandas productivas de acuerdo a la capacidad de fermentación de la leche de soya mediante el cultivo industrial (epígrafe 2.1), se escaló la operación de fermentación para la elaboración de este último a un volumen de trabajo de 2000 L, donde se logra satisfacer la alimentación de los 6 fermentadores existentes en la última etapa del proceso, propiciando el desarrollo del proceso a la máxima capacidad productiva instalada. 2.4.1. Análisis de las consecuencias de la aplicación de los diferentes criterios de escalado para la operación del fermentador de cultivo industrial (2000 L) La similitud química se garantiza para la misma concentración de inóculo en el medio de fermentación e iguales temperaturas y pH; mientras que la similitud geométrica se estableció mediante las relaciones propuestas en la Tabla 2.2. Tabla 2.2. Similitud geométrica de los reactores prototipo e industrial Reactor prototipo (p) Reactor industrial (i) 𝑉𝑝 𝑉𝑖 = 𝜋1,5𝐷𝑝 3 4 𝜋1,5𝐷𝑖 3 4 = 1000 𝐿 2000 𝐿 (1,67𝐷𝑖𝑝)3 (1,67𝐷𝑖𝑖)3 = 0,5 𝐷𝑖𝑖 = 1,26 𝐷𝑖𝑝 𝐻𝑝 = 1,5𝐷𝑝 𝐻𝑖 = 1,5𝐷𝑖 𝐷𝑖𝑝 = 1 1,67 𝐷𝑝 𝐷𝑖𝑖 = 1 1,67 𝐷𝑖 𝑉𝑝 = 𝜋𝐷𝑝 2𝐻𝑝 4 𝑉𝑖 = 𝜋𝐷𝑖 2𝐻𝑖 4 𝑉𝑝 = 𝜋1,5𝐷𝑝 3 4 = 1000 𝐿 𝑉𝑖 = 𝜋1,5𝐷𝑖 3 4 = 2000 𝐿 Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 28 Además se tuvo en cuenta la recomendación de diámetro del impelente (𝐷𝑖)/ diámetro del tanque (𝐷) entre 0,15 y 0,65 y una relación altura del impelente (ℎ)/ diámetro del impelente de 0,25, para agitadores de paleta (Kasatkin, 1985); (Rosabal y Valle, 2006). Teniendo en cuenta estos criterios se mantuvo una relación constante de 𝐷𝑖/𝐷 =0,6 y ℎ/𝐷𝑖 = 0,25, dentro de los rangos de diseño establecidos y una relación altura del tanque (𝐻)/ 𝐷 de 1,5 según las condiciones geométricas del reactor prototipo. En la Tabla 2.3 se muestran las características de diseño del fermentador propuesto a la nueva escala industrial a partir del existente en el proceso. Tabla 2.3. Características de diseño de los fermentadores prototipo e industrial Características Prototipo (1000 L) Industrial (2000 L) Diámetro del impelente (𝐷𝑖) 0,6 m 0,76 m Diámetro del biorreactor (𝐷) 1,0 m 1,23 m Altura del impelente (ℎ) 0,15 m 0,19 m Volumen total 1177,5 L 2200 L Volumen de trabajo 1000 L 2000 L Tipo de impelente paleta paleta Garantizada las similitudes geométricas de los reactores de diferentes escalas, se analizaron los siguientes criterios de escalado y sus consecuencias de aplicación sobre los diferentes parámetros (Rodríguez y Blazquez, 2010): Igual velocidad en la punta del impulsor (𝑁𝐷𝑖)𝑝 = (𝑁𝐷𝑖)𝑖 𝑁𝑖 = 𝑁𝑝𝐷𝑖𝑝 𝐷𝑖𝑖 (2.3) 𝑅𝑒𝑖 = 𝑁𝑖𝐷𝑖𝑖 2𝜌 𝜇 (2.4) 𝑃𝑝 = 𝐾𝑁𝑖𝑁𝑖 3𝐷𝑖𝑖 5𝜌 (2.5) Igual potencia volumétrica (𝑃/𝑉)𝑝 = (𝑃/𝑉)𝑖 ∝ 𝑁3𝐷2 𝑃𝑖 = ( 𝑃 𝑉 ) 𝑝 𝑉𝑖 (2.6) 𝑁𝑖 3𝐷𝑖𝑖 2 = 𝑁𝑝 3𝐷𝑖𝑝 2 (2.7) El 𝑅𝑒𝑖 se determinó por la ecuación (2.4) Igual velocidad del impulsor 𝑁𝑝 = 𝑁𝑖 𝑅𝑒𝑖 = 𝑁𝑝𝐷𝑖𝑖 2𝜌 𝜇 (2.8) La 𝑃𝑖 se determinó por la ecuación (2.5) Igual potencia 𝑃𝑖 ∝ 𝑁3𝐷5 Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 29 𝑁𝑝 3𝐷𝑖𝑖 5 = 𝑁𝑖 3𝐷𝑖𝑝 5 (2.9) El 𝑅𝑒𝑖 se determinó por la ecuación (2.4) Igual Reynolds 𝑅𝑒𝑖 = 𝑅𝑒𝑝 𝑁𝑖 = 𝑅𝑒𝑝𝜇 𝐷𝑖𝑖 2𝜌 (2.10) La 𝑃𝑖 se determinó por la ecuación (2.5) Donde 𝑁 es la velocidad de agitación en (rps); 𝑃 es la potencia (W); 𝐷𝑖 es el diámetro del impelente (m); 𝑅𝑒 es el número de Reynolds de mezclado (unidades adimensionales); 𝐾𝑁 es el número de potencia (Rosabal y Garcell, 2006); 𝜌 es la densidad en (kg/m3); 𝜇 es la viscosidad en (Pa.s); los subíndices p y i se refieren al prototipo e industrial respectivamente. La selección de uno u otro criterio de escalado está sujeto al análisis de las consecuencias de adoptar cada uno de ellos en el sistema de fermentación. La determinación de las consecuencias se realiza a través del cálculo teórico de cada uno de los parámetros que caracteriza el sistema. En el Anexo 5 se muestran los cálculos para la determinación de los diferentes parámetros para el prototipo según el criterio de escalado, cuyos resultados se muestran en la Tabla 2.4. Tabla 2.4. Valores de los parámetros según el criterio de escalado aplicado Criterios de escalado Prototipo Valores en el fermentador industrial Ni (rpm) NiDii (rpm·m) 𝑅𝑒𝑖 𝑃𝑖 (W) (P/V)i (W/L) Ncte 24 24 18,24 1430,51 6,86 0,0034 NDcte 14,40 18,95 14,40 1130,10 3,97 0,0020 Recte 891,59 11,37 8,64 891,59 0,879 0,0004 Pcte 2,57 16,21 12,32 965,59 2,57 0,0013 P/Vcte 0,0026 20,50 15,58 1223,09 5,14 0,0026 Al analizar los resultados se observa que, si se mantiene como criterio de escalado igual velocidad en la punta del impulsor, el número de Reynolds de mezclado se incrementa 1,26 veces, proporcionalmente al aumento del diámetro del agitador. Al mismo tiempo, disminuye la velocidad de agitación, asegurando un régimen de mezclado, que al igual que el que se establece en el fermentador instalado, sea capaz de garantizar la homogeneidad del medio y difusión de la lactosa hacia el cultivo madre de microorganismos, garantizando que no se produzca la ruptura del coágulo. Además, se comprobó un incremento discreto de la potencia total en el orden de 1,54 veces y una disminución de la potencia volumétrica Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 30 de 0,76 veces respecto al biorreactor modelo. De acuerdo a estos parámetros se han de lograr resultados satisfactorios en la operación en el nuevo volumen industrial considerando este criterio de escalado. Con la aplicación de este criterio (Pérez y col., 2011) y (Martínez et al., 2017) , encontraron resultados satisfactorios en el escalado de reacciones biocatalíticas. Si se mantiene constante la velocidad de agitación o igual potencia volumétrica se produce un incremento considerable del consumo de potencia, lo que económicamente no es factible. Al aplicar los criterios de igual potencia o igual número de Reynolds de mezclado, no se logrará la homogeneidad requerida en el sistema causado fundamentalmente por la notable diminución de la potencia por unidad de volumen y la velocidad de agitación en la punta del impelente. 2.4.2. Requerimientos de transferencia de calor para el fermentador Para la ejecución de los balances de calor intercambiado en la chaqueta se consideraron los requerimientos energéticos para lograr los cambios de temperaturas necesarios en la elaboración del cultivo industrial por fermentación de la lactosa y obtención de ácido láctico en el medio. En un primer momento se estableció la transferencia necesaria para elevar la temperatura de la leche hasta valores que permitan su pasteurización (90 ºC), posteriormente para el descenso de la temperatura hasta 45 ºC donde se añade el cultivo madre de laboratorio para la inoculación y finalmente para el descenso de la temperatura del medio hasta 6 ºC para propiciar la formación de ácido láctico. En la figura 3.1 se muestra el diagrama de flujo detallado de esta etapa del proceso. Figura 2.5. Diagrama de flujo de la etapa de preparación del cultivo industrial En la Tabla 2.5 se representan los datos del sistema de intercambio de calor para las operaciones de pasteurización, inoculación y fermentación Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 31 Tabla 2.5. Datos para el cálculo de los requerimientos de transferencia de calor en la elaboración del cultivo industrial Tabla 2.6. Procedimiento y resultados de la determinación de los requerimientos transferencia de calor en la obtención del cultivo industrial Datos Valor Pasteurización Inoculación Fermentación 𝑛 0,32 rps 0,32 rps 0,32 rps 𝐷𝑖 0,76 m 0,76 m 0,76 m 𝜌 1031 kg/m3 1031 kg/m3 1034 kg/m3 µ 1,7·10-3Pa.s 2,1·10-3Pa.s 0,167 Pa.s 𝑚 2062 kg 2062 kg 2212,13 kg 𝐶𝑝 3892,20 J/kgºC 3892,20 J/kgºC 3892,20 J/kgºC ∆𝑇 60 ºC 45 ºC 39 ºc 𝐽 900 690 80 𝑘 0,63 W/m2 ºC 0,63 W/m2 ºC 0,63 W/m2 ºC 𝐷 1,23 m 1,23 m 1,23 m 𝑅𝑑 0,0005 m2 ºC/W 0,0005 m2 ºC/W 0,0005 m2 ºC/W ∆𝑇𝑣 75,94 ºC 41,35 ºC 13,97 ºC Variables calculadas Ecuaciones Resultados Pasteurización Inoculación Fermentación Reynolds de mezclado (Rosabal y Valle, 2006) 𝑅𝑒𝑚 = 𝑛 · 𝐷𝑖 2 · 𝜌 µ 111 016,08 89 870,16 1 130,10 Calor intercambiado (W) (Viera, 2007) 𝑄 = 𝑚 · 𝐶𝑝 · ∆𝑇 133 776 184 501,12 37 310,23 Coeficiente pelicular de transferencia de calor (W/ m2 °C) (Kern, 2005) ℎ𝑖 = 𝐽 𝑘 𝐷 ( 𝑐 · µ 𝑘 ) 1 3⁄ ( µ µ𝑤 ) 0,14 1 009,50 830,16 414 Coeficiente pelicular del fluido exterior referido al diámetro interior (W/ m2 °C) (Kern, 2005) − 8 505 18 045,94 68 697,29 Coeficiente total de transferencia de calor limpio (W/ m2 °C) (Kern, 2005) 𝑈𝑐 = ℎ𝑖ℎ𝑖0 ℎ𝑖 + ℎ0 902,39 793,65 411,52 Coeficiente total de transferencia de calor sucio (W/ m2 °C) (Kern, 2005) 1 𝑈𝐷 = 1 𝑈𝑐 + 𝑅𝑑 625 568 340,80 Área de transferencia de calor (m2). (Kern, 2005) 𝐴𝑇𝐶 = 𝑄 𝑈𝐷(∆𝑇𝑣) 2,82 7,86 7,84 Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 32 Las expresiones y resultados mostrados en la Tabla 2.6 corresponden al procedimiento de cálculo llevado a cabo para el diseño de la chaqueta donde circula los medios para establecer los regímenes de trasferencia de calor requeridos. En el primero de los casos se consideró la alimentación de vapor, mientras que para los otros dos se consideró agua a diferentes temperaturas. Como fuente de enfriamiento del medio de intercambio se tuvo en cuenta el banco de agua helada con que cuenta el centro (Anexo 4), mientras que tres carderas generadoras de vapor garantizan la demanda de este auxiliar en el desarrollo de todos los procesos productivos que se llevan a cabo en la UEB. De acuerdo a las características de diseño del fermentador representadas en la Tabla 3.2, la superficie de transferencia de calor disponible que incluye el fondo del fermentador está dada por la expresión (2.11) (Espinosa y col., 2019): 𝐴 = 𝜋 · 𝐷 · 𝐻𝑙 + 𝜋 4 · 𝐷2 (2.11) Para una altura del líquido en el tanque (𝐻𝑙) de 1,75 m el área es de 7,95 m2, siendo superior a la superficie de transferencia requerida en los tres casos. Específicamente en los últimos dos, donde se utiliza agua como medio de intercambio, la diferencia no es notable, por lo que se puede afirmar que al enchaquetar toda la superficie disponible en el fermentador se asegura el régimen de intercambio requerido y la eficiencia energéticas de los procesos que ocurren en este equipo. 2.4.3. Carga del sistema de bombeo para el transporte del cultivo industrial Para el transporte del cultivo industrial hacia los fermentadores de leche de soya se requiere el empleo de una bomba lobular, siendo esta una bomba rotativa de desplazamiento positivo. Esta posee un lóbulo superior y uno inferior que giran en sincronía sin tocarse unos a otros. Las bombas lobulares TLS se han desarrollado especialmente para responder a todas las exigencias higiénicas requeridas en la industria alimentaria, garantizando higiene, fiabilidad y robustez (Reyero, 2021). Su principal ventaja radica en la capacidad para bombear líquidos viscosos y productos líquidos delicados y/o que contienen sólidos blandos como en el caso de estudio. En este caso estamos en presencia de un fluido no newtoniano, donde el modelo de flujo describe el comportamiento del modelo de Bulkey-Herschel o sea de tipo plástico real de la forma: 𝑇 = 𝑇𝑜 + 𝑘 (− 𝑑𝑢 𝑑𝑦 ) 𝑚 (2.12) Según (Enriquez y col., 2012) los parámetros para el yogurt natural tipo batido están dados por un índice de consistencia (𝑘) de 10,78 Pa.s y un índice de flujo (𝑚) de 0,69. Para la Capítulo 2. Análisis experimental y propuesta tecnológica 33 determinación de la carga requerida por el sistema de bombeo (𝐻𝐵) se aplicó el balance de energía mecánica representado en la ecuación (2.13), mientras que la potencia requerida en la operación (𝑁) se determinó mediante la relación representada en (2.14). 𝑍1 + 𝛼𝑣1 2 2𝑔 + 𝑃1 𝜌𝑔 + 𝐻𝐵 = 𝑍2 + 𝛼𝑣2 2 2𝑔 + 𝑃2 𝜌𝑔 + ℎ𝑝𝑡 (2.13) 𝑁 = 𝐻𝐵 · 𝜌 · 𝑔 · 𝑄 𝜂𝐵 (2.14) Donde: 𝑍: Carga geométrica (m) 𝛼𝑣2 2𝑔 : Carga de velocidad (m) 𝑃 𝜌𝑔 : Carga piezométrica o estática 𝜂𝐵: Eficiencia del motor-bomba (%) 𝑄: Flujo volumétrico (m3/s) 𝜌: Densidad (kg/m3) 𝑔: Aceleración de la gravedad (m/s2) En la Tabla 2.7 se representa los parámetros de diseño fundamentales para el transporte del fluido y la potencia requerida en la operación. Tabla 2.7. Parámetros de diseño para el transporte del cultivo industrial y potencia requerida Equipo Datos Factores de diseño Valor Bomba lobular (Transporte del cultivo industrial hacia los fermentadores de leche de soya) ∆𝑍= 2m 𝐿= 17 m 𝐷𝑡= 0,5 m 𝜌= 1034 kg/m3 ∑ 𝑘𝑖= 51,8 𝐴𝑓= 0,196 m2 𝜂𝐵= 65 % 𝑄 (m3/s) 0,008 𝑣 (m/s) 0,04 𝑅𝑒´ 1,67 𝑓 38,32 ℎ𝑓 (m) 0,106 ℎ𝑟𝑙 (m) 0,000042 ℎ𝑝𝑡 (m) 0,106 𝐻𝐵 (m) 2,106 𝑁𝐵 (kW) 0,263 Capítulo 3. Evaluación técnica-económica 34 CAPÍTULO 3. EVALUCIÓN TÉCNICA-ECONÓMICA 3.1. Cuantificación de la producción. Consumo de materias primas y requerimientos auxiliares Para la determinación de las corrientes que intervienen en la línea productiva fundamental como materias prima y agua, así como la cuantificación de la producción de yogurt de soya; se realizaron los balances de masa correspondientes a las distintas etapas del proceso, con la elaboración de un volumen de 1000 L de cultivo industrial con la tecnología existente y la capacidad escalada de 2000 L como se muestra en la Tabla 3.1. Para ello se tomó como base de cálculo 1 día de operación. Los datos propios a las operaciones de preparación de la leche de soya representan los valores correspondientes a los flujos para el llenado de un tanque de fermentación. La designación de dichas corrientes según la identificación presentada en la Tabla 3.1 se muestran en el Anexo 6.1, mientras que los datos utilizados para el balance en las distintas etapas del proceso se representan en el Anexo 6.2. Para la capacidad productiva que se desarrolla actualmente, se triplican los valores de las corrientes para tres fermentadores, mientras que para la capacidad escalada aumentan seis veces para un total de seis fermentadores operando en paralelo. Tabla 3.1. Balance de materiales del proceso Etapa Modelo Resultados 1 Fermentador 3 Fermentadores 6 Fermentadores Hidratación del grano de soya 𝐻2𝑂(𝐻) = 𝑄𝐻2𝑂(𝐻) · 𝑡𝐻 3844,8 kg/d 11534,4 kg/d 23068 kg/d 𝑉𝐻20(𝐻) = 𝐻2𝑂(𝐻) 𝜌𝐻2𝑂 3864,12 L/d 11592,36 L/d 23183,91L/d 𝑆0𝐻 = 𝑆0 555,4 kg/d 1666,2 kg/d 3332,4 kg/d Molienda o trituración 𝑆0𝐻 + 𝐻2𝑂(𝐻) = 𝐿𝑆𝑀1 = 𝐿𝑆𝑀2 4400,2 kg/d 13200,6 kg/d 26400,2 kg/d 𝑉𝐿𝑆𝑀2 = 𝐿𝐿𝑆𝑀2 𝜌𝐿𝑆 4313,9 L/d 12941,7 L/d 25883,4 L/d Preparación del sirope 𝑆𝐼 = 𝐻2𝑂(𝑆𝐼) + 𝐴𝑧 571,6 kg/d 1714,8 kg/d 3429,6 kg/d 𝑉𝑆𝐼 = 𝑆𝐼 𝜌𝑆𝐼 424,35 L/d 1273,05 L/d 2546,1 L/d Preparación del cultivo industrial 𝑉𝐶𝐼 = 𝑉𝐿𝐹 + 𝑉𝐶𝑇 350 L/d 1050 L/d 2100 L/d 𝐶𝐼 = 𝑉𝐶𝐼 𝜌𝐶𝐼 338,49 kg/d 1015,47 kg/d 2030,94 kg/d Fermentación de la leche de soya 𝑉𝑌𝑆 = 𝑉𝐿𝑆𝑀2 + 𝑉𝑆𝐼 + 𝑉𝐶𝐼 5088,25 L/d 15264,7 L/d 30529,5 L/d 𝑌𝑠 = 𝑉𝑌𝑆 𝜌𝑌𝑆 5271,43 kg/d 15814,23 kg/d 31628,56 kg/d Capítulo 3. Evaluación técnica-económica 35 Al aumentar el volumen diario de producción de yogurt de soya a 30529,5 L, aumenta la disponibilidad de este producto para satisfacer la distribución subsidiada y promover los ingresos por venta liberada. A su vez se determinaron los consumos de agua y vapor como medios de intercambio que garantizan la transferencia de calor y la eficiencia energética del proceso a partir de las ecuaciones (3.1), (3.2), (3.3), (3.4), (3.5) y (3.6), teniendo en cuenta la metodología reportada por (Cruz y Pons, 2006). 𝐺𝑚 = (𝑚 · 𝐶𝑝 · ∆𝑇)𝑠𝑢𝑠𝑡. 𝑞𝑢𝑒 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑚𝑏𝑖𝑎 𝜆 (3.1) 𝐻2𝑂𝑚 = (𝑚 · 𝐶𝑝 · ∆𝑇)𝑠𝑢𝑠𝑡. 𝑞𝑢𝑒 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑚𝑏𝑖𝑎 (𝐶𝑝 · ∆𝑇) 𝐻2𝑂 (3.2) 𝑄 = 𝑚 · 𝐶𝑝 · ∆𝑇 (3.3) 𝐶𝑝(𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎) = 𝑥1 · 𝐶𝑝1 + 𝑥2 · 𝐶𝑝2 … + 𝑥𝑛· · 𝐶𝑝𝑛 (3.4) 𝐺 = 𝐺𝑚 · 𝑡 (3.5) 𝐻2𝑂 = 𝐻2𝑂𝑚 · 𝑡 (3.6) Donde: 𝐺𝑚: Flujo másico de vapor (kg/s) 𝐻2𝑂𝑚: Flujo másico de agua (kg/s) 𝑄: Calor absorbido o cedido (kJ/s) 𝐶𝑝: Capacidades caloríficas de las materias involucradas ∆𝑇: Variación de las temperaturas de entrada y salida del equipo (ºC) 𝜆: Calor latente del vapor (kJ/kg) (Kern, 2005) 𝑥: Composición 𝐺: Masa de vapor consumida en la operación (kg) 𝐻2𝑂: Masa de agua consumida en la operación (kg) En la Tabla 3.2 se representan los resultados que arrojaron los balances energéticos en los equipos involucrados en las distintas etapas del proceso, en los cuales intervienen el vapor y el agua como medios de calentamiento o enfriamiento respectivamente, mientras que en la Tabla 3.3 se representa la demanda energética. Los datos recopilados se muestran en el Anexo 6.3. Para el procesamiento de yogur en los seis fermentadores de leche de soya, se determinaron los consumos de la etapa de preparación del cultivo técnico para el equipo escalado con capacidad de 2000 L según la demanda energética representada en la Tabla 2.6. Capítulo 3. Evaluación técnica-económica 36 Tabla 3.2. Consumo de auxiliares en los distintos equipos del proceso Equipos Utilidades Valor de consumo 1 Fermentador 3 Fermentadores 6 Fermentadores Tornillo sinfín 𝐺 (kg/d) 60,66 181,98 363,97 Ultrapasteurización 𝐺 (kg/d) 8,58 25,76 51,48 Tanque de sirope 𝐺 (kg/d) 1,80 5,40 10,80 Tubo en tubo 𝐻2𝑂𝑟𝑒𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐 (m3/d) 0,28 0,84 1,68 Tanque de cultivo industrial 𝐺 (kg/d) 37,47 112,41 224,81 𝐻2𝑂𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎 (m3/d) 2,25 6,75 13,5 Fermentador de leche de soya 𝐻2𝑂𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎 (m3/d) 6,25 18,75 37,5 Tabla 3.3. Demanda energética en los distintos equipos del proceso Equipos Nomenclatura Valor del calor intercambiado 1 Fermentador 3 Fermentadores 6 Fermentadores Tornillo sinfín 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡 (kJ/s) 50,70 152,10 304,20 Ultrapasteurización 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡 (kJ/s) 51,09 153,27 306,54 Tanque de sirope 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡 (kJ/s) 2,08 6,23 12,47 Tubo en tubo 𝑄𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎 (kJ/s) 74,85 224,55 449,10 Tanque de cultivo industrial 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡 (kJ/s) 22,30 66,89 133,78 𝑄𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎 (kJ/s) 36,97 110,91 221,81 Fermentador de leche de soya 𝑄𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎 (kJ/s) 121,92 365,76 731,52 Se observa que los mayores consumos de agua se encuentran en la operación de hidratación del grano en el tornillo sinfín, alimentada como corriente directa, reportándose un valor de 23,18 m3/d para la capacidad escalada, y en la etapa de fermentación de leche de soya como medio de intercambio, con un consumo de 37,50 m3/d para los seis fermentadores. El mayor consumo de vapor también está asociado a la hidratación del grano, donde se requiere una alimentación de 363,97 kg/d, y además a la operación de pasteurización de la leche de vaca fluida en la elaboración del cultivo industrial, con un consumo de 224,81 kg/d que inocula a los seis fermentadores de leche de soya. 3.2. Costo de inversión Bajo el principio de aprovechamiento de las capacidades instaladas, fundamentalmente de la disponibilidad de fermentadores de leche de soya en la última etapa del proceso, se Capítulo 3. Evaluación técnica-económica 37 determinaron los costos del equipamiento propuesto para la preparación de un volumen de cultivo industrial superior al del fermentador de leche fluida instalado y el transporte de dicho fluido. Según (Tower y Sinnott, 2013), el costo de un fermentador enchaquetado agitado (𝐶𝑐) está dado por la expresión (3.7): 𝐶𝑐 = 𝑎 + 𝑏 · 𝑠𝑛 (3.7) Donde la capacidad (𝑠) en este caso es de 2,2 m3 y los factores referidos al año 2007 según la literatura estás dados por: 𝑎= 53000, 𝑏= 28000 y 𝑛= 0,8. De esta forma se obtiene un valor de 105613,38 USD. Para la actualización del costo con un índice actual (𝐶𝐸𝑃𝐶𝐼) de 637,9 y un 𝐶𝐸𝑃𝐶𝐼 correspondiente al año 2007 de 509,7, se estableció la relación presentada por la expresión (3.8) (Ulrich, 1990): 𝐶𝑐2021 = 𝐶𝑐2007 · 𝐶𝐸𝑃𝐶𝐼2021 𝐶𝐸𝑃𝐶𝐼2007 (3.8) De esta forma se obtuvo un costo del equipo de fermentación para la preparación de cultivo industrial de 132177,31 USD, que según la tasa de cambio establecida por el Banco Central de Cuba (BCC) equivale a 3172255,45 CUP. El costo estimado para la bomba lobular de desplazamiento positivo, con los requerimientos del sistema especificados en la Tabla 2.7, fue de 10311 USD (247464 CUP) según (EBARA, 2020), obteniendo un costo total de equipamiento de 3419719,45 CUP. Tabla 3.4. Estimación del capital de inversión Nº Elemento de costo Factor Costo (CUP) 1 Equipamiento tecnológico (E) 3419719,45 2 Instalaciones 0,12 x E 410366,33 3 Instrumentación 0,05 x E 170985,97 4 Tuberías 0,06 x E 205183,17 5 Equipamiento eléctrico 0,08 x E 273577,56 6 Facilidades auxiliares 0,15 x E 512957,92 7 Mejoramiento zonas cercanas 0,02 x E 68394,39 Total de costos directos (CD) 5061184,79 8 Ingeniería y supervisión 0,10 x E 341971,94 9 Pagos contratistas 0,10 x E 341971,94 10 Contingencia 0,05 x E 170985,97 Total de costos indirectos (CI) 854929,86 Capital fijo de inversión (CFI= CD+CI) 5916114,65 11 Capital de trabajo (CT) 0,20 x E 683943,89 Costo total de inversión (CTI= CFI+CT) 6600058,54 Capítulo 3. Evaluación técnica-económica 38 A partir del conocimiento del costo total del equipamiento, se puede estimar el costo de inversión teniendo en cuenta los índices adecuados para la asignación de los costos directos e indirectos asociados a la inversión a partir de la metodología presentada por (Peters y Timmerhaus, 1991) como se observa en la Tabla 3.4. Como resultado del análisis se obtuvo que la inversión para para aumentar la capacidad de producción de yogurt de soya diaria es de 6600058,54 CUP. 3.3. Costos de producción A partir de la determinación de los volúmenes propios a ambas capacidades productivas (epígrafe 3.1) y el precio correspondiente a cada producto y utilidad mostrados en el Anexo 7, se determinaron los costos operacionales. En la Tabla 3.5 se muestran los principales elementos de costos asociados al proceso para un día de operación. Tabla 3.5. Principales elementos de costos operacionales para el proceso de producción de yogurt de soya Indicadores 3 Fermentadores 6 Fermentadores Volúmenes Costos (CUP/día) Volúmenes Costos (CUP/día) Grano de soya 1666,20 kg 21660,60 3332,40 kg 43321,20 Bicarbonato 83,31 kg 845,60 166,62 kg 1691,19 Leche de vaca fluida 1050 L 7875 2100 15750 Azúcar 1264,80 kg 9890,74 2529,60 kg 19781,47 Sabor 7,50 kg 224,40 15 kg 448,80 Color 0,35 kg 2,90 0,69 5,80 Agua 41,08 m3 7,20 82,16 m3 14,39 Vapor 325,55 kg 296,90 651,10 kg 593,80 Energía eléctrica 1115,55 kW-h 3212,78 2231,10 kW-h 6425,57 Obreros 16 1308,32 16 1308,32 Yogurt de soya producido 15264,70 L 58616,45 30529,40 L 117232,90 La posibilidad de producción diaria de la capacidad correspondiente a los seis fermentadores de leche de soya instalada en la planta, representa el doble de la producción que se realiza actualmente, lo que aumenta la disponibilidad de este producto para satisfacer su distribución subsidiada y la venta liberada. En la Tabla 3.6 se muestran los principales consumos asociados a la elaboración del yogurt de soya en condiciones de máximo aprovechamiento de la capacidad instalada dado el aumento de la capacidad de elaboración de cultivo industrial, para un periodo anual laborable de 317 días Capítulo 3. Evaluación técnica-económica 39 Tabla 3.6. Resumen de los principales consumos anuales asociados al proceso productivo Materias primas Grano de soya (kg/año) 1056370,8 Materiales Bicarbonato (kg/año) 52818,54 Leche de vaca fluida (L/año) 665700 Azúcar (kg/año) 801883,2 Sabor (kg/año) 4755 Color (kg/año) 218,73 Requerimientos Agua (m3/año) 26044,72 Vapor (t/año) 206398,7 Potencia eléctrica Agitación, bombeo y equipos consumidores (kW-h/año) 707258,7 A partir de la herramienta de cálculo Excel y siguiendo la metodología presentada por (Peters y Timmerhaus, 1991) se determinaron los costos totales de producción anuales como se muestra en la Tabla 3.7 para la nueva inversión. Tabla 3.7. Estimado de costos, ingresos por ventas y ganancia para la máxima capacidad de produción Elemento de costo Costo (CUP/año) Materia prima (Grano de soya) 13732820,40 Materiales (Azúcar, leche vaca fluida, bicarbonato, sabor, color) 11943693,92 Mano de obra 414737,44 Supervisión 62210,62 Útiles (Agua, vapor, energía eléctrica) 2229699,69 Mantenimiento y reparaciones 118322,29 Suministros 5916,12 Análisis de laboratorio 124421,23 Patentes 660828,30 Costos variables 29292649,99 Depreciación 177483,44 Impuestos locales 118322,29 Cargos fijos 295805,73 Costos externos 29763,52 Costos externos 29763,52 Costos administrativos 119054,07 Costos de distribución y ventas 991242,44