Laboratorio de procesos y diseño III

DESARROLLO DE UN PRODUCTO NUTRACEUTICO A PARTIR DEL

EXTRACTO DE CHILACAYOTE

Asesor Dr. Eduardo Jaime Vernon Carter

Alumnos: Bonilla Blancas Wenceslao Cuauhtémoc

Galicia Durán Tania Mariel Sandoval Corona Miguel Ángel

12/06/08

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Índice

Resumen

1. Introducción……………………………………………………………………….……….……….4 1.1. Hipoglucemiantes 1.2. Antioxidantes 1.3. Aditivos para los alimentos 1.4. Método tradicional 1.5. Modelos experimentales

2. Justificación y planteamiento del problema……………………………………….….……...7 3. Definición del proyecto…………………………………………………………………..……….7

3.1. Objetivo general 3.2. Objetivos particulares 3.3. Objetivo de diseño

4. Capacidad y ubicación de la planta……………………………………………………..……..8 5. Desarrollo experimental…………………………………………………………………..……...9

5.1. Métodos de extracción 5.2. Métodos de identificación y caracterización

6. Resultados de la parte experimental……………………………………………………....…14 6.1. Formulación del producto WETAN

7. Diagraman de proceso…………………………………………………………………….....…24 7.1. Plano de la planta de producción 7.2. Producción y dosis

8. Balances de materia y energía……………………………………………………………..….26 8.1. Balance global de materia

9. Diseño del equipo……………………………………………………………………....……..…28 9.1. Almacén 9.2. Transporte de CF 9.3. Limpiadora de CF 9.4. Cortadora de CF 9.5. Reactor 9.6. Filtrado 9.7. Esterilización 9.8. Mezclador 9.9. Caldera 9.10. Bombas

10. Análisis de Riesgos…..……………………………………………………………...……..…..40 11. Factibilidad económica………………………………………………………………...…..…..48 12. Conclusiones…………..……………………………………………………………....……......50 13. Apéndices…………………………………………………………………………….…………...51

13.1. Tratamiento de residuos 13.2. Normas y legislación ambiental 13.3. Normas del análisis de riesgos 13.4. Datos generales de la planta 13.5. Factibilidad económica

14. Bibliografia………………………………………………………………………….…..………..64

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Resumen

En la actualidad las personas que padecen enfermedades crónico-degenerativas y oncológicas, recurren a tratamientos con fármacos sintetizados en un laboratorio. Este tipo de fármacos tienen dos inconvenientes; generalmente su costo es elevado y la mayoría de los tratamientos tienen efectos secundarios, es por esto que el uso de productos naturales han tomado gran importancia a nivel mundial. En el presente trabajo se desarrolla el diseño del proceso para la elaboración de un producto nutraceuitico en presentación de bebida, desarrollado de los extractos del chilacayote (Cucúrbita Ficifolia (CF)), que entre otras propiedades tiene efecto hipoglucemiante y antioxidante. Se ha desarrollo un análisis del contenido de fenoles totales en extractos de chilacayote con diferentes características por el método de Folin-Ciocalteu, obteniendo cinéticas de extracción y degradación, con el fin de establecer las mejores condiciones de extracción. También, se evaluó la capacidad antioxidante de extractos por el método del ABTS y por último la caracterización de algunos compuestos en cromatografía en placa fina y espectroscopia infrarroja. Como resultados se obtiene que la mejor extracción de los compuestos activos se dé a 50°C, utilizando el chilacayote fresco picado y agua como solvente. Proteger a los extractos de la degradación implica análisis de distintos aditivos disponibles, que dan propiedades extras al producto terminado, consecuencia de este análisis, fue encontrar que la mejor mezcla protectora consiste en 17% Goma Arábiga (GA), 66% Goma de Mezquite (MG) y 17% Maltodextrina (MD) en concentraciones del 5% en peso de producto procesado. Determinadas las condiciones de operación, se diseña la planta de fabricación del producto nutraceutico “WETAN S.A. de C.V”, detallando los balances de materia y energía, el costo de los equipos que conforman la planta, así como la localización de esta y por último se determina la factibilidad económica del proceso.

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1. Introducción La salud y la enfermedad son parte integral de la vida, así como de las interacciones medioambientales y sociales. A través de la historia el concepto de “enfermedad” ha cambiando, transformándose de ser concebida como un castigo divino hasta llegar a ser conceptualizada como una alteración del organismo. En México, enfermedades como la diabetes mellitus representa la primera causa de muerte en mujeres, el cáncer representa la segunda causa de muerte. Para varones, enfermedades isquémicas de corazón representa la primer causa de defunciones y la segunda es debida a la diabetes mellitus. Para la mayor parte de la población en el país los tratamientos para contrarrestar estas enfermedades se encuentran fuera de sus posibilidades económicas, por lo tanto, es de esperarse que una gran mayoría recurra a tratamientos alternativos con base en la herbolaria, además un 70 % de los medicamentos industrializados se derivan de plantas medicinales. Las preparaciones medicinales herbolarias son vegetales triturados o en polvo, extractos, tinturas, ácidos grasos o esenciales, jugos de plantas, etc. Sin embargo, no se consideran productos medicinales herbolarios a los constituyentes químicos aislados o sus mezclas. Otras substancias como disolventes, diluyentes, conservadores que pueden formar parte de las preparaciones medicinales vegetales, deben ser indicadas. 1.1 Hipoglucemiantes En investigaciones etnobotánicas recientes se reporta la existencia de más de 300 plantas usadas en México como antidiabéticas (Hernández y col., 2002a; Andrade-Cetto y Heinrich, 2005). Entre las familias botánicas más estudiadas científicamente en relación a su efecto hipoglucemiante se encuentran: Apocynaceae, Cucurbitaceae, Plantaginaceae y Asteraceae. Pertenecientes a estas familias se encuentran: Catharanthus roseus (Vincapervinca de Madagascar), Cucurbita Ficifolia (chilacayote), Ibervillea sonorae (wereke), Plantago major (yanten) y Psacalium peltatum (matarique). 1.2 Antioxidantes Un antioxidante es una molécula capaz de retardar o prevenir la oxidación de otras moléculas. La oxidación es una reacción química de transferencia de electrones de una sustancia a un agente oxidante. Las reacciones de oxidación pueden producir radicales libres que comienzan reacciones en cadena que dañan a las células. Los antioxidantes terminan estas reacciones quitando intermedios del radical libre e inhiben otras reacciones de oxidación, oxidadándose ellos mismos. Debido a esto es que los antioxidantes son a menudo agentes reductores tales como tioles o polifenoles.

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Aunque las reacciones de oxidación son cruciales para la vida, también pueden ser perjudiciales; por consiguiente las plantas y los animales mantienen complejos sistemas de múltiples tipos de antioxidantes, tales como glutatión, vitamina C y vitamina E. Los antioxidantes también son ampliamente utilizados como ingredientes en suplementos dietéticos con la esperanza de mantener la salud y de prevenir enfermedades tales como el cáncer y la cardiopatía isquémica. 1.3 Aditivos para los alimentos Un aditivo alimenticio es una sustancia o mezcla de sustancias, distintas a un comestible básico, presentes en los alimentos como resultado de la producción, procesamiento, almacenamiento o empaquetado. Este concepto no incluye posibles contaminantes. El uso y demanda de aditivos se ha incrementado notablemente hasta nuestros días, incrementando la calidad y cantidad de un producto. Tan solo en EUA se usan y aceptan, por la Food and Drugs Administration (FDA), más de 2500 aditivos que se usan para producir más de 15,000 artículos [Branen et al, 1990]. Los aditivos pueden ser divididos en seis grandes categorías: protectores, adivitivos nutritivos, agentes saborizantes, agentes colorantes, agentes texturizantes y aditivos misceláneos. Protectores Básicamente hay tres tipos de protectores usados en alimentos: antimicrobiales, antioxidantes y anti-pardiamento. Los protectores antimicrobiales son usados para prevenir el crecimiento de microorganismos, juegan un papel importante extendiendo la vida comercial de los alimentos. Los antioxidantes son usados para prevenir la oxidación de lípidos y vitaminas en productos alimenticios. Los protectores anti-pardiamento son químicos en los productos alimenticios que evitan el oscurecimiento enzimático o no-enzimático, especialmente en frutas y vegetales. Aditivos nutritivos En años recientes los consumidores han enfocado sus expectativas hacia la búsqueda de alimentos con altos valores nutrimentales. Se busca contenido de vitaminas, minerales, etc., en pocas palabras se busca tener alimentos completos. Los aditivos nutritivos incluyen aminoácidos, fibra, minerales y vitaminas. Agentes saborizantes Dentro de esta categoría se incluyen tres tipos de agentes: endulzantes, saborizantes naturales y artificiales y los potenciadores de sabor. Los endulzantes más comunes incluyen sucrosa, glucosa y fructuosa. También se incluye en esta categoría a los endulzantes bajos en calorías como el espartame y la sacarina.

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Se conocen alrededor de 1700 sustancias naturales y artificiales para dar sabor a los alimentos, estos aditivos son en muchos casos mezclas de químicos usados para sustituir a los sabores naturales. Los potenciadores de sabor magnifican o modifican el sabor de la comida, pero sin contribuir ellos mismos al sabor de estas. Agentes texturizantes Aunque los agentes saborizantes comprenden un gran número de químicos, los texturizantes se usan en grandes cantidades. Estos agentes son usados para modificar globalmente el gusto de los productos alimenticios, emulsificantes y estabilizantes son los aditivos primarios en esta categoría. Los emulsificantes incluyen sustancias naturales como la lecitina y los mono y di- glicéridos así como muchas sustancias sintéticas, el rol principal de estas sustancias es permitir que sabores y aceites se dispersen por todo el producto. Los estabilizantes incluyen gomas naturales, como la Goma de Mezquite, así como almidones naturales y modificados. Estos agentes han sido usados por años para modificar la textura de los productos, se usa para prevenir la evaporación y deterioro de sabores volátiles. Aditivos misceláneos Son numerosos compuestos químicos usados en productos alimenticios con propósitos específicos pero limitados, como antiespumantes, encimas, catalizadores y lubricantes. 1.4 Método tradicional de procesamiento del chilacayote La preparación tradicional para el control de la diabetes mellitus es la siguiente: un chilacayote en estado de madurez comestible se corta por la mitad, se quitan las semillas y conductos de estas, en la "cazuela" resultante se agrega agua potable y se deja reposar durante la noche, en la mañana se utiliza el líquido (extracto acuoso) existente a razón de 4 ml/kg de peso corporal. Esta dosis fue calculada con base a la dosificación utilizada por la población (una taza o vaso de aproximadamente 250 ml antes de cada alimento, para pacientes de entre 60 y 65 kg de peso corporal). 1.5 Modelos experimentales En la investigación realizada por Acosta-Patiño y col. 2001 se presenta que en una muestra de diez pacientes diabéticos tipo 2 con hiperglucemia moderada, que recibieron un extracto crudo de CF en una sola dosis, que equivale a 4 ml/Kg de masa corporal, la administración oral del extracto de CF fue seguida por una disminución significativa de niveles de la glucosa de la sangre. Con una decremento en niveles iníciales de glucosa en la sangre de 217.2±30.4 mg/dl a 169.6±35.3 mg/dl en un tiempo de 3 horas y de 150.8±31.3 mg/dl después de 5 horas de la administración del extracto.

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Entre otras investigaciones, Tao Xia y Qin Wang 2006 atribuyen el efecto hipoglucemiante del chilacayote al compuesto D-Quiro-Inositol (DCI) y Garibay Bagnis, 2001 también comprueba el efecto hipoglucémico de la CF. 2. Justificación y planteamiento del problema Los problemas de salud en México, tales como la diabetes, cardiopatías y cáncer, son cada día más comunes. La sociedad demanda alternativas reales de solución, eficientes y eficaces. En la actualidad los tratamientos para estos padecimientos están basados en fármacos sintéticos, pero la complejidad de su síntesis y el proceso de elaboración encarecen sus precios, volviéndolos incosteables para un porcentaje alto de la población. Con base en lo anterior se desarrolla el diseño del proceso de obtención de un producto nutraceutico, derivado del extracto de chilacayote, que contrarreste y/o evite las enfermedades. Entendiendo por producto nutraceutico lo siguiente: cualquier sustancia que pueda considerarse alimento o parte de un alimento y que tenga beneficios médicos o sanitarios incluyendo la prevención y el tratamiento de enfermedades. 3. Definición del proyecto 3.1 Objetivo general Diseñar el proceso de elaboración de un producto nutraceutico a partir del extracto de chilacayote. 3.2 Objetivos particulares

1. Recopilación bibliográfica. 2. Caracterización de los extractos e identificación de compuestos activos. 3. Determinar el método de extracción. 4. Formulación del producto estable. 5. Plantear el diagrama del proceso 6. Diseñar el proceso de producción del producto nutraceutico. 7. Diseño y ubicación de la planta del proceso.

3. 3 Objetivos del diseño

1. Realizar los balances de materia y energía 2. Definir las condiciones de operación del proceso. 3. Diseño del proceso y equipo 4. Diseño de la planta 5. Análisis de riesgos en la planta 6. Evaluación económica del proceso

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4. Capacidad y Ubicación de la planta Para la ubicación de la planta primordialmente se considera el abastecimiento de materia prima (CF). La Tabla 1 indica que el rendimiento de la cosecha de chilacayote es alto en el estado de Morelos. El chilacayote es de fácil cultivo en más estados de la república mexicana, principalmente en Chiapas y Puebla. La capacidad de producción propuesta es aproximadamente de 100,000 dosis al día. Tabla 1.- Producción de chilacayote en los años agrícolas 2006-2007 en el estado de Morelos1.

Producto SuperficieSembrada

(Ha)

Superficie Cosechada

(Ha)

ProducciónEstimada

(Ton)

Producción Obtenida

(Ton)

RendimientoObtenido (Ton/Ha)

CHILACAYOTE(2006) 97.00 97.00 1,220.000 1,220.000 12.577

CHILACAYOTE(2007) 20.00 20.00 280.00 280.00 14.00

Aunque el abastecimiento de materia prima es el factor más relevante considerado para ubicar la planta, no es el único, en la Tabla 2 se listan otros aspectos que se consideraran en los tres estados de la república propuestos (Morelos, Puebla y Chiapas).

Tabla 2. Porcentaje de los factores considerados para la ubicación de la planta. Factor % Materia prima 30Demanda 30Servicios 10Transporte 10Normas ambientales 10Incentivos especiales 10

Con base en la Tabla 2, para cada estado se asigna el porcentaje con el que cumple cada entidad.

Tabla 3. Resultados del porcentaje asignado a cada estado.

Estado Materia prima (%)

Demanda (%)

Servicios(%)

Transporte(%)

Normas ambientales (%)

Incentivos especiales (%)

Morelos 25 20 10 10 10 10 Puebla 20 10 5 5 10 10 Chiapas 20 10 5 3 10 10

1 Fuente: Delegación Estatal y Distritos de Desarrollo Rural de la SAGARPA (SIACAP)

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De la Tabla 3 se puede observar que cercanía del estado de Morelos con el D. F., donde se encuentra la mayor demanda del producto, la accesibilidad de transporte aéreo y por carretera, favorece para ubicar la planta en tal estado. La región se sitúa en Jiutepec Morelos, en la zona industrial del valle de Cuernavaca (CIVAC). El terreno contemplado para la edificación de la planta es conocido como Tejalpa, cuenta con una superficie plana de 20,000 m2, el costo es de 1.2 millones de dólares.

Figura 1. Ubicación de la planta en el parque industrial CIVAC. Morelos.

5. Desarrollo experimental 5.1 Métodos de procesamiento y extracción. Secado El secado o deshidratación de materiales biológicos (en especial alimentos), se usa como técnica de preservación. Los mecanismos que provocan la descomposición de los alimentos no pueden crecer y multiplicarse en ausencia de agua. Además, varias de las enzimas que causan los cambios químicos en alimentos y otros materiales biológicos no pueden funcionar sin agua. Los microorganismos dejan de ser activos cuando el contenido de agua se reduce por debajo del 10% en peso. Sin embargo, generalmente es necesario reducir este contenido de humedad por debajo del 5% en peso en los alimentos, para preservar el sabor y su valor nutritivo, además los alimentos secos pueden almacenarse durante periodos bastante largos.2

2 . Geaankoplis J.C. “Procesos de transporte y operaciones unitaria”, Continental. Primera edición. Páginas 435-440.

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Lixiviación

En la actualidad el uso del extracto del chilacayote como agente hipoglucemiante y antioxidante se contempla como un tratamiento alternativo, por este motivo no existen antecedentes de métodos industriales de extracción. Para extraer los compuestos activos (D-Quiro-Inositol, Mio-Inositol, Fagopiritoles) identificados por Tao Xia y Qin Wang 2006, se eligieron los métodos de extracción, que a continuación se describen.

El proceso de lixiviación consiste en disolver el mesocarpio del fruto inmaduro, seco y molido, en un solvente, después se deja la mezcla en un lixiviador a temperatura y agitación constante durante un tiempo. El solvente extrae los compuestos solubles en él y los sustrae debido a la diferencia en concentración entre el solvente y el sustrato3. Los extractos se efectuaron utilizando como solvente metanol y agua, con chilacayote freso y seco por maceración a diferentes temperaturas. En la Tabla 4 se exponen las condiciones de las muestras.

Tabla 4. Condiciones de las muestras.

muestra T (ºC) Solvente Observaciones1 30 Metanol CF seco

2 40 Metanol CF seco

3 50 Metanol CF seco

4 50 Agua CF seco

5 50 Agua CF seco filtrado

6 50 Agua CF fresco

filtrado Extracción por CO2 supercrítico La extracción por CO2 supercrítico consistió en colocar una muestra de chilacayote seco de 3g en un reactor por lotes con agitación, dejando pasar el flujo de Aire y CO2 a través del reactor a condiciones supercríticas, arrastrando los compuestos del chilacayote afines al CO2 supercrítico hasta una celda (ver Fig. 2). Para obtener los compuestos contenidos en la celda se uso un solvente polar (Metanol). Por último empleo el rotavapor para reducir 20 veces el volumen de metanol en el extracto. Se realizaron dos mediciones por cada condición descrita en la Tabla 5. La diferencia en la operación es la adición del flujo del co-solvente (Metanol).

3 Banderas-Dorantes T. R., Román-Ramos R. (2006). Mecanismos de acción hipoglucemica de extractos obtenidos de plantas antidiabéticas, Tesis Maestría UAMI.

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Figura 2. Esquema del proceso de extracción con CO2 supercrítico.

Tabla 5. Variables de extracción de CO2 supercrítico. Condición T (ºC) P

(bar) Co-solvente

(ml/min) Agitación

(rpm) Tiempo

(hr) 1 45 150 No 870 3 2 45 120 No 870 3 3 45 80 Metanol (0.99) 870 3 4 45 120 Metanol (0.99) 870 3

5.2. Métodos de identificación y caracterización de compuestos activos Cromatografía de capa fina Para identificar los ingredientes activos cualitativamente, en diferentes extractos se usó el método de cromatografía de capa fina. En una placa de silica gel con indicador fluorescente, se colocaron las muestras y estándares, se secó y después se colocó en la cámara de cromatografía que contenía una mezcla de disolventes [Geankoplis, 1998], el disolvente asciende arrastrando los compuestos a diferentes velocidades, al final se saca la placa de la cámara y se deja secar, luego, la lámpara de UV permite observar los diferentes compuestos que se tienen en el extracto.

Entrada de CO2 

Entrada de refrigerante 

Reactor  de extracción 

 

 

 

 

Cosolvente 

Conexión a la ventilaciónBomba 

Filtro  

Válvula de flujo 

Válvula de flujo 

Entrada de aire 

 

Válvula de restricción 

Celda colectora 

Bomba 

Válvula de flujo 

Salida de refrigerante 

Válvula de drenado 

Conexión a la ventilación

Válvula de flujo 

Control

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Espectroscopia infrarroja La espectroscopia infrarroja es un método de análisis instrumental usado para identificar estructuras moleculares en compuestos orgánicos de muestra liquidas, sólidas o gaseosas. Toma en consideración la vibración de las moléculas al ser sometidas a la interacción de la radiación infrarroja, generando u proceso de absorción. Cuando la radiación infrarroja pasa a través de las moléculas que están en un cierto nivel de energía, absorben energía y cambian su energía neta, incrementando su vibración natural. Dando como resultado un cambio en el momento bipolar de la molécula (Jiménez-Vieira et al, 2001). Para una mejor interpretación del espectro de la muestra, se identifico a los compuestos puros (D quiro inositol y mio inositol). Ambas muestras presentas espectros similares esto se debe a la técnica que no hace distinción entre isomeros, pero se puede hacer una valoración cualitativa de los extractos para determinar la presencia de los compuestos. Análisis del contenido de fenoles totales El método modificado de Folin-Ciocalteu [Dewanto y col., 2002] se utilizó para determinar el contenido total de fenoles en las muestras obtenidas de extractos de CF en metanol y agua. El procedimiento consistió en colocar 1.58 ml de agua destilada en un tubo de ensaye, agregar lμ20 de muestra y lμ100 el compuesto de folin, esperar que reaccione 8 min, después, añadir al tubo de ensaye lμ300 de carbonato de sodio al 20 %, la solución se agita y se deja reaccionar 30 min, en un baño a 40 ºC. Las lecturas de absorbancia se realizaron a una longitud de onda de 765 nm en un espectrómetro Genesys 2 (Spectronic). La cuantificación de fenoles totales se llevo a cabo a través de una curva de calibración ( )8114.55.813 += AC de concentración de ácido gálico (C) en función de la absorbancia (A), que define la cantidad de fenoles totales equivalentes a mg de ácido gálico /L de extracto.

Fig. 3. Curva de calibración para la determinación de fenoles totales.

0

100

200

300

400

500

600

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Absorbancia

Con

cent

raci

ón d

e ac

ido

galic

o (m

g/l)

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Para expresar la concentración de fenoles totales por gramo de chilacayote seco se empleo la relación de volumen de extracto por masa de CF seco de cada muestra. Lo anterior dio a conocer el rendimiento de la extracción en función de la masa del chilacayote. En las extracción de chilacayote fresco se uso el porcentaje de humedad experimental (93.17%) para establecer la cantidad equivalente de masa seca, y así definir en todas las muestras el contenido de fenoles totales en equivalentes a mg de ácido gálico/ g de CF seco. Cinética de extracción y degradación Las cinéticas de extracción y degradación se elaboraron monitoreando la cantidad de fenoles totales en muestras de extractos de chilacayote seco y fresco a diferentes temperaturas, con dos solventes: agua y metanol. Los extractos de chilacayote seco tenían una relación de 1g de CF en 22ml de solvente, para el caso del chilacayote fresco la proporción es de 5g de CF por 20 ml de agua. Determinación de la capacidad Antioxidante (ABTS)

Actualmente el método ABTS es ampliamente usado para materiales biológicos, compuestos puros o extractos de plantas de naturaleza hidrófila o lipofílica. El compuesto cromógeno ABTS presenta color azul/verde con máximo de absorción a 342nm, es muy soluble en agua y químicamente estable [Dewanto y col., 2002]. El radical ABTS·+ una vez generado por medio de enzimas (peroxidasa, mioglobina) [Dean y col., 1997] o químicamente (dióxido de manganeso, persulfato potásico o ABAP [2,2'-azobis-(2-amidinopropeno) HCl]], pasa a presentar nuevas características con máximos de absorción a 414, 645, 734 y 815nm [Le Core y col., 2004].

El radical ABTS·+ es más indicado para ensayos de compuestos coloreados, por presentar absorción máxima próxima a la región infrarroja (734nm), reduciendo posibilidades de interferencias de compuestos coloreados que absorben en la región del visible o compuestos resultantes de reacción secundaria. Además el radical generado químicamente con persulfato potásico, desarrollado por [Halliwell y col., 1990], fue validado por su estabilidad, reproducibilidad y por ser una alternativa mucho más viable.

Con modificaciones en la metodología desarrollada por [Le Core y col., 2004] el radical ABTS·+ se forma tras la reacción de ABTS (7mM) con persulfato potásico (4.9 mM, concentración final) incubados a temperatura ambiente y en oscuridad durante 16h, conforme el siguiente procedimiento.

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Pasos para realizar la prueba de capacidad antioxidante en extractos de CF.

1. Preparar una solución de ABTS 7mM 2. Elaborar una mezcla de la solución anterior con persulfato potásico

( )( )242 SOK 4.9 mM en una relación (1:1), con el fin de formar el radical ABTS·+, dejar reaccionar por 16 horas.

3. Disolver la solución anterior en agua, hasta obtener una absorbancia de 0,700 ± 0,200, leer en el espectrofotómetro a 730 nm. La disolución es aproximadamente (0.5mL de la solución del radical ABTS·+ mas 44.5 ml de agua).

4. BLANCO: A un 1 ml de radical ABTS·+ agregar 1 ml de agua. 5. MUESTRA: A un 1 ml de radical ABTS·+ agregar 1 mL del extracto de

chilacayote (CF) diluido (500µl/100ml de agua). OBSERVACIÓN: La muestra debe ser disuelta hasta tener una inhibición (perdida del color) entre 20 y 80% del radical ABTS·+

6. Correr muestras hasta lograr la estabilidad. 7. Calcular el porcentaje de inhibición de acuerdo a la siguiente relación:

1001%0

xA

AInhibición fM

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

8. Elaborar una curva de calibración (% inhibición vs. [ácido ascórbico]), con el

propósito de obtener la concentración equivalente a ácido ascórbico.

1001%0

xA

AInhibición fM

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

6. Resultados de la parte experimental Identificación de compuesto activos por cromatografía en placa fina En una placa de silica gel con indicador fluorescente se colocaron 8 muestras de extractos, Mio-inositol como estándar, la placa se coloco en la cámara de cromatografía que contenía una mezcla de benceno, acido acético, metanol (1:1:3) como disolvente [Joseph y col., 2000]. Las muestras de los extractos por CO2 supercrítico son las numeradas de 1 a 5, las muestras EM, M y M3 son extractos por solventes de etanol-metanol (1:10), metanol a 50°C y metanol a temperatura ambiente, respectivamente y en la última se coloco el estándar Mio-inositol (E). Las muestras EM, M, M3 denotan una diferencia, se marco su trayectoria en la placa, implicando el contenido de compuestos que no se hallan en las otras muestras.

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Se realizo de nuevo la cromatografía en una placa de silica gel con una solución buffer de acido bórico y una mezcla: benceno, acido acético y butanol (1:1:3) para disminuir la polaridad del medio. No se obtuvo una buena separación de los diferentes compuestos, por consiguiente se cambia la mezcla de solventes en la cámara de cromatografía a metano, acido acético y acetato de etilo (1:1:3), con la adición de los estándares D-quiro-inositol y D-pinitol a la placa. Las observaciones se resumen en la Tabla 6.

Tabla 6.- Valores cualitativos de la cromatografía en placa fina. Muestra Extracto T(°C) Medio

benceno, acido acético, metanol

(1:1:3)

benceno, acido acético, butanol

(1:1:3) 1 CO2 SF 45 muy polar muy polar 2 CO2 SF 45 no se observo no se observo 3 CO2 SF 45 muy polar muy polar 4 CO2 SF 45 muy polar muy polar 5 CO2 SF 45 muy polar muy polar 6 ETOH-

MEOH (1:10) 50 muy polar, diferente

compuesto muy polar, diferente

compuesto 7 MEOH 50 muy polar, diferente

compuesto muy polar, diferente

compuesto 8 MEOH 20 muy polar, diferente

compuesto muy polar, diferente

compuesto 9 Mio-Inositol No velocidad igual que las

muestras velocidad igual que las

muestras 10 D-Pinitol No velocidad igual que las

muestras velocidad igual que las

muestras 11 D-Quiro-

Inositol No velocidad igual que las

muestras velocidad igual que las

muestras Identificación de compuesto activos por espectroscopia infrarroja Los datos reportados (Smith, 1998) dan a conocer en las pruebas con espectroscopia infrarroja, que los polifenoles tienen absorción de energía entre 3000-3400 m-1, la otra señal importante se le puede atribuir a un aminoácido aunque no es posible asignar con total certeza a que aminoácido corresponde.

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Fig. 4. Espectrograma de muestras puras y extracto.

Cinética de secado La cinética de secado se construyo monitoreando la perdida de masa del material húmedo con el tiempo, con base en la referencia de la humedad absoluta del chilacayote que se obtiene por medio del TGA (Thermo-Gravimetric Apparatus). Esta cinética definió el tiempo necesario para retirar el agua contenida en el chilacayote. En la Fig. 5 se muestra la evaporación de agua contenida en la CF con respecto al tiempo, de la cual se obtiene la humedad absoluta (93.17%).

Fig. 5. Pérdida de humedad en el tiempo de CF, medida en el TGA.

1629.80

3289.40

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

4006008001000120014001600180020002200240026002800300032003400360038004000

longitud de onda (1/cm)

%T

D chiro inositol Mio inositol Muestra

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Tiempo [min]

X [g

de

agua

/g d

e so

lido]

17

La Fig.6, muestra la información de humedad libre y tiempo, si se convierten los datos a regímenes de secado, expresados como R (g de H2O evaporada/ h·cm2), y se lleva a un gráfico en función del contenido de humedad libre, calculando las pendientes a las tangentes trazadas a la curva de humedad contra tiempo, de pequeños cambios (ΔX) en el contenido de humedad para los correspondientes cambios en el tiempo (ΔT) y calculando el régimen de secado como: R= -Ls· Δx/ A·Δt. Donde Ls es el peso del sólido seco y A es la superficie húmeda sobre la que fluye el gas, a través de la cual se llevo a cabo la evaporación.

Fig. 6. Curva de humedad libre, determinada en el túnel de secado. Extracción por CO2 supercrítico Se identifico y calculo la cantidad de fenoles totales en los extractos de chilacayote por CO2 supercrítico, las condiciones de la muestra se plantearon en la Tabla 5 y los resultados se muestran en la Tabla 7. Es evidente que la extracción presento una cantidad baja de contenido de fenoles totales.

Tabla 7.- Fenoles Totales en los extractos de chilacayote por CO2 supercrítico.

Condición 1 2 3 4 Fenoles Totales (mg AG/ g CF seco) 0.0000 0.2666 0.3202 0.3337

El proceso de extracción emplea una gran cantidad de CO2, aproximadamente un tanque por 2 extracciones, para una muestra de 3g. La extracción se lleva acabo en 3 horas, mientras que el tiempo empleado para llevar el sistema a las condiciones de operación y descarga es de 6 horas, si a nivel laboratorio el tiempo es prolongado y los rendimientos son bajos, la extracción por CO2 supercrítico no conviene.

0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.505.005.506.006.507.007.508.008.509.00

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Tiempo (min)

X (g

agu

a/g

sólid

o)

Humedad constante Inicio estabilización

18

Lixiviación Las condiciones de las muestras de las extracciones por lixiviación se presentan en la Tabla 8, con una frecuencia de monitoreo de una hora, determinando así la cinética de extracción y degradación por la cuantificación de fenoles totales.

Tabla 8.- Condiciones de las muestras.

muestra T (ºC) Solvente Observaciones 1 30 Metanol CF seco 2 40 Metanol CF seco 3 50 Metanol CF seco 4 50 Agua CF seco 5 50 Agua CF seco filtrado

6 50 Agua CF fresco filtrado

7 Ambiente Agua Método Tradicional

Cinética de extracción y degradación En las Fig. 7, 8, 9, 10, 11 y 12 se muestran la tendencia de las muestras de la Tabla 8.

Fig. 7. Cinética de extracción de los extractos de CF seco con metanol y el método

tradicional.

19

En la Fig. 7 se puede observar que el contenido de fenoles totales aumenta proporcionalmente a la temperatura en el tiempo, obteniendo una mejor extracción, con metanol como solvente de fenoles totales en CF a 50°C. También se verifica en la Fig. 7 que después de un tiempo de 7 horas la extracción tiende a comportarse de forma constante, este comportamiento se le atribuye al agotamiento de sustancias activas en el sólido. Además se observa que la cantidad de fenoles que se obtiene por el método tradicional es mucho menor que en los extractos con metanol. Considerando que la mejor extracción con metanol fue a 50°C, se llevaron acabo las extracciones con agua a la misma temperatura, que se muestra en la Fig. 8

Fig. 8.- Cinética de extracción de los extractos de CF seco con agua.

En comparación con las extracciones realizadas en metanol, para este caso en la Fig. 8 se puede observar un rendimiento mayor en la extracción de fenoles totales aproximadamente del 40% sin llegar a un comportamiento constante, es decir, si la extracción se monitorea por más de 10 horas el contenido de fenoles totales probablemente aumentaría aun más. Al realizar la extracción de la Muestra 4 el aumento en la cantidad de fenoles, tentativamente se contribuía a la cantidad de sólidos presentes en el extracto, para descartar tal situación al realizar la prueba de fenoles totales en la Muestra 5, esta se filtro con un filtro de 45 mμ . Se observa un incremento del 10 % de fenoles totales al filtrar la muestra en comparación con la muestra no filtrada. Al obtener mayores rendimientos en la extracción utilizando como solvente agua, se descarta utilizar el metanol en la extracción.

0.00.40.81.21.62.02.42.83.23.64.04.44.85.25.66.06.46.87.27.68.08.48.89.29.6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Tiempo (hr)

Feno

les

Tota

les

(mg

de A

cido

Gal

ico/

g de

CF

seco

)

Muestra 4 Muestra 5

20

Con la posibilidad de eliminar la operación de secado, se efectuaron extracciones con chilacayote fresco, obteniendo concentraciones mayores de fenoles totales. Por lo que se procedió a elaborar la cinética de extracción, obteniendo los resultados que se muestran en la Fig. 10

Fig. 10.- Cinética de extracción del extracto de CF fresco con agua. Los rendimientos obtenidos de fenoles totales en extracto de la Muestra 6 se pueden observar en la Fig. 10 (11.41 mg de Acido Gálico/g de CF seco), con un incremento del aproximadamente del 200% en comparación con la muestra de menor contenido de fenoles. El tiempo en el cual la extracción permanece constante se logra aproximadamente en 7 horas, de forma similar a las extracciones con metanol. En la Fig. 11 se muestran todas las cinéticas de extracción de todas las muestras, para realizar una comparación de los rendimientos de cada una, corroborando que la extracción de chilacayote fresco en agua (Muestra 6) es la más conveniente, por lo tanto, es conveniente realizar la cinética de degradación de fenoles totales para este caso.

Fig. 11- Cinéticas de extracción.

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Tiempo (hr)

Feno

les

Tota

les

(mg

de A

G/g

CF

seco

)

Muestra 6

21

Fig. 12.- Cinética de degradación.

En la extracción de chilacayote fresco en agua (Muestra 6), en la Fig. 12, se observa que después de un tiempo de 7 horas la cantidad de fenoles en el extracto empieza a disminuir, en otras palabras comienza la degradación de compuestos fenólicos en el extracto. Después de monitorear 12 horas el extracto, sufre una degradación aproximadamente de 60% (de 11.41 a 6.41 mg de Acido Gálico/g de CF seco) del contenido de fenoles totales en el extracto, tal situación se puede apreciar en la Fig. 12. En la Fig. 13 se muestran la cinética de extracción y degradación del extracto filtrado de chilacayote fresco con agua.

Fig. 13.- Cinética de extracción y degradación. En la Fig. 13 se aprecia que el contenido máximo de fenoles solo se mantiene aproximadamente por una hora (Intervalo de 7 a 8 horas). Después, en 12 horas la degradación es aproximadamente del 50%, con una velocidad constante.

6.0

6.4

6.8

7.2

7.6

8.0

8.4

8.8

9.2

9.6

10.0

10.4

10.8

11.2

11.6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21Tiempo (hr)

Feno

les

Tota

les

(mg

de A

cido

Gal

ico/

g de

CF

seco

)

Muestra 6

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21Tiempo (hr)

Feno

les

Tota

les

(mg

de A

cido

Gal

ico/

g de

CF

seco

)

Muestra 6

22

Capacidad antioxidante de extractos de chilacayote La prueba de la capacidad antioxidante fue realizada por el método del ABTS, en un extracto de metanol y en uno de agua, como solventes, utilizando en ambos casos chilacayote seco.4

Fig.14.- Comportamiento de la capacidad antioxidante de los extractos de metanol y agua con chilacayote seco.

En la Fig. 14 se ilustra la tendencia de la pérdida de color, por lo que la absorbancia disminuye en el tiempo, aunque el extracto de metanol tiene mayor absorbancia, este alcanza la estabilidad a los 8 minutos, mientras que el extracto de agua no alcanza la estabilidad, por lo que es necesario hacer el barrido por más tiempo. El hecho de que el extracto con agua no alcance la estabilidad, implica que este tiene una capacidad antioxidante mayor, ya que el extracto es capaz de captar radicales libres durante más tiempo. 6.1 Formulación Protección de los extractos Las sustancias contenidas en los extractos de chilacayote al estar en contacto con el medio ambiente tienden a degradarse y por lo tanto perder su efecto hipoglucemico y antioxidante, es por ello necesario proteger a las moléculas. Los aditivos protectores de origen natural cumplen con tal cometido y es por ello que se elige utilizar hidrocoloides, que además de tener características reologicas especiales pueden ayudar a proteger a los elementos propensos a la degradación, también son buenas fuentes de fibra.

4 La prueba de ABTS no se realizo en el extracto de agua con chilacayote fresco, ya que tal prueba fue llevada acabo antes de que se identificara las mejores condiciones de extracción.

0.32

0.34

0.36

0.38

0.40

0.42

0.44

0.46

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Tiempo (min)

Abs

orba

ncia

Extraccion en Agua Extraccion en metanol

23

Se propone que al analizar las curvas de secado de las mezclas de aditivos protectores, aquellas que son secadas con mayor dificultad tienen una mayor energía de activación y por lo tanto serán mejores protectores (Pérez-Alonso et al, 2003). Rodríguez-Huezo et al (2006) reportan estudios sobre coloides protectores, analizan combinaciones de gomas, proteínas y carbohidratos para lograr aislar compuestos activos de la difusión de oxígeno del medio circundante y con ello proteger a las moléculas. Se concluye que las mejores mezclas protectoras reportadas son tres:

1. 17% proteína de suero-17% goma de mezquite-66% maltodextrina 2. 17% goma arábiga-66% goma de mezquite-17% maltodextrina 3. 50% goma arábiga-50% goma de mezquite

De las opciones, la primera se descarta por contener una proteína de suero susceptible a la descomposición en tiempos cortos de almacenaje, la tercera mezcla se deja como una posibilidad, pero con menor factibilidad debido al alto contenido de gomas, dan como resultado cambios en la viscosidad del producto final. Entonces, se elige la segunda mezcla, por tener una energía de activación más alta que la mezcla tres, lo cual garantiza una mayor protección de los compuestos activos (Rodríguez-Huezo et al, 2007), además de contener maltodextrina que es un coloide protector que carece de propiedades espesantes. Whisler, (1993) propone que a concentraciones no superiores al 5% en peso, para soluciones acuosas, las gomas se disuelven fácilmente en agua. Agentes saborizantes La elección de los agentes saborizantes están ligados íntimamente a la naturaleza de los extractos, como se diseña un producto nutraceutico todos los componentes deben ser naturales o derivados de productos naturales y además deben ser productos componentes que aporten algún beneficio extra a la bebida. Se eligió polidextrosa como endulzante por ser una fuente potencial de fibras solubles, tener un alto poder endulzante y bajo nivel calórico. Para la formulación propuesta se recomiendan 3g por cada 250 ml de bebida (Beristain et al, 2006). Para dar sabor la bebida se escogió extracto de naranja, es un producto derivado de productos naturales y muy popular entre los sabores disponibles para bebidas, se adicionara a razón de 300 mg por kilogramo de producto (Morton, 1986).

24

7. Diagrama del Proceso Después de la experimentación realizada se ha logrado eliminar la operación de secado del chilacayote, lo cual lleva a un replanteamiento en el proceso del diseño (Fig. 15).

Fig. 15. Diagrama del proceso de elaboración de un producto neutraceutico a partir del

extracto de chilacayote.

25

7.1 Plano de la Planta de producción WETAN A partir de la Fig. 15 se desarrolla en la Fig. 16, el plano general de la planta de proceso WETAN, especificando las áreas que conforman tal, principalmente: almacén de materia prima, área de proceso, área de envasado, almacén de producto terminado, oficinas y servicios, y las principales vías de transito. También se proporciona una aproximación de longitudes de las redes de flujos en la planta.

Fig. 16 Diseño y distribución de la planta de producción

Descripción del proceso Después de realizar la actividad de seleccionar y limpiar el chilacayote fresco, se procede a triturar el mismo, para después depositarlo en el reactor por lotes, donde se realizara la lixiviación durante 6 horas, filtrando posteriormente, en esta etapa se obtendrán los subproductos del proceso. Al extracto se le adicionara protectores para evitar la degradación del producto y endulzantes. Una bebida es la mejor elección de presentación del producto, debido a que se obtiene un extracto acuoso.

Superficie 11,700 m2 Agua 100 m Vapor 85 m Extracto 20 m Producto 75 m Protectores 30 m

26

7.2 Producción y dosis

La planta produce aproximadamente 100,000 productos nutraceuticos al día, en una presentación de bebida de 250 ml y el consumo de un bebida es equivalente a la dosis diaria requerida para una persona de masa corporal promedio de 70 Kg con diabetes mellitus tipo II. La cantidad de ingredientes activos que contienen una dosis se determina al relacionar la dosificacion reportada del metodo tradicional (Soto y Román [1994], Acosta-Patiño y Jimenez [2001]), tres tomas de 250ml de extracto a una persona con masa corporal promedio, con la cantidad de fenoles totales de este extracto 0.1314     ⁄ y el del lixiviado del proceso 11.409     ⁄ . El contenido de una dosis se muestra en la Tabla 9.

Tabla 9. Contenido de compuestos activos en una dosis para una masa corporal promedio de 70 Kg

Compuesto activo Cantidad (mg) Acido Galico (fenoles y antioxidantes) 24.22

D-chiro-inositol 24.22 Total 48.44

Se determina la cantidad de DCI por dosis al relacionar la cantidad de fenoles totales en el extracto obtenido del procedimiento establecido por Xia y Wang 2006, con la cantidad de DCI reportado, resultando que por cada gramo de fenoles totales equivalentes a ácido gálico se obtiene un gramo de DCI.

8. Balances

Los balances se establecen a partir de la producción y el contenido de la dosis, para obtener la cantidad de materia prima necesaria, insumos de energía y costos del stock de producción.

8.1 Balance global de materia

A partir de los flujos de entrada y salida globales del proceso se realizan los balances individuales del equipo para posteriormente realizar su diseño. En las siguientes Tablas 10, 11 y Figura 17 se muestra el balance global de materia.

Compu

Agu

CF

Celul

DC

Acido G

Protec

Sabori

Endulz

Total p

Tot

uesto E1

ua --

F 1554

losa --

CI --

Galico --

ctores --

izante --

zante --

parcial 1554

tal

Comp

AgC

CeluDC

Acido GTotal p

To

Figura 17.

Tabla 10. Ba(Kg) E2

----- 310.

4.0783 ---

----- ---

----- ---

----- ---

----- ---

----- ---

----- ---

4.0783 310

Tabla 11. B

uesto C

ua F 15losa CI Galico parcial 15tal

.- Diagrama d

alance globa(Kg) E3 (

8157 6216.

---- ----

---- ----

---- ----

---- ----

---- ----

---- ----

---- ----

0.81 6216.

14318.88

alance globa

C1 (Kg)

------ 554.0783

------ ------ ------

554.0783

del Balance

al de materia,Kg) E4 (K

3133 5484.1

--- ----

--- ----

--- ----

--- ----

--- 598

--- 3.77

--- 150.

3133 6237.6

al de materia

C2 (Kg)

------ 1554.0783

------ ------ ------

1554.07831711

global de ma

, Entradas y Kg) S1 (Kg

1691 310.81

-- ------

-- ------

-- ------

-- ------

8.8 ------

72 ------

94 ------

6811 310.8

a, flujos inter

C3 (Kg)

7457.15------

310.8151.2111.211

7770.3915.8672

ateria.

Salidas. g) S2 (Kg)

57 1222.252

- ------

- 310.8157

- 0.0024

- 0.0024

- ------

- ------

- ------

1 1533.072

14318.8

rmedios.

) C4 (K

4 6234.9-----

7 -----1.2081.208

17 6237.3

) S3 (Kg)

23 11719.071

------

7 ------

1.2086

1.2086

598.8

3.772

150.94

28 12475

88

Kg)

017 - - 86 86 189

27

1

28

9. Diseño del equipo

9.1 Almacenamientode materia prima

Si la capacidad de la planta es pequeña o si el recipiente de entrega es grande, los recipientes de almacenamiento de materia prima serán mayores. Deben ser cuando menos 1.5 veces el tamaño del recipiente de entrega.

Los tanques grandes de almacenamiento a presión admosférica se emplean universalmente para mantener la materia prima para su procesamiento o para los productos que esperan su embarque. Para asegurar una operación ininterrumpida el diseñador proporciona generalmente una capacidad de aproximadamente 30 días de almacenamiento de materia prima y los productos manufacturados. Con base a las consideraciones anteriores en el proceso de producción WETAN se propone el almacen descrito en la Tabla 12 y 13.

Tabla 12. Almacenamiento a presión admosférica de techo fijo (cónico). Tamaño máximo típico

Volumen (m3) 100000 Longitud (m) 15 Diametro (m) 90 Relación L-D Menor a 2

Tabla 13. Almacenamiento a presión atmosférica de techo fijo (cónico),Características principales.

Medio de almacenamiento Sólido Orientacion Eje vertical Mecanismo de descarga Trasportador de sólidos Tiempo de residencia 30 días Intervalo de temperatura (°C) 10-40°C Materiales comunes de construcción Acero al carbon

En la Tabla 14 se indica la cantidad de materia prima en el almacen de la planta.

Tabla 14. Materia prima en el almacen Materia prima Cantidad (Kg)

CF 62000 Desinfectante 3500

Dextrosa 12500 Protectores 24000

Saborizantes 200 Endulzante 6000

29

Por lo que el almacén tiene una zona para CF que corresponde a la mitad del mismo y la otra parte a los restantes ingredientes.

9.2 Trasporte de materia prima para la alimentación del proceso

Las características de la CF que se deben considerar para el transporte principalmente son el estado físico “sólido” y el diámetro (entre 10 y 15 cm). Por tales características se ha optado por un trasportador de flujo continuo.

Transportador de flujo continuo

Este transportador es muy flexible, aunque relativamente caro y se encuentra disponible en numerosas configuraciones y modificaciones. El elemento trasnportador es una cadena o banda movil con rastrillos o paletas sobresalientes, que arrastran sólidos a lo largo de la cadena o banda.

Se necesitan dos canales, uno de operación completa para transportar y uno para el regreso de la banda o cadena. A causa de la flexibilidad por la continuidad, estos transportadores son compactos y pueden fabricarse en numerosas configuraciones para seguir trayectorias tortuosas horizontales o trayectorias de flujo vertical. Las características convenientes de auto alimentación y auto descarga de los transportadores de flujo continuo contribuyen a la flexibilidad de su uso. De esta manera, frecuentemente se les escoge por sus operaciones relativas de baja capaciddad en donde la conveniencia y la versatilidad justifican su precio más alto. Acontinuación se muestran en la Tabla 16 criteiros y datos para el diseño del equipo de transporte de sólidos, de flujo continuo.

Tabla 15. Tamaño máximo típico del trasportador de flujo continuo. Tamaño máximo típico

Longitud (m) 10-50 Diametro (m) 0.15-1

Tabla 16. Características en el diseño del equipo de transporte de sólidos, de flujo continuo (cadena o paleta).

Caracteristicas Descripción

Intervalo de tamaño de equipos comunes Diamétro (m)=0.15-1 Longitud (m)=10-50

Capacidad máxima de sólidos (Kg/s) 50

Compatibilidad Con sólidos polvosos y no presenta problemas de control de temperatrura

Elevación vertical Sin limitaciones Ángulo de inclinación limitado Sin limitaciones

Costo relativo anual Moderado

Consumo de potencia (Kw) 0.07 *( flujo másico(Kg/s)0.85 *(Longitud)

30

Con base a la información anteiror se necesita un trasportador de flujo continuo de 20 m de longitud y diametro 0.5 m, con un flujo másico de 5 Kg/s. Determinando el consumo de energía de 5.5 Kw.

Fig. 18. Transportador de flujo continúo

9.3 Limpiadora

Esta operación elimina suciedad, tierra, bacterias superficiales, mohos y otros contaminantes como insecticidas y fertilizantes. El chilacayote es un fruto duro y de tamaño mediano, por lo tanto se lava en equipos rotatorios o de rodillos rotatorios (FAO).

Fig 19. Diagrama de la maquina lavadora de frutas.

La limpiadora cuenta con aspersores y rodillos rotatorios, consume 3 Kw, con un flujo de 5 kg/s.

9.4 Cortadoras

En la busqueda de escalar las condiciones de la materia prima, de acuerdo a lo realizado en la parte experimental, la operación de cortado se efectua con una cortadora giratoria picadora o de cubos, la cual tiene las características mostradas en la Tabla 17 y 18.

Tabla 17. Capacidad máxima típica de una cortadora.

Caracteristica Valor

Diametro máximo de párticulas alimetadas (m)

0.3

Relación de reducción típica máxima (R) 50

Capacidad máxima (Kg/s) 50

31

Tabla 18. Características en el diseño de la cortadora.

Especificaciones Descripción

Características de eficiencia

Excelentes en la distribución de tamaño y

compatibilidad

Consumo de potencia (Kw), para material suave

100*flujo másico (Kg/s)

Quebrado intermedio (cm)

(0.5-0.3)

Materiales tipicos procesados

Sólidos orgánicos

El flujo proveniente del transportador de flujo continuo, es la cantidad que debe procesar la cortadora giratoria picadora o de cubos, por lo tanto el lixiviador tiene los 1554.0783 Kg de CF en 5.2 minutos, sin contar los tiempos muertos. Por lo que el consumo de energía corresponde a 500 Kw.

Fig. 20. Cortadora giratoria picadora o de cubos

9.5 Lixiviador

La lixiviación de los compuestos activos del CF se lleva a cabo en un tanque tipo reactor por lotes. Las condiciones de operación que se presentan en la Tabla 19, se establecen a través de la cinética de extracción obtenida de la sección experimental.

Tabla 19. Condiciones de operación del lixiviador Variables Condiciones

Tipo de operación Por lotes Agitación Mecánica

Temperatura (C) 50, Isotérmico Presión (atm) 1

Accesorio Chaqueta de calentamiento Tiempo de operación (hr) 6

Tamaño (m3) 8.75 Diámetro (m) 1.95

Altura (m) 2.93 Material Acero inoxidable 316

32

El volumen del lixiviador se obtiene del volumen total de la mezcla más el 20% de este. Las dimensiones del lixiviador se especifican con base a la relación de 1.25 veces el diámetro es la altura. El tiempo de operación que se observa en la Tabla 19, no contempla los tiempos de carga y descarga, ni precalentamiento. El Tiempo total de operación es de aproximadamente de 6 horas con 30 min.

Agitación en el lixiviador

El tipo de agitador, sus características y la velocidad de agitación dependen de las propiedades de los componentes de la mezcla en el lixiviador (Tabla 20). La velocidad de agitación depende de la velocidad de sedimentación de los sólidos, para el CF es de 13 cm/s y se obtiene con las propiedades de la Tabla 20 y de acuerdo al procedimiento establecido por Urlich (1986). Por lo tanto al tener una menor a 0.15 m/s es suficiente con una agitación intensa por medio de un impulsor que trabaja a una velocidad de 50 a 500 rpm. Las características del impulsor se describen en la Tabla 21.

Tabla 20. Propiedades de la mezcla adentro del reactor Propiedades Valor

/ 1.5

O / 1 ⁄ 1.5

%  . 0.2 0.4

1 ⁄ 13

Para la Tabla 20:

  Densidad del CF   Densidad del agua   Diametro promedio del CF Viscosidad

Tabla 21. Características del agitador del lixiviador.

Características Tipo Rueda de paletas

Aspas Curvas Material Acero inoxidable 316

Diámetro (m) 1.4 Longitud (m) 2.20

Velocidad de Agitación Intensa Consumo de Energía5 (KW) 7.25

5 Considerando 90% de eficiencia

Para relacioel diáconsu(Ulrich

Chaq

Comoa travvapormantea trav

El lixdesplalo tan

Partie

El cam

Donde

7

6 Valor

el diseño ones estab

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6216.313

1554.078

50

75.4  ⁄

reportado por

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Perry, 1986)

lentamiento

va en la Tachaqueta d

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∆

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∆

33 

3 

25 2

4040.0

⁄

     

    Carrasquero

dor, las de son: la lodel agitadouna agitac).

o

bla 19 el lixde calentamenedor. El actor a unaergía del lix

ma cerrados ∆ 0gía es el sig

∆ ∆

∆ ∆

se expresa

∆

25

0  ⁄ 6

   50

 25 (2001).

dimensionesongitud de ar es 0.7 ve

ción de velo

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flujo de vaa temperatuxiviador que

o, en esta y las fron

guiente:

∆

∆

a de la sigui

s propuestagitador eseces el diámocidad inte

mantiene econsiste eapor y la e

ura constane se expone

ado estacioteras no se

 

ente mane

tas se dans ¾ la alturametro del l

ensa es de

en operación el paso denergía ne

nte de 50 °Ce a continua

onario ∆e mueven

ra:

n según la del tanquixiviador y 7.25 KW/m

ón isotérmide un flujo decesaria paC, se conoación.

0 , s0 , p

(1)

(2)

(3)

33

as ue,

el m3

ca de

ara ce

sin por

34

El calor necesario para calentar la mezcla en el lixiviador es:

  ∆    ∆ 168,679,658.9  (4)

El tiempo de precalentado de la mezcla es de 10 min, por lo tanto la energía necesaria para calentar la mezcla es de 281132.76  / . El área de transferencia de calor   es de 17.87m y el coeficiente de transferencia de calor es de 990     ⁄ según lo reportado en tablas por Urlich (1986) y la temperatura de entrada del vapor es de 120 , a partir de estos datos y el calor necesario para mantener el lixiviador a una temperatura constante de 50 se determina que la temperatura de salida del vapor de agua es de 110.68 , auxiliándose con la Ecuación 5.

  ∆ ∆∆∆

  (5)

Donde:

∆ ∆

,     ,    

,       ,     El vapor tiene , 141333.33  ⁄ y su flujo se calcula con las Ecuaciones 1 y 3, obteniendo un valor de 0.2176  / ( Welty, 2001).

Para mantener la temperatura constante dentro del lixiviador se cuenta con termopares conectados a un control proporcional integral diferencial que anticipa los cambios o perturbaciones de temperatura, mediante la disminución o aumento del flujo de vapor según sea el tipo de perturbación. El control se realiza con base a los balances de materia y energía en el reactor. (stephanopoulos,1984) .

En la Figura 21 se muestran los flujos de entrada y salida del lixiviador por lotes que se especifican por medio del balance de materia que se presenta en la Tabla 21.

35

Figura 21.- Flujos de Entrada y salida del reactor

Para realizar el balance de materia se caracterizo al chilacayote con una composición del 20% de bagazo (Celulosa) y 80% de agua que contienen los compuestos activos (DCI y Acido Gálico), lo anterior con base en la humedad promedio del chilacayote y la cantidad de cascara del chilacayote.

Tabla 22.-Balance de materia en el lixiviador

Compuesto E1 (Kg) E1

(Kg) (vapor)

S1 (Kg) S2

(Kg) (vapor)

Agua 6216.314 783.36 7457.154 783.36 CF 1554.078

Celulosa 310.816 DCI 1.211

Acido Gálico 1.211

Total 7770.392 783.36 7770.392 783.36

36

9.6 Filtrado En el proceso tiene cuatro equipos de filtración. El primer filtro se necesita para limpiar el agua externa que llena el contenedor de agua, el segundo es para recuperar el agua utilizada en la sanitización y los dos últimos filtros son necesarios para separar las partículas solidas finas que contiene el extracto después de agregar los aditivos. Antes de que el extracto pase por los últimos filtros se separan las partículas grandes a través de de una serie de tamices. Tamiz

Esta operación consiste en retirar todos los sólidos grandes presentes en el flujo que proviene del reactor.

Para su construcción se emplean barras metálicas dispuestas paralelamente y espaciadas a 2.38, 0.59, 0.25 y 0.044 mm. Su limpieza se efectúa automáticamente y está construido con mallas dispuestas en una inclinación particular de aproximadamente de 25°, que deja atravesar el agua y obliga a deslizarse a la materia sólida retenida hasta caer fuera de la malla por si sola. La gran ventaja de este tipo de equipos es su bajo costo, el no tener partes móviles. El objetivo de las mallas que componen los tamices es retirar todas las partículas mayores de 0.044 mm. Filtro de Arena En Tabla 23 se presentan las especificaciones del filtro que se emplea para el tratamiento del agua que viene de la toma externa de agua (Urlich, 1986). El filtro de arena consiste en un tanque, donde se ponen estratos graduados de grava y arena y antracita pulverizada. El tamaño de partículas del lecho disminuye del fondo hacia la parte superior. El lecho granular es el medio de filtración y se agrega el flujo que se va a filtrar en su parte superior. El filtrado se retira por un fondo falso o tuberías de drenaje perforadas, empotradas en el medio, cerca del fondo. El filtro está encerrado y funciona a presión. Cuando se excede el límite de pérdida de desnivel, el filtro de arena se limpia por medio de una corriente de agua que se introduce en sentido contrario al de la filtración, la misma que expande la arena y desprende de ella, los sólidos gelatinosos que se acumularon.

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Fig. 22. Filtro de arena.

En la Fig. 22 se observa el esquema del filtro de arena y en la Tabla 23 se muestras las especificaciones del filtro.

Tabla 23. Especificaciones del filtro de arena. Especificaciones Condiciones

Caudal ⁄ 25 Caída de presión (kpa) 3

Cambio del lecho Cada 4 ó 5 años Calidad del filtrado (mm) 0.02

Área de Filtrado (m2) 37 Mantenimiento del filtro (retrolavado) 1 vez al año

Bomba (ph) 4 Material Acero al carbón

El filtro de arena también se utiliza en la recuperación del agua de la sanitización pero de la mitad de las dimensiones que se especifican en la Tabla 23. Filtro Prensa El filtro prensa se utiliza, en los dos últimos filtros, para limpiar las partículas solidas más pequeñas del extracto después de agregar los aditivos, para obtener una mejor consistencia en la bebida, agradable para el consumidor. El filtro prensa consiste en hacer bombear a presión el fluido a través de los filtros provocando que los sólidos se queden pegados en estos, al mismo tiempo que se van comprimiendo los filtros para que los residuos se obtengan secos y sea más fácil su limpieza, tal como se muestra en la Figura 23.

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Tabla 24. Especificaciones del filtro de arena. Especificaciones Condiciones

Caudal (m3/h) 25 Presión (KPa) 20

Espesor de los marcos (cm) 0.5 Dimensiones (WxL) (m) 1.5 x 1.5

Bomba (ph) 4 Material Acero inoxidable 316

Fig. 23. Filtro Prensa automatizado. A) Entrada de barrilas para su limpieza, B) Retiro de

sólidos, C) Limpieza con aspersores de agua. El filtro prensa automatizado facilita el uso de estos filtros que anteriormente necesitaban de un operador a cargo de la limpieza o remoción de la torta. 9.7 Esterilización La esterilización por tratamiento térmico es ampliamente usado en la industria alimentaría para una amplia gama de productos, desde bebidas alcohólicas hasta alimentos para bebes. Pero el uso del tratamiento térmico no garantiza que el producto conserve sus cualidades originales, por el choque térmico puede haber perdida de propiedades como son aromas y la degradación de vitaminas. También la energía que se necesita para un tratamiento térmico es del orden de los 100 kW *hr/m3, que es alto, y después el producto debe ser enfriado súbitamente lo cual implica una unidad extra. La absorción UV efectiva máxima para ADN queda entre 250 y 280 nm.Los rayos de UV a esta longitud de onda se considera germicida, alteran el material genético en células para que las bacterias, virus, moho y otros microorganismos ya no puedan reproducirse y pueden ser considerados como inactivos (Billmeyer, 1997, Bolton, 2001 y Giese, 1997). La desinfección de UV de agua se ha usado en algunos procesos de alimentos como es el caso de la industria cervecera (McCarty & Scanion, 1993), refresco procesando (Gibbs, 2000), y en los procesos de fabricación de queso.

A) B) C)

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Fig. 24. Equipo de esterilización

Para la desinfección mediante este sistema, el material se introduce por la parte superior de la columna desde donde desciende por gravedad, deslizándose por la pared del tubo de cuarzo donde recibe la carga de radiación UV, una lámpara de UV de baja presión con una longitud de 40 centímetros y 30 W de poder total emite 6 W de UV germicida (254 nm) El tubo de cuarzo se seleccionó debido a su transmisión de UV muy alta. Se bombeó aire a través del cerco espacial anular la lámpara para refrigerar porque la eficacia de la lámpara decae a temperatura alta, y tiene efectividad máxima a una temperatura alrededor de 40 °C. El espesor de la película delgada deberá estar en el rango de 0.21 mm a 0.48 mm. Este rango de espesor de película permite la transmisión de UV durante el proceso de la desinfección

Suministro de producto fresco

Producto esterilizad

Tubo de cuarzo

Lámpara UV

Entrada de aire refrigerante

Salida de aire

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9.8 Mezclador En la Tabla 25 se muestran las condiciones generales de operación que corresponden al mezclador.

Tabla 25. Condiciones de operación del mezclador Variables Condiciones

Tipo de operación Por lotes Agitación Mecánica

Temperatura (C) Ambiente Presión (atm) 1

Accesorio Hélice de agitado Tiempo de operación (hr) 2

Volumen (m3) 15 Diámetro (m) 1.9

Altura (m) 2.8

El volumen del mezclador se obtiene del volumen total de la corriente que proviene del filtro más el 20% de este. Las dimensiones del tanque se especifican con base a la relación de 1.25 veces el diámetro es la altura.

El tiempo de operación que se observa en la Tabla 25 no contempla los tiempos de carga y descarga.

Agitación del mezclador

El propósito principal de este equipo es homogenizar el extracto proveniente del lixiviador con los aditivos (protectores, saborizantes y agua). A diferencia del tanque de lixiviación este no depende de la velocidad de sedimentación y dado que todos los compuestos que se vierten son solubles, la velocidad de agitación solo depende del comportamiento de la solubilidad de las gomas.

Si el proceso de mezclado de las gomas con los extractos, se hace a altas revoluciones (>350 rpm) se corre el riesgo de formar espuma que tarda mucho tiempo de disolverse, es por ello que solo en este equipo la agitación es suave, también debe considerarse el orden de mezclado para determinar la agitación. Primero se llena el tanque con la corriente proveniente del los filtros, se agrega el agua, después las gomas, posteriormente el saborizante y finalmente el endulzante. Este orden es preferente, debido a que los aditivos protectores pueden disminuir el efecto de los aditivos saborizantes.

La cantidad de agua que se agrega a este equipo conforma la mayor parte del contenido total del tanque, comparado con el resto de los aditivos, lo cual asegura un régimen laminar dentro del equipo. Para mezclar se usa un agitador con las características de la Tabla 26.

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Tabla 26. Características del agitador del mezclador. Características

Tipo Rueda de paletas Aspas Radiales

Material Acero recubierto de vidrio Diámetro (m) 1.3 Longitud (m) 2.1

Velocidad de Agitación Baja Consumo de Energía8 (KW) 1.75

Para el diseño del agitador las dimensiones propuestas se dan según relaciones establecidas, que son: la longitud de agitador es ¾, la altura del tanque, el diámetro de las aspas del agitador es 0.7 veces el diámetro del tanque y el consumo de energía para una agitación de velocidad baja es de 0.2 KW/m3 (Ulrich, 1986 y Perry, 1986).

Para evitar el uso de deflectores se usa una hélice deslocalizada del centro, tales como las que se muestran en las Figura 25 y 26.

Fig. 25. Hélice deslocalizada del tanque

Fig. 26. Hélice deslocalizada del centro.

8 Considerando 90% de eficiencia

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Antes de adicionar los aditivos al mezclador es necesario disolverlos en tanques con agitación y chaqueta de calentamiento. Las características y condiciones de operación se muestran en la Tabla 27.

Tabla 27. Condiciones de operación de los mezcladores de los aditivos Variables Condiciones

Tipo de operación Por lotes Agitación Mecánica

Temperatura (C) 50, Isotérmico Presión (atm) 1

Accesorio Chaqueta de calentamiento Tiempo de operación (hr) 6

Tamaño (m3) 8.75 Diámetro (m) 1.95

Altura (m) 2.93 Material Acero inoxidable 316

El volumen y dimensiones de los mezcladores de los aditivos se obtienen de las relaciones mencionadas anteriormente en el diseño del mezclador principal. El tiempo de operación que se observa en la Tabla 27, no contempla los tiempos de carga y descarga, ni precalentamiento. Las características del agitador se presentan en la Tabla 28.

Tabla 28. Características del agitador del mezclador. Características

Tipo Rueda de paletas Aspas Radiales

Material Acero recubierto de vidrio Diámetro (m) 1.3 Longitud (m) 2.1

Velocidad de Agitación Baja Consumo de Energía9 (KW) 1.75

9.9 Caldera El medio más común para utilizar el calor en las plantas de proceso es el vapor debido a su bajo costo, limpieza, no corrosividad, gran contenido de energía y gran tasa de transferencia de calor. La economía de operación dictamina que el condensado se recircula siempre que sea posible. La caldera tiene un circuito cerrado con 80% de circulación promedio. La caldera que se emplea en la planta es de tubos de humo, similar a un intercambiador de calor de tubos y envolvente, donde los gases de combustión fluyen a través de los tubos. El tubo central del paquete más grande que el resto, 9 Considerando 90% de eficiencia

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comprende la cámara de combustión. El flujo se invierte al final del paquete y regresa a través de numerosos tubos externos más pequeños. La caldera de tubos de humo se emplea principalmente para generar cantidades modestas de vapor saturado a baja presión, como lo requiere en este caso los dos reactores. La caldera no necesita una limpieza continua, a causa de su geometría. En la Tabla 29 se muestran las especificaciones de la caldera, con base a lo que presenta Ulrich (1986). En la elección de la caldera se considera que existe una pérdida de calor equivalente a un grado centígrado por cada 10 metros de tubería.

Tabla 29. Especificaciones de la caldera. Especificaciones

Relación máxima de vapor ⁄ 25 Trabajo máximo de calentamiento ⁄ 60,000

Fluido de servicio Vapor Temperatura máxima 210

Presión máxima 18 Tipo de Combustible Gas (5 a 10% aire exceso)

Material Acero al carbón 9.10 Bombas Dentro las clasificaciones para bombas centrifugas (flujo axial, radial y regenerativa), la bomba centrifuga radial es la más usual en los procesos químicos. Las bombas de flujo axial, que actúan de una manera muy similar a las propelas de los barcos, son muy apreciadas para mover grandes volúmenes con bajas caídas de presión. Las bombas de turbina o regenerativas son más atractivas para las aplicaciones a alta presión y flujo bajo. Sin embargo ya que las bombas centrifugas radiales pueden efectuar el mismo servicio a un menor precio se opta por usar estas últimas además de ser más fáciles de conseguir. Para calcular la potencia de la bomba que alimenta al tanque de almacenamiento de agua se usa la siguiente ecuación:

di

pqPεεΔ

=

.

Donde:

• q.

es el flujo volumétrico

• iε es la eficiencia intrínseca compensa la fricción y las pérdidas de energía dentro de las bombas.

• dε es la eficiencia del impulsor, que se obtiene de tablas de fabricantes.

27.012.01 −−= qiε

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Tabla 30. Cálculo de potencia para las bombas. Función Potencia (hp)

Abastecer tanque general de agua 3 Alimentar filtro general de suministro de agua 4 Llevar el extracto proveniente de los reactores a los filtros 2 Alimentar el esterilizador UV 2 Llevar el flujo de agua sucia de la limpiadora al filtro 2 Abastecer a la envasadora 2

9.11 Llenadora de envases La producción de WETAN ha sido diseñada para la producción de 100,000 productos por día, con volumen de 250 ml. La necesidad futura de extender la linea del produccto enfoca la idea de contar con una embotelladora que se pueda acoplar a nuevas características del produccto. La serie DN-L, está enfocada para producciones de 1800 a 3000 litros (agua) por hora dependiendo del número de boquillas, es un equipo automático sencillo y versátil con facilidad para cambios de formato de envases. El equipo cuenta con una bomba centrifuga sanitaria y regulador de flujo integral para controlar la velocidad del producto al envasar. Esta tecnología consiste en un sistema de boquillas que penetran y sellan el envase. Por su diseño, recirculan la espuma generada al envasar y el exceso de producto, al tanque de balance, logrando con esto un nivel de producto constante en los envases. Esto permite un llenado rápido, sin derrames y facilitando el llenado de productos que generan espuma. Este equipo es ideal para el envasado de productos como agua, jugos, bebidas, jarabes, leche, aceites comestibles, limpiadores y detergentes, agroquímicos, productos farmacéuticos y similares, los cuales sean de baja viscosidad y sin sólidos. A este equipo se le pueden agregar mesas de alimentación y acumulación, enjuagadora de envases, enroscador manual, semiautomático o automático, extensiones de transportador, etc. Esta envasadora se complementa perfectamente con una etiquetadora serie ES1 o ES2, pudiendo acoplarse en forma integral, controlando ambos equipos con el mismo PLC para lograr un ahorro en el costo (página Equitek).

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Fig. 27. Envasadora

Función del envase Las funciones asignadas al envase son las de contener, proteger, informar y atraer. Hoy en día, los dos factores de costo y las limitaciones legislativas y ambientales tiene suma importancia. El objetivo primordial para la mayoría de los productos alimenticios, consiste en asegurar que el envase gozará de propiedades protectoras óptimas, para mantener el producto que contiene en buenas condiciones durante el trasncurso de su periodo de caducidad. Los recipientes rígidos de plástico deben cumplir con limitaciones estrictas sobre el contenido de monómero de plástico, los recipientes vacios tienen que ser manufacturados siguiendo condiciones de higiene, de forma que lleguen a la envasadora con un escaso contenido microbiano. Selección del envase Es un compromiso entre rendimiento y costo, considerando los siguientes puntos como primordiales al elaborar un producto nuevo:

1. Facilidad de manipulación 2. Rapidéz de llenado 3. Facilidad de cierre 4. Forma/diseño 5. Impresión/etiquetado 6. Caducidad requerida para el producto 7. Requisitos legales/ambientales

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Envase Debido a las garantias y buen prestigio de la empresa multi-plastic y a los requerimientos del producto WETAN, el envase ha sido elegido en tal empresa,con las características que se muestran en la Fig 28 y 29.

Fig. 28. Envase del producto WETAN

Fig 29. Descripcion del envase.

9.12 Etiquetado La serie ES-1, consiste en sistemas de etiquetado para aplicar etiquetas autoadheribles con uno, dos o tres cabezales aplicadores, estos equipos están concebidos para trabajar en forma integral o autónoma, ya que cuentan con su propio transportador, pudiendo acoplase a líneas de envasado. El diseño modular de estos equipos permite que por medio de accesorios acoplados se puedan aplicar etiquetas a envases cilíndricos, de caras planas, ovaladas, o en la parte superior, logrando velocidades de hasta 160 etiquetas por minuto. Mediante modificaciones al equipo se pueden etiquetar envases cuadrados, hexagonales u octagonales en dos o más caras del envase. A este equipo se le pueden agregar mesas de alimentación y acumulación, codificador por medio de impresión térmica CSH, extensiones de transportador, etc.

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Esta etiquetadora se complementa perfectamente con la serie de envasadoras lineales o rotativas

Fig. 30. Etiquetadora del producto WETAN.

Elección de la marca y empaque Desde el punto de vista del marketing la marca es un nombre, un símbolo o la suma de ambos cuyo fin es identificar un producto y al mismo tiempo diferenciarlo de la competencia. La información del empaque ha de incluir:

1. Producto y nombre de fábrica 2. Precio 3. Mensaje promocional 4. Instrucciones 5. garantías

Se ha elegido una presentación del empaque inusual y moderna, con respecto a la marca, se designará un nombre igual al de la empresa de producción WETAN. La siguiente Fig. 31 es una propuesta para la marca y diseño del producto.

Fig. 31. Diseño de etiqueta

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10. Análisis de riesgos En la Tabla 31 se muestran las normas establecidas por La Secretaría del Trabajo y Previsión Social (STPS), La Secretaría de Salud Ambiental (SSA) y La Secretaria de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) que aplican a la empresa WETAN para el análisis de riesgo, los requerimientos legales, estatales y federales, con los que debe contar la empresa. Se indica en color amarillo las reglas que aplican y en verde las normas que no son requeridas para cada caso respectivamente (Ver normas en el Apéndice 13.3).

Tabla 31. Requerimiento de normas para la empresa WETAN.

11. Factibilidad económica Para determinar la factibilidad económica del proceso es necesario considerar los costos fijos y variables. Dentro de los costo fijos esta el equipo e instalaciones y en los costos variables los insumos, es decir los costos de inversión y producción, así como las ganancias de las ventas que permiten determinar la tasa interna de retorno (TIR), un indicador de viabilidad del proyecto. En la Tabla 32 se muestran los costos principales como lo son los costos de inversión y producción y en la Tabla 33 se muestran los costos que componen los costos principales (Ver apéndice 13.5).

Tabla 32.- Costos principales del proceso. Costos USD/año

Inversión 3,422,422Producción 653,514 Capital de trabajo 446,406

Capital fijo 2,976,402Manufactura 8,323,386Operación 398,514 Producción total 8,721,900

NORMA 2 4 5 10 17 18 19 22 25 26 28 29

Análisis de Riesgo

Cumplimiento Legal

Jurisdicción Estatal

Jurisdicción Federal

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Tabla 33.- Costos secundarios del proceso. Costos USD/año

Construcción e ingeniería 496,000

Contingencias 297,630 Equipo principal 587,000 Equipo instalado 645,700 Equipo auxiliar 96,400 Equipo auxiliar instalado 106,040

Terreno 1,200,000 Auxiliares 32,285 Planta física 1,984,025 Factor de capacidad 198,402.50Empaque y transporte 204,442.80Manufactura 8,323,386 Mano de obra 965,700 Mantenimiento 41,004 Servicio 47,838

A través del balance de materia y la densidad del chilacayote es posible estimar el volumen total que sale del filtrado. El volumen aproximado es de 12,000 L por lote y la presentación del producto es de 250 ml, entonces por cada lote se obtienen 48,000 presentaciones del producto, al día se producen 96,000 bebidas y al año se producen 28,800,000 productos (laborando 300 días al año). Si se considera que se vende totalmente la producción anual y el precio del producto es de $5.00 MN se obtienen los siguientes ganancias por ventas que se presentan en la Tabla 34.

Tabla 34.-Ganancias Ganancias USD/año

Ventas 14,440,000 Utilidad bruta 5,231,694 Utilidad neta 4,342,306 Depreciación 54,672

Con el capital de inversión, la utilidad neta, las ganancias por ventas y depreciación se estima que el TIR del proyecto es de 128%, por lo tanto el proyecto es viable, con un producto de bajo costo e inversión redituable en el primer año.

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12. Conclusiones El nutraceutico WENTAN en comparación a otros productos que ofrecen propiedades similares, tiene las siguientes ventajas: bajo costo, polifuncionalidad, sabor agradable y presentación atractiva. Señalando que no es recomendable que las personas con niveles de glucosa en la sangre bajos consuman el producto. Debido al corto tiempo de experimentación, no fue posible cuantificar de manera más exacta la cantidad de compuestos activos que tiene el chilacayote, por lo que se recomienda que en posteriores trabajos sea enfoque de estudio para lograr optimizar el proceso propuesto. El proceso que se plantea es amigable con el medio ambiente, debido a que no se manejan materiales que perjudican al medio ambiente o a la salud. Además de que los productos secundarios son pocos y fáciles de procesar. Si se toma en consideración el capital total invertido (3, 500, 000 USD) para construcción y puesta en marcha de la planta de producción, se puede concluir del valor de la utilidad neta (4, 500, 000 USD) con un TIR del 128% que en el primer año de funcionamiento de la planta se recupera totalmente el capital invertido. Por lo tanto es factible y rentable el proceso de producción, dejando un amplio margen para disminuir el precio del producto al público con la finalidad de evitar el rezago de productos al inicio de la comercialización.

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13. Apéndice 13.1 Tratamiento de residuos Una parte importante de los residuos que se generan en la industria de procesamiento de vegetales está constituida por la fracción orgánica sólida derivada del tratamiento de las materias primas vegetales. En la actualidad esta fracción de sólidos orgánicos se emplea en parte como alimentación animal, una pequeña proporción se destina a otras aplicaciones (ej combustible) y el resto de la materia no empleada constituye un residuo destinado a rellenos sanitarios. El porcentaje de residuos generado en la elaboración de transformados vegetales es muy variable ya que está determinado por diversos factores. El principal es el tipo de materia prima a procesar, los vegetales destinados a transformación son muy diferentes en tamaño, forma, partes aprovechables, lo que implica que los niveles de residuos sean distintos en cada caso. Además, es importante tener en cuenta que dentro de cada producto elaborado existen otras variables que influyen en la producción de residuos de fabricación empleada como:

• Calidad de la materia prima (frutos dañados, madurez excesiva o insuficiente)

• Calidad deseable en el producto final: la obtención de calidades optimas del producto final requiere de materias primas mas rigurosas que aumenta el porcentaje de residuos orgánicos.

• Tecnología empleada.

Los residuos sólidos orgánicos producidos en la transformación de vegetales, en algunos casos pueden considerarse como subproductos. Los residuos restantes que quedan tras el máximo aprovechamiento en el proceso también se utilizan con otros fines: alimentación animal, fertilizante, obtención de productos comercializables.

Actualmente, en la industria de procesamiento vegetales los principales destinos de los residuos sólidos orgánicos generados en sus procesos son:

• Alimentación animal: gran parte de los residuos orgánicos vegetales sólidos se destinan para alimentación animal, especialmente para bovino y ovino. El transporte de los residuos hasta la explotación ganadera es diario, en remolques y es el ganadero el que se encarga del traslado. Así estos residuos destinados a alimentación de ganado pueden considerarse no como residuos sino como subproductos.

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• Producción de composta. La composta, es el producto final obtenido mediante un proceso de descomposición biológica de la materia orgánica, en condiciones controladas de humedad y temperatura, que oscila entre 50 y 70ºC, provocando, así, la destrucción de elementos patógenos y por tanto la total inocuidad del producto. La estrecha relación existente entre el contenido de materia orgánica de un suelo y su fertilidad es un hecho ampliamente constatado y aceptado universalmente. La materia orgánica mejora la estabilidad del mismo, aumentando su porosidad y capacidad de retención hídrica, favoreciendo así el intercambio de gases y agua y la capacidad exploratoria del sistema radicular de las plantas.

• Producción de metano. La fracción de residuos de transformados vegetales que se deposita en los rellenos sanitarios es susceptible de someterse a tratamiento con el resto de residuos urbanos para la obtención de metano. Se llama metanización de residuos sólidos al proceso de fermentación anaeróbica de los componentes orgánicos de los mismos. Dicha fermentación es producida por bacterias que se desarrollan en ambientes carentes de oxígeno. Durante el proceso de transformación de la materia orgánica (digestión) dichas bacterias producen un gas denominado por su origen "biogas", el cual se compone fundamentalmente de metano (CH4) y de dióxido de carbono (CO2).

• Producción de bioetanol. La obtención de etanol por fermentación alcohólica, ha cobrado interés debido a la posibilidad de utilizar alcohol como combustible. La fermentación alcohólica se lleva a cabo por numerosos microorganimos anaerobios o aerobios facultativos a partir de azúcares presentes en las distintas formas de biomasa.

13.2 Normas y legislación ambiental

Dentro el marco legal para la construcción y la operación de la planta de producción deben ser consideradas las leyes y normas que regulan todo lo relacionado con las emisiones contaminantes, el manejo de residuos peligrosos, el manejo de desperdicios, y todos los parámetros ambientales que permitan mantener una operación sustentable y ecológica sin perjuicios de ninguna índole. Es por esto que se citan las leyes y normas bajo las cuales se rige la operación de la planta de producción. Todas las plantas de producción pertenecientes a la industria química están sometidas a leyes federales y estatales de ecología. Es por ello que se debe considerar la ley general de equilibrio y protección al medio ambiente referente a la preservación y restauración del equilibrio ecológico, así como a la protección al ambiente, en el territorio nacional. (Federal). Así mismo, por al ubicación propuesta para la planta de producción se deba considerar también las normas y leyes establecidas por el gobierno del estado y ciertas regulaciones de carácter municipal.

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En lo que se refiere a las normas que deben acatarse para la construcción y operación de la planta de producción, a continuación se enlistan las principales normas oficiales, así como los organismos gubernamentales encargados de su regulación.

Tabla 1.- Secretarias que legislan las normas industriales en México.

Las normas que regulan a la industria química son: Emisiones liberadas al aire NOM-025-SSA1-1993: Salud ambiental. Criterios para evaluar la calidad del aire ambiente con respecto a material particulado. Valor de concentración máxima de material para partículas suspendidas totales. NOM-043-SEMARNAT-1993: Niveles máximos permisibles de emisiones a la atmósfera de partículas sólidas provenientes de fuentes sólidas.

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NOM-098-SEMARNAT-2002: Protección ambiental-incineración de residuos, especificaciones de operación y límites de emisión de contaminantes Residuos peligrosos NOM-052-SEMARNAT-2002: Características, procedimiento de identificación clasificación y los listados de los residuos peligrosos. NOM-053-SEMARNAT-1993: Procedimiento para llevar a cabo la prueba de extracción para determinar los constituyentes que hacen a un residuo peligroso por su toxicidad. NOM-005 –STPS-1998: Relativa a las condiciones de seguridad e higiene en los centros de trabajo para el manejo, transporte y almacenamiento de sustancias químicas peligrosas. Descargas de aguas NOM-001-SEMARNAT-1996: Límites máximos permisibles de contaminantes en las aguas de descarga de aguas residuales en aguas y bienes nacionales NOM-002-SEMARNAT-1996: Límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal. Salud ocupacional NOM-047-SSA1-1993: Establece los límites biológicos máximos permisibles de disolventes orgánicos en el personal ocupacionalmente expuesto. NOM-056-SSA1-1993: Requisitos sanitarios del equipo de protección personal NOM-230-SSA1-2002: Salud ambiental. Agua para uso y consume humano, requisitos sanitarios que se deben cumplir en los sistemas de abastecimientos públicos y privados durante el manejo del agua. NOM-001-STPS-1999: Edificios, locales, instalaciones y áreas de los centros de trabajo-condiciones de seguridad e higiene. Salud ambiental NOM-048-SSA1-1993: Establece el método normalizado para la evaluación de riesgos a la salud como consecuencia de agentes ambientales. Proceso y uso NOM-059-SSA1-1993: Buenas prácticas de fabricación para establecimientos de la industria quimico-farmaceutica dedicados a la fabricación de medicamentos NOM-072-SSA1-1993: Etiquetado de medicamentos NOM-073-SSA1-2005: Estabilidad de fármacos y medicamentos. NOM-164-SSA1-1998: Buenas prácticas de fabricación para fármacos

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NOM-176-SSA1-1998: Requisitos sanitarios que deben cumplir los fabricantes, distribuidores y proveedores de fármacos utilizados en la elaboración de medicamentos de uso humano. NOM-081-SEMARNAT-1994: Límites máximos permisibles de emisión de ruido de las fuentes fijas y su método de medición Almacenamiento NOM-007-SEMARNAT-1997: Procedimientos, criterios, y especificaciones para realizar el aprovechamiento, transporte y almacenamiento de ramas, hojas o pencas, flores, frutos y semillas.

13.3 Normas del análisis de riesgos

Al realizar el análisis de riesgos se desea dar cumplimiento a la Legislación Nacional vigente, basada en la Normatividad de la Secretaría del Trabajo y Previsión Social contemplada en la Normas Oficiales Mexicanas aplicables para WETAN S.A de C.V. Dentro de las normas específicas están:

NOM-002-STPS-2000, Condiciones de Seguridad, Prevención, Protección y

Combate de Incendios en los Centros de Trabajo.

Establecer las condiciones de seguridad para la prevención contra incendio en los centros de trabajo y protección de los trabajadores.

NOM-004-STPS-1999, Sistemas de Protección y Dispositivos de Seguridad en la Maquinaría y Equipo, que se utilice en los Centros de Trabajo.

Establecer las condiciones de seguridad y los sistemas de protección y

dispositivos para prevenir y proteger a los trabajadores contra los riesgos de trabajo que genere la operación y mantenimiento de la maquinaria y equipo.

NOM-005-STPS-1998, Relativa a las Condiciones de Seguridad e Higiene en los Centros de Trabajo para el Manejo, Transporte y Almacenamiento de sustancias Químicas Peligrosas.

Establecer las condiciones de Seguridad e Higiene para el manejo,

transporte y almacenamiento de sustancias químicas peligrosas, para prevenir y proteger la salud de los trabajadores y evitar daños en el centro de trabajo.

56

NOM-006-STPS-2000, Manejo y Almacenamiento de Materiales – Condiciones y Procedimientos de Seguridad.

Establecer las condiciones y procedimientos de seguridad para evitar

riesgos de trabajo, ocasionados por el manejo de materiales en forma manual y mediante el uso de maquinaria.

NOM-010-STPS-1999, Condiciones de Seguridad e Higiene en los centros de trabajo, donde se manejen, transporten, procesen o almacenen sustancias químicas capaces de generar contaminación en el medio ambiente de trabajo. Establecer las condiciones y procedimientos de seguridad para evitar

riesgos de trabajo, ocasionados por el manejo, transporte, proceso y almacenamiento de sustancias químicas peligrosas, para prevenir y proteger la salud de los trabajadores y evitar daños en el centro de trabajo, debidos a la contaminación del medio ambiente de trabajo.

NOM-011-STPS-1993, Relativa a las Condiciones de Seguridad e Higiene en los centros de trabajo donde se genere ruido.

Establecer las condiciones de seguridad e higiene, los niveles y tiempos

máximos permisibles de exposición a condiciones de ruido extremas, que por sus características, tipo de actividades, nivel, tiempo y frecuencia de exposición, sean capaces de alterar la salud de los trabajadores.

NOM-017-STPS-2001, Equipo de Protección Personal - Selección, Uso y Manejo en los Centros de Trabajo.

Establecer los requisitos para la Selección, Uso y Manejo de Equipo de

Protección Personal, para proteger a los trabajadores de los agentes del medio ambiente de trabajo que puedan dañar su salud.

NOM-018-STPS-2000, Sistema para la Identificación y Comunicación de

Peligros y Riesgos por Sustancias Químicas Peligrosas en los Centros de Trabajo.

Establecer los requisitos mínimos de un Sistema para la comunicación e

Identificación de Peligros y Riesgos por Sustancias Químicas Peligrosas, que de acuerdo a sus características, Físicas, Químicas, de Toxicidad, Concentración y Tiempo de Exposición puedan afectar la salud de los trabajadores o dañar el Centro de Trabajo.

57

NOM-019-STPS-2004, Constitución, organización y Funcionamiento de las Comisiones de Seguridad e Higiene en los Centros de Trabajo.

Establecer los lineamientos para la Constitución, Organización y

Funcionamiento de las Comisiones de Seguridad e Higiene en los Centros de Trabajo.

NOM-022-STPS-1999, Electricidad Estática en los Centros de Trabajo –

Condiciones de Seguridad e Higiene.

Establecer las Condiciones de Seguridad en los Centros de Trabajo para prevenir los riesgos por Electricidad Estática.

NOM-025-STPS-1999, Condiciones de Iluminación en los Centros de

Trabajo. Establecer las características de iluminación en los centros de trabajo,

de tal forma que no sea un factor de riesgo para la salud de los trabajadores al realizar sus actividades

NOM-026-STPS-1998, Colores y Señales de Seguridad e Higiene, e

identificación de Riesgos por Fluidos Conducidos en Tuberías.

Definir los requerimientos en cuanto a los colores y señales de seguridad e higiene y la identificación de riesgos por fluidos conducidos en tuberías.

NOM-028-STPS-2004, Organización del Trabajo – Seguridad en los

Procesos de Sustancias Químicas.

Establecer los elementos para organizar la seguridad en los procesos que manejan sustancias químicas, a fin de prevenir accidentes mayores y proteger de daños a los trabajadores e instalaciones de los Centros de Trabajo.

NOM-029-STPS-2005, Mantenimiento de las Instalaciones eléctricas en los Centros de Trabajo – Condiciones de Seguridad.

Establecer las condiciones de seguridad para las actividades de

mantenimiento en las instalaciones eléctricas de los centros de trabajo, a fin de evitar accidentes al personal responsable de llevar a cabo dichas actividades y a personas ajenas a ellas que se pudieran exponer

13.4 D NombGiro: ActivDirec

Distrib En la obten

13.5 F Invers En lapermineces

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58

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59

la planta pueda operar (reparación de equipo, correcciones del proceso, etc.), incluyendo el costo de inventarios, suministro, gastos y nominas, entre otras. El CF y CT se definen como:

              ó                     

  0.15

El costo físico de la planta está determinado por el costo de los equipos principales, equipos auxiliares y servicios auxiliares. En las Tablas 3 y 4 se presentan estos costos que sirven para establecer los costos que se definen a continuación y son parte del costo de la planta física.

Tabla 3. Costos de equipos principales10.

Equipo Cantidad Costo ($ USD, 2007)

Filtro de arena 2 100,000 Filtro prensa 2 80,000 Tamiz 1 2,900 Mezclador 1 10,000 Mezclador con calentamiento 3 70,500 Lixiviador 2 120,000 Tanque de Agua 1 36,300 Cortadora 1 31,300 Envasadora 1 30,100 Equipo de UV 1 42,400 Limpiadora 1 10,500 Etiquetadora 1 29,000 Tanque de desechos 1 3,800 Banda (20m) 1 20,200 TOTAL 587,000

De la Tabla 3 se obtiene el costo del equipo principal para conocer el costo del equipo instalado (CEI). En las siguientes ecuaciones se define y obtiene el CEI.

      1.1

587,000 1.1 645,700  10 Costos obtenidos de la pagina Match y el programa Capcost.

60

Tabla 4. Costo de equipo auxiliar

Equipo

CantidadCosto

($ USD, 2007)Caldera 1 45, 000 Bombas 10 36, 400 Tubería 1 15, 000 TOTAL 96, 400

El costo del equipo auxiliar instalado (CEAI) es el costo del equipo auxiliar de la Tabla 4, tal como se define en la siguiente fórmula:

          1.1

  96,400 1.1 106,040  El costo del terreno (CT) se estableció anteriormente en la sección de capacidad y ubicación de la planta y es de:

1,200, 000  Los costos auxiliares (CA) reflejan los costos de los accesorios y se definen de la siguiente forma:

  0.05

645,700 0.05 32,285  Por lo tanto el costo total de la planta (CTP) se define como la suma de los costos del equipo instalado, equipo auxiliar instalado, terreno y auxiliares, tal como se muestra en la siguiente ecuación:

645,700 106,040 1,200,00 32,285 1,984,025  Del costo total de la planta se obtiene el costo total de ingeniería y construcción (CTIYC) que es de 496, 000 USD.

0.025

1,984,025 0.25 496,006  El costo contra contingencias (CCC) contiene los costos de los equipos y auxiliares para la prevención de eventos adversos y se calcula como:

0.15

El cosplanta

Despuel de de tra

Finalm

Costo El cosproduoperaexplic

El coscosto de los

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1,98

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84,025 49

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Fig. 2. Map

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1,984,02

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1,984,0

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96,006 29

2,976,402.5

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2,976

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5 0.15

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nta física, eapital fijo, entinuación.

      

97,603 19

 

5 0.15 4

de:

6,036.5 44

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297,630 

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10

198,402.5

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98,402.5

0.15

446,405.5 

46,405.5

capital dese manufaconceptual dde producci

de producció

o del empaue y transp

0% del cos

5

nstrucción eobtener est

ó         

2,976,036.5

3,422,442 

stinado a unctura más del costo deión total.

ón total

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5 

n proceso del gasto d

e producció

sporte más alcula a par

61

la

a y tal

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ón,

el rtir

62

Tabla 5. Costo de materia prima Concepto Cantidad Costo(USD) Monto (USD)/lote Monto (USD)/año

Agua (m3) 12 0.25 3 1, 800 Goma de mezquite (Kg.) 395.3 10 3, 953 2, 373, 600 Goma arábiga (Kg.) 101.83 9.54 971.46 582, 876 Maltodrextrina (Kg.) 101.83 2.3 234.2 140, 520 Polidextroza (Kg.) 151 5.8 875.8 525, 480 Extracto naranja (Kg.) 3.8 7.44 28.3 16, 980 Chilacayote (Kg.) 1554 0.48 746 447, 600 TOTAL 6, 811.8 4, 088, 856 El costo de empaque y transporte, así como el costo neto de manufactura se obtienen del costo de materia prima y es de:

              0.05

        4,088,856 0.05 204,442.8 

              ó  

    4,088,856 4,234,530 8,323,386  El costo total de mano de obra es el costo de mano de obra directa (Tabla 6) y el costo de la mano de obra indirecta, estos son los salarios de los empleados directos e indirectos, respectivamente.

Tabla 6. Costo de mano de obra directa Puesto Turnos

por día Personal por

turno Número de salarios

por personal Salario anual USD

Ing. de planta 2 1 34 128,800 Supervisor 2 2 23 174,200 Obrero especializado 2 3 13 147,700 Obrero calificado 2 3 9 102,200 Ayudante general 2 4 6 90,900 TOTAL 2 13 643,800 Por lo tanto:

          643,800 

                   0.5

          647,600 0.5 321,900 

          647,600 323,800 965,700 

63

Parte de los gastos de operación son los costos de mantenimiento y servicio, así como la depreciación de maquinaria y equipo. Estos se estiman con las siguientes ecuaciones:

        0.06

    683,400 0.06 41,004  / ñ

        0.07

    683,400 0.07 47,838  / ñ

ó             0.08

ó         683,400 0.08 54,672  / ñ Por lo tanto los gastos de operación son:

    ó               ,      ó  

    ó 255,000 41,004 47,838 54,672 398,514

Implicando que el costo de producción total es de:

    ó           ó

    ó   8,323,386  398,514 8,721,900  Ganancias Las ventas son parte de las ganancias y se calculan a través del precio del producto (5 pesos) por el número de productos que se producen al año.

5 28,800,000 144,000,000 ñ 14,400,000  ñ⁄⁄ Considerando los costos de capital de trabajo y los ingresos de las ventas se obtiene la utilidad bruta.

          ó  

  14,400,000 446,406 8,721,900 5,231,694  / ñ Si se estima un 17% de impuesto empresarial a tasa única sobre la utilidad bruta se tiene que:

  5,231,694 0.83 4,342,306  ñ⁄

64

14. Bibliografía

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