SECCIÓN III Proceso Optimo

8/11/2019 SECCIN III Proceso Optimo

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PROYECTO FINAL PRODUCCIN DE GLUTAMATO MONOSDICO

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SECCIN III: ELECCIN DEL PROCESO PTIMO

Breve descripcin de los distintos procesos:

Tres mtodos de produccin se han aplicado desde que el GMS se introdujo por

primera vez al mercado:

A. Hidrlisis de protenas vegetales con cido clorhdrico para interrumpir los

enlaces peptdicos (1909 -1962).

B.

Sntesis qumica directa con acrilonitrilo (1962 1973).

C. Fermentacin bacteriana.

A. HIDRLISIS

Este mtodo est basado en la extraccin del cido glutmico a partir de fuentesvegetales (protenas), mediante la hidrlisis cida o alcalina de las mismas.

Materias primas:

Para el proceso de obtencin de GMS por hidrlisis, en principio se us el gluten de

trigo, posteriormente se us la semilla de soja que resulta como subproducto del proceso

de extraccin con solvente del aceite de la misma. Otros vegetales con contenidos

apreciables de cido glutmico han sido usados pero el preferido fue el gluten de trigo con

un porcentaje del 30% aproximadamente de cido glutmico.

Descripcin del proceso:

Para la hidrolizacin de las protenas y, as, liberar los aminocidos presentes al

romperse los enlaces peptdicos, pueden usarse lcalis, enzimas o cidos, pero solamente

estos ltimos son utilizados a nivel industrial debido a que los lcalis producen la

racemizacin de los aminocidos y con las enzimas no se logra una hidrlisis completa.

De los cidos, el preferido es el clorhdrico. Debe mantenerse una concentracin

de cido del 20% mientras dura la hidrlisis, dependiendo de la sustancia usada como

materia prima; es conveniente mantener una relacin de cantidad de cido clorhdrico alnitrgeno total contenido en la materia prima mayor de 1.5, es decir:

% cido clorhdrico/ % de N en la materia prima >= 1.5

La hidrlisis se completa aproximadamente a las 24 horas de iniciada, a una

temperatura de 110C y una presin de 1 atm. A continuacin la solucin hidrolizada se


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enfra a baja presin y se filtra para separar los productos de descomposicin (humus).

Este filtrado se concentra en un evaporador al vaco para obtener un concentrado con un

contenido de 50% de materia slida; consistente del cido glutmico hipocloritado

(G.A.HCl).

A partir de este momento, se separan los cristales de G. a. HCl por centrifugacin yse realiza la neutralizacin parcial de los mismos, con hidrxido sdico o amonaco hasta

un nivel de P.H. de 3.2 (punto isoelctrico del cido glutmico), precipitndose el cido

glutmico libre de la molcula de cido clorhdrico. Se cristaliza el cido y se separan los

cristales por centrifugacin, luego de lo cual son neutralizados con hidrxido sdico hasta

un P.H. de 7.0 y clarificados con carbn activado.

Luego de someter la solucin decolorada a un proceso de concentracin y

cristalizacin se obtienen los cristales incoloros de glutamato monosdico, los cuales son

separados por centrifugacin y secados para obtener el producto final.

Diagrama de flujo:

HUMUS

FILTRACINPROTENAS

VEGETALES

CIDO

CLORHDRICO

HIDRXIDO

DE SODIO

CIDO

GLUTMICO

NEUTRALIZACIN

CLARIFICACIN

HIDRLISIS CONCENTRACIN

LICOR MADRE

ENFRIAMIENTO Y

CRISTALIZACIN

DEL G.A. HCl

CRISTALIZACIN

Y SEPARACIN

CIDO GLUTMICO

HIDROCLORITADO

NEUTRALIZACIN

PARCIAL

SEPARACIN

CARBN

ACTIVADO

HIDRXIDO DE

SODIO O AMONIO

SEPARACINCONCENTRACIN

Y CRISTALIZACIN

SECADOPRODUCTO

FINAL (GMS)


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B.

SNTESIS QUMICA

Desarrollado en Japn y Alemania, este proceso de sntesis del cido glutmico

tiene como punto de partida al ACRILONITRILO (hidrocarburo obtenido principalmente del

petrleo y gas natural), que se forma catalticamente con CO/H2para dar un aldehdo que

mediante la reaccin de Strecter, en presencia de cido cianhdrico y amonaco, setransforma en dinitrilo del cido glutmico. En medio bsico se obtiene la mezcla racmica

del cido glutmico, que contiene los ismeros D y L. Luego de produce la separacin de la

mezcla.


El proceso consiste en el flujo continuo controlado.

Partiendo del ACRILONITRILO (NCCH=CH2), mediante la reaccin cataltica con

CO/H2, que se produce a elevada presin y una temperatura moderadamente alta, seobtiene el - CIANOPROPINALDEHDO:

NCCH=CH2+ CO + H2 NCCH2CH2CHO

Uno de los problemas que tuvo que resolverse de este proceso fue la seleccin de

un catalizador adecuado (entre los compuestos de Cobalto), de manera de recuperarlo, y

el tratamiento del -CIANOPROPINALDEHDO, cuyas propiedades eran poco conocidas.

A continuacin se hace reaccionar al -CIANOPROPINALDEHDO con Cianuro

Amnico (que se obtiene por la combustin parcial de Metano y el Amonaco), en la

llamada reaccin STRECTER obtenindose el -AMINOGLUTARODINITRILO:

NCCH2CH2CHO + NH4CN NCCH2-CH2-CH-(NH2)-CN + H2O

Se hidroliza el Dinitrilo con Hidrxido de Sodio, obtenindose como resultado una

mezcla racmica de cido DL-glutmico y amonaco que se recupera para la formacin del

cianuro amnico.

El cido DL-glutmico se cristaliza de la solucin alcalina, luego de una

neutralizacin hasta su punto isoelctrico (P.H. 3.2), con una solucin de cido glutmico

recirculado conteniendo un exceso de cido sulfrico. En este punto se obtiene adems

Sulfato de Sodio que luego es separado.

A continuacin se realiza la resolucin ptica, la cual consiste en una disolucin de la

mezcla racmica a una concentracin definida, y una cristalizacin separada del cido L-


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glutmico y D-glutmico alternativamente por la introduccin de los respectivos ismeros

pticamente activos.

Luego el cido D-glutmico debe ser racemizado mediante un tratamiento a

elevada temperatura para de nuevo proceder por recirculacin, a la resolucin ptica.

Finalmente el cido L-glutmico obtenido es tratado, al igual que en los procesos

de hidrlisis y fermentacin, con Hidrxido de Sodio para obtener el Glutamato

Monosdico que ser sometido luego a los procesos de clarificacin, concentracin,

cristalizacin, separacin y secado, para as obtener el producto final.


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Diagrama de flujo:

SEPARACIN

HIDRLISIS

CRISTALES DE CIDO

DL-GLUTMICO

SULFATO DE SODIO

RECUPERACIN CLARIFICACIN

L-CIDO GLUTMICO

CONCENTRACIN

AMONACO

HIDRXIDO DE SODIO

MONXIDO DE

CARBONO

ACRILONITRILO

REACCIN O x O

-CIANOPROPINALDEHDO CIANURO AMONACO

SEPARACIN

HIDRGENO

D-CIDO GLUTMICO

SOLUCIN DL-

GLUTMICO

RACEMIZACIN

RESOLUCIN PTICA

NEUTRALIZACINCIDO

SULFRICO

CIDO DL-GLUTMICO

RECUPERACIN

SECADO

COMBUSTIN PARCIAL

AIRE-METANO-

AMONACO

REACCIN STRECTER

-AMINOGLUTARODINITRILO

HIDRXIDO DE SODIO

CARBN ACTIVADO

CONCENTRACIN Y

CRISTALIZACIN

PRODUCTO FINAL (GMS)


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C.

FERMENTACIN BACTERIANA

En este mtodo, las bacterias se cultivan en condiciones aerbicas en un medionutriente lquido que contiene una fuente decarbono (por ejemplo, dextrosa o citrato),una fuente de nitrgeno como iones de amonio o urea, y los ionesminerales y factores de

crecimiento. Las bacterias seleccionadas para este proceso tienen la capacidad de excretarel cido glutmico que sintetizan fuera de su membrana celular en el medio y se acumulanall. El cido glutmico se separa del caldo de fermentacin por filtracin, concentracin,acidificacin, y cristalizacin, seguida de la conversin a su sal Glutamato Monosdico.


La melaza es bombeada de los tanques de almacenamiento a los tanques detratamiento para matar cualquier bacteria presente en la melaza.

Luego, la melaza es mezclada con amonaco para formar un caldo o extracto el cuales fermentado aerbicamente por la bacteria Corinevacterium Glutamicum durante unas40 horas a una temperatura de 30C. Este proceso es realizado para cultivar bacteriascapaces de convertir el carbono presente en la melaza en glutamina necesaria para laproduccin de cido glutmico.

El caldo concentrado es acidificado para producir cido glutmico en forma decristales. Este proceso es realizado aadiendo cido clorhdrico a travs de una serie detanques de enfriamiento diseados para reducir gradualmente la temperatura y el pH delcaldo concentrado.

El caldo concentrado de cido glutmico cristalizado es neutralizado aadiendoceniza de sosa (hidrxido de sodio, NaOH) para producir un monosodio glutamtico (MSG)de forma cruda.

La solucin de GMS refinada es transferida a un evaporador donde es concentradopara la ltima etapa.

Los cristales de GMS son colocados en una centrfuga para la remocin total o

completa de agua en los cristales obtenindose el producto final.
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Diagrama de flujo:

TRATAMIENTO DE LA

MELAZA

FERMENTACIN

CONCENTRACIN

ACIDIFICACIN

SEPARACIN

NEUTRALIZACIN

PURIFICACIN Y

DECOLORIZACIN

EVAPORACIN

CRISTALIZACIN

PRDUCTO FINAL

(GMS)

SECADO

SEPARACIN


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Cuadro de ventajas y desventajas de los distintos procesos:

A: HIDRLISIS

B: SNTESIS QUMICA

C: FERMENTACIN BACTERIANA

CARACTERSTICAS PROCESOS DETALLES VENTAJAS DESVENTAJAS

MATERIAS PRIMASY CATALIZADORES

A Materia prima cara.

B Utiliza temperaturas altas. ElAcrilonitrilo es caro debido a laescasez del petrleo y de gasesnaturales. Dificultad en larecuperacin del catalizador.

C Materia prima barata. Separacinrpida de productos y substratos.

REACCIONESDESEADAS

A Reacciones deseadas eficientescomo la hidrlisis de lasprotenas, de los Hidratos deCarbono y de las grasas.

B Eficiente.

C Muchos avances en las tcnicasde fermentacin lo hacen muyeficiente.

REACCIONES NODESEADAS

A Reacciones no deseadas ya quecualquier sustancia orgnica en lamateria prima se hidrolizaformando sustanciascancergenas como mono ydicloro propanoles. Formacin delas mezclas racmicas del cido

glutmico.

B Mezcla racmica del cidoglutmico que hay que separar.Productos intermedios concaractersticas poco conocidascomo es el caso del-CIANOPROPINALDEHDO.

C No tiene.

EQUIPOS A Problemas tcnicos para poderdesarrollarse a gran escala.

B Las maquinarias y equiposnecesarios tienen un alto costo.

C Fermentadores que maximizan laproduccin, disminuyen loscostos y facilitan la recuperacinde productos, el diseo y laseleccin de las condiciones ysistemas de cultivos.

MTODO A Discontinuo. Obsoleto.

B Continuo.

C Continuo.


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Seleccin del proceso ptimo:

Se desprende de lo antes citado y de la realidad, que el proceso de mayor

desarrollo y con mejores perspectivas futuras a nivel mundial es el de fermentacin

bacteriana.

En nuestro pas esto est aun ms justificado por la presencia de una gran

produccin de melaza de caa de azcar y la carencia de las materias primas utilizadas en

los dems procesos descriptos.

Conclusin final:

PROCESO PTIMO: FERMENTACIN BACTERIANA

Descripcin detallada del proceso ptimo:

Materia prima:

La materia prima requerida en el proceso de fermentacin, son: Una fuente de

carbono para producir el "esqueleto" de carbono del cido glutmico y una fuente de

nitrgeno para el grupo amino. Adems, son necesarios como materiales auxiliares: sales

orgnicas, elementos de nutricin para el crecimiento de la bacteria, agentes

neutralizantes y agentes despumantes.

Como fuentes de carbono, se han usado tpicamente las soluciones de glucosa

provenientes de la hidrlisis de almidn y otras fuentes de glucosa y, particularmente

importante es el desarrollo del proceso a partir de la melaza de la caa, la cual debe ser

previamente sometida a un proceso de purificacin.

Como fuentes de nitrgeno pueden usarse: rea, amonaco lquido o en solucin

acuosa y sales amoniacales inorgnicas tales como sulfato de amonio, etc. Como sales

inorgnicas es necesario usar sulfatos de fosfato, magnesio, fsforo, manganeso y hierro.

Los factores nutricionales para el crecimiento de la bacteria, as como las

cantidades de los mismos a ser usadas, deben ser seleccionados cuidadosamente debido a

que estas variables afectan grandemente el rendimiento de la fermentacin; una

concentracin total de tales elementos de un 0.2% se considera adecuada. Para este fin se

usan normalmente sustancias naturales, aun cuando lo ms recomendable es usar

aminocidos y vitaminas purificadas (Biotn), tales como: D-Biotn, Desthiobiotn, cido 7-

8 Diaminoperalgnico y Thiamina. En sustitucin del Biotn pueden usarse hormonas

vegetales tales como el cido 2,4 Diclorofenoxiactico y cido Indoelactico.


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Como agente neutralizante puede usarse rea o amonaco, los cuales sirven

adems como fuentes de nitrgeno. Tambin pueden emplearse para este fin el hidrxido

de sodio o carbonato clcico.

Como agente despumante se puede usar cualquier aceite vegetal o aceite de

siliconas.

Microorganismos:

Solamente las bacterias se sabe que producen cido glutmico con un rendimiento

del 50% (sobre glucosa), con una concentracin inicial del 10% de glucosa en el medio. Los

cultivos industriales usados en Japn pertenecen a los gneros Micrococcus,

Brevibacterium, Microbacterium o Corynebacterium, es decir, bacterias que son gram (+),

inmviles, aerbicas y, a excepcin del Micrococcus, con forma de bastones. En presencia

de pequeas cantidades de factores de crecimiento adecuados, estas bacterias proveen

un rendimiento mximo de cido glutmico del orden de 50gr./lt.

Descripcin del proceso productivo:

La melaza de caa cruda, deber someterse primero a un proceso de clarificacin y

de hidrlisis de la sacarosa, toda vez que las sustancias de partida o sustratos a partir de

las cuales la bacteria producir el cido glutmico con la dextrosa y fructosa, las cuales ya

se encuentran presentes en la melaza en forma de azcar invertido (partes iguales de

dextrosa y fructosa).

El porcentaje en el cual se encuentra presente dicho azcar invertido en la melazafresca es del 20%, mientras que la sacarosa est en un 30%; sta es la razn de la hidrlisis

de la sacarosa, la cual se realiza de acuerdo a la siguiente reaccin:

SACAROSA GLUCOSA + FRUCTOSA (azcar invertido)

Por razones de crecimiento de la bacteria, se har el cultivo en dos tanques en

serie; en este sentido es importante cuidar de los siguientes puntos relativos al control del

proceso:

Se requiere una seleccin cuidadosa de los componentes en el medio de cultivo,

as como de la concentracin de los mismos ara maximizar el rendimiento.

Es necesario realizar una esterilizacin estricta del medio de cultivo y del

fermentador. Deber evitarse una exposicin del mismo con vapor a temperatura muy

elevada, no solamente para ahorros de calor, sino tambin para prevenir la

calor

Medio cido


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desnaturalizacin del medio de cultivo, que incrementar el tiempo de fermentacin y

disminuir el rendimiento. Es adecuado usar un filtro de lana de vidrio para eliminar la

contaminacin del aire, el cual debe mantenerse libre de gotas de agua.

Luego de agregadas las sales para el crecimiento de la bacteria, los agentes

despumantes, antibiticos para evitar la infeccin por bacterifagos, vitaminas, y unasolucin de rea esterilizada (para mantener el PH neutro y como fuente de nitrgeno), se

lleva a cabo la fermentacin de acuerdo a las siguientes reacciones:

O

C6H12O6+ 2O2 C-COOH + CO2 + 3H2

CH2-CH2-COOH

O

2C-COOH + N2 2NH2-HC-COOH + 2H2O

CH2-CH2-COOH CH2-CH2-COOH

NOTA: Existen bacterias selectivas que solo pueden actuar sobre la dextrosa, pero las

actualmente utilizadas en la industria de GMS pueden actuar tambin sobre la fructosa.

Todos los materiales a ser introducidos en el fermentador, deben ser previamente

esterilizados. La temperatura ptima de fermentacin (entre 30 y 37C), debe mantenerse

aproximadamente constante, para lo cual es necesario un instrumento de control de la

temperatura altamente sensible.

El fermentador se construye generalmente de acero inoxidable y debe equiparse

con agitador, equipos de ventilacin y debe ser de tipo cerrado.

La fermentacin tarda unas 30 a 35 horas, luego de lo cual se extrae el caldo

delgado del fermentador (contenido aproximado de 50 gr./lt. de G.A.) y se concentra paraproceder a la hidrocloritacin del cido glutmico. Esta hidrocloritacin es realizada con el

fin de hacer insoluble al cido glutmico y poder cristalizarlo, y su mecanismo es el

siguiente:

(Dextrosa y/o

fructosa)(cido -Cetoglutrico)

10H

Fuente de

Nitrgenocido Glutmico


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NH2-CH-COOH + HCl HCl.NH2-CH-COOH

CH2-CH2-COOH CH2-CH2-COOH

Este cido glutmico hidrocloritado se hace insoluble cuando la concentracin deHCl en la solucin es del 30 al 40%, de esta manera, por filtracin y cristalizacin pueden

obtenerse los cristales del mismo.

A continuacin se disuelven estos cristales en agua para ser lavados, luego de lo

cual son neutralizados con hidrxido de sodio, llevando el PH a 3.2 con el fin de cristalizar

el cido glutmico. La "masa cocida" o Massecuite es entonces centrifugada para separar

totalmente los cristales de cido glutmico. Estos cristales son disueltos nuevamente y

neutralizados con hidrxido de sodio para producir una solucin de GMS; la reaccin es:

NH2-CH-COOH NH2-CH-COOH

CH2-CH2-COOH + NaOH CH2-CH2-COONa + H2O

Esta solucin es clarificada con carbn activado y otras resinas de colorantes si es

necesario, hasta que se haga incolora. A continuacin se filtra la solucin para separar las

impurezas presentes, luego de lo cual se cristaliza obtenindose el Massecuite de GMS,

del cual se separan los cristales por centrifugacin y se recircula el licor madre restante

que todava puede contener trazas de cido glutmico hidrocloritado.

Los cristales de GMS son sometidos luego a un proceso de secado para obtener el

producto final.

Diagramas de flujo:

G.A. cido glutmico

hidrocloritado

cido glutmico Glutamato Monosdico

Glutamato

Monosdico


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MELAZA CRUDA

CULTIVO DE

BACTERIADISOLUCIN

HClFRASCOS

HIDRLISIS DE

SACAROSA

PRIMER TANQUEDE CULTIVO

LICOR CLARO

(GLUCOSA)

CLARIFICACIN

SEGUNDO TANQUE

DECULTIVO

FERMENTACIN

FILTRACIN

CALDO DELGADO

CRISTALIZACIN

FILTRACIN

CONCENTRACINDEL CALDO

HIDROCLORITACIN

DEL CALDO

AIRE COMPRIMIDO

ESTERILIZACIN

SALES DE N, P,

Fe, Mg, Mn

SOLUCIN DE REA

ESTERILIZADA

ESTERILIZACIN

AGENTES

DESPUMANTES

ANTIBITICOS

VITAMINAS

HIDRXIDO

SDICO

G.A. HCl

FILTRACIN

CIDO

CLORHDRICO

HUMUS

NEUTRALIZACIN

DEL G.A.HCl

LAVADO

NEUTRALIZACIN

CLARIFICACIN

SOLUCIN DE G.A.

HCl A RECIRCULAR

MASA COCIDA

(MASSECUITE)

SEPARACIN

CIDO GLUTMICO

SEPARACIN

CRISTALIZACIN

SOLUCIN CLARA

DE GMS

TORTAFILTRACIN

AGUA

LQUIDO DE

DESECHO HIDRXIDOSDICO

CARBN

ACTIVADO

RESINAS

DECOLORANTES

SECADO

CRISTALES DE GMS

PRODUCTO FINAL

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