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J’ TITIJLO: OBTENCION DE L-ARABTNOSA A PARTIR DE LA GOMA DE
MEZQUITE
t/ ICENCIATLIRA EN INGENIERIA QUIMICA II MATERIA: LABORATOKIO DE PR.OCESOS Y DISEÑO
v&’TAVIO SANCHEZ KI’JERO 923236irf
JEANNET ZEPEDA AVlLEZ 93223415
CARRERA POZOS JOSE ANGEL.
ASESOR: DR. JAIME VERNON CARTER
ASESOR:
LABORATORIO DE PROCESOS Y DISEÑO
liwm
ALUMNOS:
?CION DE MEZQUITE
ZEPEDA AWLES JEANNET CARRERA POZOS JOSE ANGEL SANCHEZ RIWRO OCTA WO
DR. EDUA ON CARTER
TRIMESTRE= 99-I
Indice
PARTE 1 DEFINICION DEL PROYECTO Y ESTUDIO DE MERCADO
OBJETIVOS
INTRODUCCION
EL MEZQUITE Descripción Localización g e o g r á h usos
LA GOMA DE MEZQUITE Aspectos importantes sobre las gomas Composición de la goma de mezquite Usos de la goma de mezquite
LA L-ARABINOSA Estructura Propiedades
USOS DE LA L-ARABINOSA Para la preparación de otras sustancias Como edulcorante natural Para el cultivo de bacterias Usos potenciales
METODOS DE OBTENCION DE L-ARABINOSA Síntesis de I-arabinosa Obtención de hentes naturales
ESTUDIO DE MERCADO Industrias que producen I-arabinosa en el mundo Industrias que compran 1-arabinosa en el mundo Disponibilidad de la goma de mezquite en México
UBICACIóN DE LA PLANTA
BIBLIOGRAFIA DE LA PARTE 1
PARTE 2 ESTUDIO EXPERIMENTAL
1
i
2
9 9 12 13
15 15 16
17 17 17 17 17
18 18 18
20 20 21 21
23
24
25
OBJETIVOS INTRODUCCION
25 26
DESARROLLO EXPERIMENTAL Verificación de los resultados reportados en la literatura Modificaciones al tratamiento alcalino Modificaciones a la hidrólisis Modificaciones a las Operaciones de separación
ANALISIS DE RESULTADOS De la verificación de resultados Análisis de la modificación al tratamiento alcalino Análisis de los resultados cromatográficos Análisis de las operaciones de separación PROPUESTAS Diagrama de flujo de nuestro proceso
APENDICES DE LA PARTE 2 Balance de masa Curvas de calibración para el análisis cromatográfico Propiedades fisicas y químicas de los reactivos
BIBLIOGRAFIA DE LA PARTE 2
PARTE 3 DISEÑO DE LA PLANTA Y ESTUDIO DE RENTABILIDAD
OBJETIVOS
BASES DE DISEÑO Generalidades Capacidad Especificaciones de la materia prima Especificaciones de los productos Desechos Servicios auxiliares Sistemas de seguridad Ubicación de la planta Bases de diseño para tuberías Bases de diseño civil Bases de diseño para instrumentos Bases de diseño para equipo
28 28 29 30 30
32 32 32 33 35 35 35
36 36 36 37
48
49
49
50 50 50 50 50 50 51 51 52 52 52 52 52
DESCRIFCIQN DEL PROCESO 53
Descripción general del proceso Variables del proceso Descripcibn del flujo
DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO
TABLA DE CORRIENTES
LISTA DE EQUIPO
ARREGLO DE EQUIPO
BALANCES DE MATERIA Nomenclatura y fórmulas Cálculos
DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPO Reactor Tanques Intercambiadores de calor Cálcuk, de bombas y líneas Secador por aspersión Columnas de intercambio iónico Torre de enfriamiento
ESTUDIO DE RENTABILIDAD DEL PROCESO
BlBLIOGRAFIA DE LA PARTE 3
53 53 53
56
57
58
59
60 60 60
64 64 64 65 69 71 72 74
76
83
PARTE 1
DEFINICION DEL PROYECTO Y ESTUDIO DE MERCADO
OBJETIVOS
Los objetivos de esta parte es reconocer los factores involucrados en el proyecto y realizar el estudio de mercado para nuestro producto.
1
INTRODUCCION
El árbol de mezquite presenta la propiedad de exudar una substancia de color ámbar conocida como goma de mezquite, dicha goma presenta dentro de su estructura moléculas de L-arabinosa, compuesto que tiene importancia como medio de cultivo para bacterias utilizadas en procesos de degradación biológica. En la actualidad las industrias que producen L-arabinosa la aislan de fuentes naturales, esencialmente de gomas. El método de obtención que más se utiliza en la industria es la reacción de hidrólisis.
Este proyecto tiene como objetivo principal obtener L-arabinosa a partir de la goma de mezquite, que es una especie que crece en las zonas áridas y semiáridas de nuestro país. El mezquite, actualmente se está deforestando debido a que es una buena fuente de carbón vegetal, además de que se le considera como una especie indeseable porque compite con las especies forrajeras que crecen en estas regiones, por lo anterior, como objetivos paralelos a este proyecto, tenemos:
Ayudar a la no deforestación del mezquite, esto por ser la fuente de nuestra materia prima (goma) para producir 1-arabinosa, la cual tiene mayor valor agregado que la goma en bruto. Además es importante recalcar que el mezquite debido a que sus raíces son extensas, tiene la propiedad de fijar los suelos arenosos, que son característicos de las regiones donde crecen y por tratarse de una leguminosa puede nitrogenar el suelo.
Crear fuentes de empleo en las zonas donde crece el mezquite, ya que la recolección de la goma no coincide con la época de cosechas en esas regiones y sería una buena fuente de ingresos para estos habitantes.
Crear una empresa que explota los recursos naturales del país, sin necesidad de depender de otras fuentes externas. Es importante señalar que nuestra fuente de materia prima es un recurso renovable, por lo que no tendremos problemas de escasez de ésta.
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EL MEZQUITE
El nombre común del mezquite deriva del náhuatl “mizquitl”, en general son árboles grandes que tienden a medir de quince a veinte metros, siendo arbustos solo aquellos muy jóvenes o los que han sido podados, los mezquites de la sierra son de tan solo tres metros, mientras que sus raíces pueden tener una profundidad de hasta veinte metros lo que le permite aprovechar la humedad edáfica (debida a mantos freáticos a poca profundidad) el tronco es recto pero no es extraiío encontrar árboles torcidos. Las ramas son ascendentes, generalmente armadas con espinas o púas y el último tercio de éstas declina dando a la copa un aspecto irregular. Su fruto es una vaina alargada de 6 a 21 centímetros de largo por 0.8 a 1.5 de ancho, que contiene alrededor de trece semillas.
Esta planta ha sido, desde hace mucho tiempo uno de los principales recursos naturales; proporcionando muchos beneficios, fue uno de los recursos más importantes para los pueblos nómadas de cazadores y recolectores, que habitaban el sur de los Estados Unidos de América y el norte de México.
Su utilización continuó por mucho tiempo, representando para los indígenas, uno de los vegetales más útiles, ya que obtenían de ella leña, carbón, goma y material para la construcción de sus viviendas; así como alimento, forraje, néctar para la apicultura, sombra, herramientas de trabajo, juguetes, medicina.
A principios de los años cuarenta, bajo el concepto de pastizal puro, los ganaderos empezaron a ver en el mezquite una plaga que debía ser eliminada de los pastizales en los que criaban a su ganado junto con la expansión urbana provocó la destrucción de muchos mezquitales. En la actualidad, el mezquite sigue siendo un recurso de mucha importancia para los pobladores de las regiones áridas, quienes llevan a cabo su aprovechamiento como una actividad que complementa a la agricultura, sacando del mezquite leña, carbón y forraje para los animales. Su importancia reside en la facilidad de obtener este recurso, ya que solo implica el tiempo de recolección. Sin embargo, en muchas áreas del país su densidad poblacional se ha visto disminuida severamente; por lo que resulta conveniente su propagación, a fin ’de contar con alternativas económicas complementarias, previniendo a su vez el deterioro de los suelos.
Descripción.
El mezquite es un arbusto o árbol espinoso, perenne, mide hasta 10 m de altura, cuyo desarrollo depende de las condiciones del suelo. El polimorfismo en el género Prosopis se origina por las variadas condiciones ambientales en que se desarrolla y por su misma plasticidad genética, lo que ha dado lugar a cruzamientos naturales, dificultando la determinación de la taxonomía del mezquite. Su descripción es la siguiente:
Raíz: Posee un sistema raticular amplio y profundo. Su raíz principal puede alcanzar profundidades de más de 50 m, y sus raíces laterales se extienden hasta 15 m a los lados del árbol.
Tronco y ramas: Tronco de corteza oscura negruzca, ramas flexuosas formando una copa esférica o deprimida. Los tallos más delgados son espinosos, frecuentemente áfilos y
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provistos de abundante parenquima cortical que hace que las funciones de hojas atrofiadas o caducas. Espinas generalmente abundantes, axilares o terminales.
Hojas: Son compuestas, bipinnadas, con 12 a 15 pares de foliolos oblongos o lineares, de 5 a 10 mm de largo, más o menos persistentes, pero caducas en invierno, tiene pequeñas estipulas que luego secan y caen. Unicamente presentan un par de pinnas por hoja. La época de formación de renuevos se extiende desde marzo hasta mayo; los foliolos permanecen en la planta de abril a diciembre.
Flores: De color amarillo verdoso, se encuentran agrupadas en inflorescencias en racimos en forma de espiga; las flores son sumamente pequeñas, miden de 4 a 10 mm y están situadas sobre pedúnculos de 1 a 2 mm, producen un aroma y néctar agradable, indispensable para la polinización. Son bisexuales, actinomorfas, con 5 sépalos, 5 pétalos y 1 O estambres.
Fruto: Los frutos son vainas o legumbres en forma de lomento drupáceo; alargada, rectas o arqueadas y en algunos casos espiradas indehiscendentes, de 10 a 30 cm de longitud, pueden ser planas o cilíndricas en la madurez, y contienen de 12 a 20 semillas; la cáscara o pericarpio es coriácea, de color paja a rojiza-violáceo. El mesocarpio presenta una pulpa gruesa y esponjosa, de sabor dulce, que envuelve al endocarpio el cual está articulado en pequeños compartimentos donde se alojan las semillas, dispuestas en hilera ventral. Semilla: Es de forma oblongada o aplastada, dura, su coloración varía desde el café claro al oscuro, según la especie, variedad y el sitio donde se produce. La diseminación de la semilla es zoófila y endozóica, es decir, a través del tracto digestivo de animales.
Reino:
Leguminosae Familia: Dicotiledonea Subphilum: Smarmathophia Philum: Vegetal
Subfamilia: Mimosoidae 1 Género:
I
I Prosopis I Esnecies: I Laevinata I
Articulata Pubescens Palmeri Tamaulipana Galndulosa var. Galndulosa
I I Var. Torreyana I Velutina Juliflora
I I Reptans var. Cineracens ~ ~~~
Tabla l. l . Clasificación taxonómica del árbol de mezquite para las especies existentes en México.
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Localización Geográfica.
A nivel mundial, el género Prosopis tiene 44 especies, de las cuales 42 se encuentran en el continente americano en dos grandes centros; norteamericano (México-Texano) y el sudamericano (Argentino-Paraguayo-Chileno). El mezquite en México se distribuye en una superficie de aproximadamente 3,555,500 hectáreas, comúnmente en lugares áridos y semiáridos. Su distribución es amplia, exceptuando las montañas y las partes bajas del sureste del país. En la parte del altiplano septentrional, antiplano central y antiplano meridional. Donde el mezquite es la especie dominante, caracteriza a una comunidad vegetal denominada mezquital, la cual forma parte del bosque espinoso.
La especie que nos interesa en nuestro caso es Prosopis laevigata. Esta se localiza en el Centro y Sur de México, en ambientes muy diversos que van desde los subhúmedos hasta áreas con precipitaciones de 300 mm anuales o menos; se encuentra en los estados de Guerrero, Querétaro, Estado de México, Michoacán, Morelos, Oaxaca, Puebla, San Luis Potosí, Veracruz, Nuevo León, Aguascalientes, Durango, Guanajuato, Hidalgo, Jalisco, Zacatecas; donde su distribución hace contacto con la Prosopis Glandulosa, observándose una amplia franja de coexistencia con árboles de caracteres intermedios. Como se muestra en la figura 1.1.
Figura l. 1 Distribución del mezquite en México.
La comunidad vegetal de mezquite se encuentran ampliamente distribuidas en todo el país y se desarrolla frecuentemente en terrenos con suelos profundos, en aluviones cercanos o escorrentos o áreas con cierta deficiencia de drenaje. Las mayores concentraciones de mezquites se localizan en zonas semidesérticas o desérticas;
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principalmente en el noreste, noroeste y centro del país. Así, se localizaron dos grandes zonas, la que corresponde a la noroeste en 10s estados de Sonora, Sinaloa y la Centro- Noroeste, en los estados de Nuevo León, Tamaulipas y San Luis Potosí. Se estima que los bosques de prosopis, comunidades en que este género no forma parte de la vegetación secundaria, oscila alrededor de los 27,379.8 K m 2 distribuidos de la siguiente forma: el 70% en Sonora y en forma secundaria el 30% restante se distribuyen principalmente entre Tamaulipas y Nuevo León, 7,3 13 K m 2 aproximadamente y en San Luis Potosí 900 Km’.
usos
El mezquite tuvo una importancia para los primeros pobladores de las regiones áridas y semiáridas, por los usos que cada pueblo le dio. Los pueblos cazadores-recolectores, casi todos ellos nómadas, utilizaron el mezquite principalmente como alimento, combustible, sombra, para la elaboración de utensilios y como planta medicinal. En la actualidad, el mezquite sigue presentando los mismos usos, por lo que es considerado como un recurso natural de importancia en las zonas áridas y semikidas de nuestro país. Entre los usos actuales más extendidos se encuentran:
Madera: Se utiliza en forma de brazuelas, tablas y tablones, postes para cercas, trozas en rollo, durmientes, etc. Además en la elaboración de muebles artesanales, destacando los trabajos de marquetería con madera de mezquite, elaborados en Zacatecas. Cabe mencionar que en algunos estados de la República Mexicana, se tornan en cuenta la explotación maderera, en cambio en otros estados no es tan importante, como lo muestran las gráficas 1.1 y 1.2.
Leña y carbón: Dentro de los usos maderables de la especie se encuentra el de la leña, el cual es uno de los rubros de explotación, ya que el mezquite es considerado el recurso leñoso por excelencia en las comunidades rurales en las zonas áridas y semiáridas, donde en gran parte de las viviendas se utiliza como combustible. El principal uso de la leña es para la preparación de alimentos o calentamiento. En segundo lugar, se tiene el calentamiento de agua y de homos y para la calefacción del hogar. Más del 75% de los usuarios de este energético no comercial, lo emplean en el llamado fogón abierto o de tres piedras, cuya eficiencia térmica es baja.
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VOLUMEN DE EXPLOTAC16NFOESTAL MADERABLE EN SAN LUIS POTOSI AUTORIZADO POR ESPECIE [en X ,19961
TROPICALES CORRIETES
Otr- : c.& m+, muqlilt., pLd * -atilb, m t i l b , ébw , h. y hoja -ha.
Gráfica l. l . Explotación maderera en el Estado de San Luis Potosí.
VOLUMEN DE EXPLOTAClbN FORESTAL MADERABLE EN SONORA AUTORIZADO POR ESPECIE (en %.I 996 ]
30.5
Otras : alama y varablanca.
Gráfica 1.2. Explotación maderera en el Estado de Sonora,
La forma más usual de aprovechamiento de la leña a partir de los mezquites silvestres que tienen en su localidad; usualmente colectan los volúmenes suficientes para un corto plazo. Además, suelen realizar por temporadas un aprovechamiento de leña de mezquite para su comercialización. Otro producto de gran importancia económica es el carbón, el cual se
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produce cuando se calienta la madera en ausencia de aire (pirólisis), y se controla la entrada del mismo (combustión). Este sistema de carbonización es el más antiguo, en el cual se usa la tierra como escudo contra el oxígeno, como aislante de la madera en el proceso de carbonización en “chavete”, el por ciento obtenido de carbón es bajo ( 12 a 14%) mientras que en hornos de mampostería o metálicos el porcentaje aumenta hasta 20%. Además, es estos últimos, se recogen gases y líquidos producidos es el proceso (gas, combustible, alcohol metílico, ácido acético, ésteres, acetona, aceites de madera, alquitrán ligero, aceite de creosa y brea). La obtención de la leña involucra desplazarse entre 1 y 7 K m , aunque se encuentran comunidades donde recorren más de 30 Km, a pesar de este gran esfuerzo humano, el poblador rural considera que esta fuente de energía es la más barata, ya que solo exige el tiempo de recolección.
Medicinal: La infusión de algunas partes de las plantas se usa para combatir la disenteria; el cocimiento de las hojas (bálsamo de mezquite) se emplea para combatir algunas infecciones de los ojos; el cocimiento de la corteza es vómito-purgante, se sabe que sus extractos en alcohol de las hojas frescas y maduras han mostrado una marcada acción antibacterial contra Stapuyloccoccus aereus y Escherichia coli.
Alimentación animal: Dentro de una explotación no maderable el producto principal del mezquite es la vaina, dado que su recolección representa un ingreso adicional para los campesinos de las regiones donde es aprovechado, a la vez que constituye un elemento de buena calidad en la alimentación del ganado. El consumo de la vaina contribuye a disminuir el costo de las raciones alimenticias que son suministradas al ganado bovino lechero y en especial al de engorda, así como al porcino y caprino y con menor cantidad, al caballar, asnal y mular. El principal valor forrajero del mezquite radica en el fruto, aunque los animales inclusive ramonean las ramas tiernas; en otros lugares, el mezquite proporciona sombra a los animales que es necesaria en las regiones de altas temperaturas. La vaina y la harina del mezquite son aprovechadas para alimento de diversos tipos de ganado, sin embargo, tienen mayor demanda en la preparación de concentrados que suministran al ganado lechero, manteniendo bajo régimen de estabulación o de media estabulación. La vaina del mezquite también es apreciada para engorda de ganado.
Gomas: Cuando el mezquite es herido en su corteza o ramas, produce un exudado conocido como goma de mezquite, el cual se ha examinado para determinar su semejanza con la goma arábiga. Dos tipos de goma son exudados del mezquite, uno de tipo blanco o de color ámbar muy similar a la goma arábiga, es usada medicinalmente en México; el segundo tipo de goma es negra, firme, quebradiza y astringente al gusto, que es usada como colorante y se ha reportado que contiene un 20% de taninos. Todo esto sugiere la posibilidad de utilizar la goma de mezquite en lugar de gomas importadas.
Otros usos: Se reporta que el contenido de taninos (utilizados en la industria de pinturas) en la madera es del 5 al 9%, lo cual es bajo en comparación con otras fuentes, lo mismo que en la producción de alcohol etílico, sin embargo, como parte de una explotación integrada, puede representar ingresos adicionales.
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LA GOMA DE MEZQUITE.
Cuando el mezquite es herido en su tronco o ramas produce un exudado conocido como goma de mezquite (debe de distinguirse de la goma que se puede obtener de las semillas), esta goma es de color ámbar oscuro o clara, de consistencia parecida a la de la miel.
Aspectos importantes sobre las gomas
Se conoce como goma a toda exudación que presentan algunos árboles, esta exudación se produce en los tallos de los árboles de modo natural por heridas o bien artificialmente a través de incisiones practicadas en ellos. Son de naturaleza coloidal y solubles en agua, ya sea disolviéndose completamente o hinchándose, pero no se disuelven en alcohol ni éter. Son heteropolisacáridos de alto peso molecular que tienen la capacidad de actuar como espesantes y gelificantes, que presentan algunas propiedades funcionales tales como las de emulsificación, estabilización, etc.
Las gomas se forman como resultado de la desintegración de tejidos internos, en especial de la descomposición de la celulosa por un proceso conocido por el nombre de gomosis.
Existen gomas naturales, semisintéticas y sintéticas. Las gomas naturales son productos vegetales que dan con el agua, disoluciones o jaleas coloidales; conocidas las primeras como epígrafe; que pueden utilizarse para pegar. En su composición química entran pentosas, hexosas y pequeñas cantidades de elementos minerales (K, Mg y Ca). De pentosas y hexosas proceden la galactosa, arabinosa y la xilosa que resultan de la hidrólisis.
Clasificación
Las gomas se clasifican en tres grupos:
Sintéticas: Son polímeros vinílicos que no han sido aprobados para consumo humano, aunque presenten muchas características de las gomas naturales.
Semisintéticas: Se elaboran a partir de un polímero natural que es sometido a alguna transformación fisica o química, ejemplos: almidones modificados y derivados celulósicos.
Naturales: Son heteropolisacáridos que pueden ser iónicos o neutros, lineales o ramificados. Son lágrimas, escamas o fi-agmentos angulares formados espontáneamente. De acuerdo a su solubilidad se pueden clasificar en:
Gomas completamente solubles en agua, por ejemplo: goma arábiga. Gomas que no se disuelven realmente, pero absorben agua y se hinchan formando geles espesos, por ejemplo: la goma de tragacanto. Gomas intermedias, que consisten en una porción insoluble que se hinchan para dar espesor o cuerpo al gel resultante. Por ejemplo: goma insoluble de Persia.
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Las gomas pueden ser exudados de plantas extraídas de semillas, extractos de algas marinas, derivados de celulosa, derivados de almidón, polímeros vinílicos, polímeros acrílicos y otros.
Propiedades
Su característica más importante se basa en la capacidad que tienen para interaccionar con el agua de tal manera que en concentraciones bajas produce soluciones viscosas y cuando estas se incrementan llegan incluso a establecer geles. Las propiedades funcionales de las gomas como son la de espesante y gelificante depende de sus factores intrínsecos y extrínsecos (Tabla 1.2). Son de naturaleza coloidal por lo que se les da el nombre de hidrocoloides y solubles en agua ya sea disolviéndose completamente o hinchándose. Son polimeros de carbohidratos y están compuestos por ácidos, monosacáridos y glucósidos. Dependiendo de sus propiedades se clasifican en dos tipos: gomas ácidas y gomas neutras.
FACTORES INTRINSECOS (propios de la molécula)
FACTORES EXTRINSECOS
3. Temperatura 3. Grado de ramificación 2. Fuerza iónica 2. Grado de ionización 1. pH l. Peso molecular (propios del sistema)
4. Composición química 5. Estructura
4. Presión
Tabla 1.2. Propiedades de las gomas. 5. Concentración de los otros componentes
Obtención
Las gomas se obtienen de exudados de los troncos de los árboles que pueden ser de modo natural, o bien artificialmente a través de incisiones practicadas en ellos, éstas incisiones son transversales y se arrancan finas bandas de la corteza exterior.
La goma fluye lentamente en forma de líquido viscoso que se reúne en forma de gotas o escamas, éstas son recolectadas al cabo de tres a ocho semanas. Si es necesario se blanquean al sol y se limpian de impurezas, se clasifican de acuerdo a su calidad para su uso y distribución. El cuidado puesto durante la producción de los exudados de goma explica las diferencias que existen entre las numerosas calidades comerciales de gomas en el mercado. Las gomas de mejor calidad son usadas para productos médicos y alimenticios, las de menor calidad se emplean en la fabricación de tintas, cremas, en la industria del calzado y textiles.
Gomas exudadas
La mayoría de las familias de plantas incluyen especies que producen exudados de algún grado, las cantidades exudadas pueden ser tan pequeñas que resulten prácticamente imperceptibles, o bien, cantidades que forman incrustaciones copiosas.
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Las plantas que producen goma en mayor cantidad usualmente son arbustos o árboles altos, de donde la goma es exudada en forma de lágrimas. La cosecha se realiza a mano lo que resulta una fuente de ingreso para los pobladores locales, puesto que las zonas donde se encuentran en mayor medida estos árboles son de escaso desarrollo, debido principalmente a las condiciones áridas que favorecen la secreción de la goma. Este tipo de gomas han sido utilizadas desde tiempos antiguos, fueron de importancia comercial y aun hoy en día son una parte importante del mercado de gomas comerciales.
Análisis de las gomas
Las gomas exudadas son las substancias más complejas de los polisacáridos naturales, para la caracterización de cada goma los parámetros necesarios en medir son el contenido de humedad, cenizas, nitrógeno, metoxil, rotación específica, viscosidad intrínseca, peso molecular, contenido de ácido urónico, así como la composición de azúcares después de la hidrólisis. Otras pruebas importantes es el contenido de proteína y de taninos, lo que puede tomarse como una medida de aceptabilidad para su uso como componente alimenticio.
Humedad: El agua es un compuesto que se encuentra en la mayoría de las substancias naturales, puede presentarse en tres formas: como agua de combinación, como agua absorbida, y en forma libre aumentando el volumen. Para su cuantificación se usan métodos de destilación, secado, métodos químicos y últimamente métodos instrumentales.
Cenizas: Las cenizas están constituidas por los restos del compuesto orgánico quemado y no reflejan necesariamente la composición original, debido a que puede haber pérdidas por volatilización o interacción con algún constituyente.
Proteínas: Se ha demostrado que las gomas naturales contienen cierta cantidad de proteínas.
Hidrólisis: Para las gomas exudadas de plantas, la hidrólisis es el Único método para la determinación de la composición de monosacáridos presentes. En la tabla 1.3 se presenta el porcentaje de monosacáridos presentes en algunas gomas.
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Gráfica 1.3. Composición de la goma de mezquite
importancia comercial.
Los métodos de hidrólisis pueden ser usados a causa de la descomposición de monosacáridos en cada goma, también se utilizan procedimientos por metanólisis.
Composición de la goma de mezquite
Los estudios de Anderson y Sands (4) fueron los primeros en encontrar la ocurrencia de la L-arabinosa en la goma de mezquite. Actualmente sabemos que se trata de la sal neutra de un polisacárido complejo altamente ramificado que soporta cierto componente proteico,
12
formado por 1-arabinosa, d-galactosa, 4-o-metil-d-ácido glucorónico y L- ramnosa. Además de cierto contenido de cenizas, nitrógeno y humedad, Aspinall y Whitehead (2,3),. Dependiendo de la especie de la cual sea obtenida la goma, su composición puede variar, sin embargo, la mayoría contiene arriba de un 40% de L-arabinosa (solo una especie esta abajo del 30%). En la tabla 1.4 se presenta la composición de la goma de mezquite comercial.
Posible estructura de la goma de mezquite.
Como ya se menciona, la estructura de la goma es bastante compleja. A continuación, se presenta la estructura de la goma de mezquite, en la que se puede apreciar la ocurrencia de la L-arabinosa y los enlaces glicósidos mediante los que está enlazada. Modelos mucho más complejos y realistas han sido propuestos, Aspinall y Whihead (2,3), sin embargo, lo importante es observar los enlaces que deben ser rotos en la molécula para aislar la L- arabinosa, y es por ello que presentamos la estructura de la figura 1.2.
% Humedad 3.3 YO Cenizas 12.7
I YO Nitrógeno 10.74 YO Proteínas
2.5 Metoxil 4.6
+72 [a]D en agua (grados) Viscosidad intrínseca 13 Peso molecular (E5) 13 Peso eauivalente I 1075 Anhídrido uránico Composición de azúcares después de la hidrólisis (%) Acido 4-o-metil glucorónico Acido alucorónico
16.4
15 1.4
d-Galactosa 34 1-Arabinosa 44
~~~
I Ramnosa 16 Tabla 1.4. Composición de la goma de mezquite.
Usos de la goma de mezquite
La goma de mezquite tiene propiedades como emulsificante y microencapsulante, ello la hace tener un campo de uso principalmente en la industria de los tintes sintéticos, puesto que por su contenido de taninos no se ha logrado que sea aprobada para su uso en bebidas en los Estados Unidos.
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H O H H C H 3
Figura 1.2. Estructura de la goma de mezquite.
14
LA L-ARABINOSA
Los carbohidratos son utilizados a nivel industrial de manera importante, por ejemplo, la glucosa es material de partida para la producción de vitamina C. Los demás monosacáridos son usualmente utilizados como edulcorantes por los diabéticos. Los monosacáridos conocidos también como azúcares puros, tienen volúmenes de exportación importantes en el país. Aun más utilizados en la industria son los polisacáridos. El más conocido es la celulosa, base de la importante industria papelera, además muchos otros polisacáridos se utilizan en diversas aplicaciones, por ejemplo, en la fabricación de jabón y champú (detergentes no iónicos), como aditivos para alimentos, brebaje, fármacos y cosméticos, entre otras aplicaciones.
Estructura
La denominación de carbohidrato se emplea para designar a los compuestos polihidroxialdehidos y polihidroxicetónicos, los cuales están caracterizados por tener el grupo hidroxilo en todos los átomos de carbono que constituye la cadena, a excepción de aquel átomo de carbono que soporta al grupo carbonilo. Dichos compuestos son las substancias orgánicas de mayor abundancia en la naturaleza. Estos se hallan en todas las plantas, y en gran medida en el cuerpo de los animales, además usualmente se combinan con otras substancias para llevar a cabo funciones biológicas de los seres vivos. Se puede clasificar a los carbohidratos en monosacáridos, aquellos que constan de 3 a 9 átomos de carbono, oligosacáridos que contienen de 2 a 10 unidades de monosacáridos unidos entre sí por enlaces glicósidos y aquellos que tienen más de 12 en polisacáridos.
La L-arabinosa o azúcar de pectina se encuentra en forma de cristales blancos, se trata de un pentasacárido C,(H,O),, que tiene al grupo aldehido en el último de sus átomos de carbono (aldopentosa), tiene tres centros quirales y la configuración de cada uno de ellos es totalmente relevante, pues basta con cambiar uno de éstos, para convertirlo en otra pentosa totalmente diferente, debido a la estructura, es típico que forme anillos de 6 miembros conocidos como piranosas.
LARABINOSA
ALFA ARABINOSA BETA ARABINOSA
H I H
H OH H I OH
Figura 1.3. La 1-Arabinosa.
15
Propiedades
Fórmula condensada 150.13 u.m.a Peso molecular C,HI*O,
Punto de fusión I 159.5"C Gravedad específica a 1.585 a 20°C
p 1.625 a 20°C Rotación óptica +105" a 20°C (c=3 en agua) Solubilidad Muy soluble en agua, ligeramente soluble en
Reactividad Poca Tabla 1 S . Propiedades de la 1-Arabinosa.
alcohol e insoluble en éter
Procedimientos en caso de emergencia
Ingestión: Si se inhala y la persona esta consciente, debe dársele mucho agua y atención médica.
Inhalación: Si se respira en altas concentraciones, se debe llevar a la persona a respirar aire fresco y darle atención médica.
Contacto con los ojos: Enjuagar inmediatamente con agua corriente por lo menos durante 15 minutos y darle atención médica.
Contacto con la piel: Lavar inmediatamente con mucho jabón y agua por lo menos durante 15 minutos.
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USOS DE LA L-ARABINOSA
Para la preparación de otras substancias
Se ha utilizado para la preparación de ciertos productos farmacéuticos como el manitol.
Como edulcorante natural
El uso natural de la 1-Arabinosa está en los manuales de ingredientes alimenticios, como endulcorante natural utilizado en bebidas no alcohólicas, dulces, condimentos y pastas en conserva a razón de 450 ppm.
Para el cultivo de bacterias
Las transformaciones microbianas son de gran importancia comercial en la manufactura de antibióticos, alcaloides, medicinas, vitaminas, aminoácidos, etc. Ello se debe a que pueden producir reacciones bien definidas a través de agentes (microbios) que no tienen relación con los compuestos, para determinar la acción fermentativa de los microorganismos, se utilizan frecuentemente como medio de cultivo los carbohidratos en estado puro, por ejemplo, se han empleado la 1-Arabinosa para la formación de ácido fosfoglicérido a partir de pentosas por E. Coli.
Usos potenciales
Como monómeros base para la construcción de nuevos polímeros.
Los estudios que buscan la transformación de materiales naturales para la formación de nuevos bloques de polímeros, es cada vez más importante, debido a las variadas configuraciones estereoquímicas que poseen, lo que las hace ideales para la preparación de polímeros estereoregulares; por su naturaleza biodegradable (una bacteria no puede distinguir si está en su estado natural o no). Sin duda este campo de investigación continuará desarrollándose en vista de las necesidades futuras referentes al impacto ambiental, a la necesidad de materiales con características específicas y al agotamiento de las reservas petroleras. Entre los estudios más recientes se pueden citar la construcción de poliamidas ópticamente activas, derivadas de monómeros construidos en base a la 1- Arabinosa y la síntesis de poliesteramidas estereoregulares derivadas de 1-Arabinosa.
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METODOS DE OBTENCION DE LA L-ARABINOSA
La L-arabinosa puede obtenerse tanto por síntesis en el laboratorio como por aislamiento de productos naturales, siendo los últimos los empleados para su obtención comercial debido principalmente al rendimiento que es posible obtener de estos productos relativamente abundantes y de bajo costo, también es posible obtenerla como producto lateral en algunos procesos de laboratorio.
Síntesis de la 1-arabinosa
En general los carbohidratos son obtenidos puramente de fuentes biológicas, la síntesis de estos compuestos son poco prácticas, y aún las más simples resultan de bajo rendimiento y sumamente tediosas (1 3), las pocas síntesis comerciales de estos compuestos son las que se utilizan para fines especiales, por ejemplo, existe L-arabinosa marcada con C14.
Obtención de fuentes naturales
La L-arabinosa se encuentra ampliamente distribuida en la naturaleza comúnmente formando parte de polisacáridos complejos, sin embargo las cantidades presentes en dichos compuestos son generalmente bajas, siendo en las gomas de origen natural, tales como las gomas exudadas de plantas, la obtenida de semillas, o bien en la remolacha de caña donde se halla en mayor proporción. El método empleado es el de hidrólisis para todos los casos variando en las condiciones, debido a que cada substancia tiene una composición diferente.
Obtención a partir de la goma arábiga
La goma arábiga es la fuente común del azúcar péptica y es un hecho que el nombre de aranosa proviene de susodicha goma, debido a que el contenido de aranosa varía en la goma el rendimiento del proceso también.
Una solución de 100°C de agua conteniendo de 30-40 g de goma y 2-3 C.C. de ácido sulfikico, es calentada a ebullición por alrededor de 7-12 minutos, con algunas gomas se puede continuar la hidrólisis hasta por 2 horas. Después, una vez enfriada la solución, el ácido es neutralizado ya sea con hidróxido de bario o de calcio, o bien con carbonato, y se procede a añadir etanol en tanto que se esté produciendo precipitado, el cual pronto se asienta dejando la solución clara.
Se destila el alcohol hasta obtener un jarabe del cual la 1-Arabinosa se obtiene por cristalización, se puede recristalizar con agua, el producto se obtiene en formas rombiodes bien definidas con terminación monocíclica.
Obtención a partir de la remolacha de azúcar
Otra fuente de preparación consiste en la hidrólisis de la pulpa de la remolacha de azúcar, de este procedimiento se obtiene de un 4 a 5% en peso de rendimiento. La pulpa llevada a ebullición en una solución 1.5% de ácido sulfürico por hora y media, al final se neutraliza con hidróxido de bario y se purifica de manera acostumbrada. Se filtra y concentra la
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solución a vacío, añadiendo alcohol hasta triplicar el volumen de la solución, para cristalizar se añade ácido acético glacial o bien alcohol conteniendo 1% de ácido nítrico, posterior a lo que se obtiene el producto por filtración.
Obtención a partir de la goma de mezquite
Los componentes de la goma de mezquite se separan mediante el proceso de hidrólisis, siendo la L-arabinosa el primer componente que se obtiene, para ello se calienta a 80°C, la goma de mezquite en solución al 4% de ácido sulfürico durante dos horas, después se neutraliza el exceso de ácido por medio de carbonato de calcio y la solución se filtra para separar las sales de sulfato formadas en la neutralización, se permite cristalizar L-arabinosa en medio frío, y se obtiene por filtración, Anderson y Sands (4).
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ESTUDIO DE MERCADO
Al mercado que nos interesa vender L-arabinosa, es al mercado japonés, puesto que es el país que más consume este producto utilizándolo como fuente de carbohidratos en medios de cultivo para bacterias. En éstos cultivos, se ocupa en promedio log de L-arabinosa entre otros nutrientes y sales tales como sulfatos, fosfatos, agua, etc.
En la actualidad, la cantidad de L-arabinosa que consume Japón al año es de 50 toneladas, de las cuales el 70% se importa de los Estados Unidos. Es importante mencionar que el 60% del consumo interno de L-arabinosa japonés es de la empresa Kyowa Hi Foods Co., Ltd., la cual se dedica a producir exclusivamente medios de cultivo para bacterias.
En México no se tiene conocimiento del uso de L-arabinosa en medios de cultivo, por lo que nuestra producción estará enfocada a la exportación. Por lo anterior, es importante cumplir con ciertos requerimientos en cuanto a la calidad del producto que básicamente se resumen en un solo aspecto: ALTA PUREZA (99.9%). Dicho lo anterior, nuestra perspectiva de producción es de 23.5 toneladas al año de L-arabinosa, que equivale al 47% del consumo del mercado japonés. Una vez tomada esta decisión, tenemos que el potencial económico del proyecto es:
Precio $USD/Kg de 1-arabinosa = 2 1 O0 Precio $USD/Kg de goma de mezquite = 3 Para producir 23.5 toneladas al año de 1-arabinosa necesitamos 53.41 toneladas de goma,
por lo tanto, tenemos:
POTENCIAL ECONOMIC0 = Precio de venta - Costo de la materia prima
= 491 89777 USD = 49350000 USD - 160233 USD
Industrias que producen 1-arabinosa en el mundo
*Kaltron-Pettibone. (E.U.A.) * Penta Manufacturing Co. (E.U.A) * Pfanstiehl Laboratories, Inc. (E.U.A.) * George Uhe Co., Inc. (E.U.A.) Eastern Chemical C o p , Subsidiary of United-Guardian, Inc. (E.U.A.) Kaden Biochemical GMBH (E.U.A) Schweizerhall, Inc. (E.U.A.) Spectrum bulk Chemicals, Division of Spectrum Quality Products, Inc. (E.U.A.) Davos Chemical Cop. (E.U.A.) Girindus Corp. (Alemania-Suiza) *Hankyu Bioindustry Co., Ltd. (Japón) K.I. Chemical Industry Co., Ltd. (Japón) Nagase Biochemicals Ltd. (Japón)
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Industrias que compran 1-arabinosa en el mundo como fuente de carbohidratos en cultivos de bacterias
* Kyowa Hi Foods Co., Ltd. (Japón) *Daiwa Kasei KK (Japón) *Fujisawa Pharmaceutical Co., Ltd. (Japón) *Hankyu Kyoei Bussan Co.. Ltd. (Japón) Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd. (Japón) Eiweiss Chemical Corporation (Japón) Kuraray Co., Ltd. (Japón) Kyowa Hakko Kogyo Co., Ltd. (Japón)
Nota: Las industrias con asterisco, son las que consumen o producen (según sea el caso) en mayor cantidad L-arabinosa.
Disponibilidad de la goma de mezquite en México
La disponibilidad de la goma de mezquite en México fue establecida por E. J. Vernon Carter, E. E. González Hernández y J. S. Monrroy Ruíz como parte de un estudio encaminado a analizar la capacidad de este producto para ser empleado como sustituto de la goma arábiga, debido a que ésta última es un hidrocoliode extensamente utilizado en el mundo siendo un producto de importación para el país. Dicho estudio estableció la viabilidad para utilizar el exudado del mezquite así como la disponibilidad de dicho exudado, dando como resultado datos que indican que la producción de goma es de 3.36 toneladas por K m 2 en promedio para las zonas que fueron estudiadas.
Se estima que los bosques de prosopis donde este género constituye la parte principal de la vegetación presente oscilan alrededor de 27379 K m 2 distribuidos un 79% en la zona noroeste y un 30% en la zona centro-noroeste, siendo el estado de Sonora el más rico del país
Existen dos periodos de producción de goma, uno va de marzo a mediados de junio y otro de septiembre a diciembre, periodos que son interrumpidos en por la época de lluvia (la goma es muy soluble en agua). Se encontró que la producción de goma coincide con el aumento de temperatura y desaparece en el invierno. De las observaciones hechas se establece que cada árbol produce en promedio 30g de goma en un lapso de 15 a 20 días y que debe retirarse porque entonces ya no continúa produciéndose en ese punto, la gomosis se presenta como un mecanismo parecido a la cicatrización es decir es un mecanismo por el cual el árbol recubre zonas del sistema vacular que quedan expuestas al medio ambiente por el crecimiento de la planta, también puede ser inducida practicando descortezamiento del árbol, lo que incrementa hasta un 155 la cantidad de goma por árbol.
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El estudio de Vernon y col. Establece datos importantes para la producción de goma
Tiempo de exudación
200 arboles por hectárea I Densidad 240 g I Cantidad de goma producida por árbol al año 30ghemana Cantidad de goma exudada por árbol 8 semanas
I YO de árboles con goma u
I 70 I Arboles con goma I 140 I Producción por k m 2 13.36 Todaño
I I I Tabla 1.6 Recolección de goma de mezquite
Recolección de la goma de mezquite
El aspecto de la recolección de goma puede considerarse como garantizado, por una parte las zonas de mezquites tales como se ha indicado anteriormente son áridas y en estos lugares lo pobladores tienen pocas fuentes de ingresos por lo que existe potencialmente la mano de obra necesaria, además la época de recolección de goma no coincide con la de cosechas con lo que la recolección sería un ingreso extra, por otra parte ya se estableció un precedente en el estudio de Vernon Carter y .Co1.(17) teniendo un resultado satisfactorio en los municipios donde se trabajo. El establecimiento de medios para la obtención de ingresos extra para dichas comunidades ha sido aceptado tradicionalmente por los gobiernos estatal y federal, por lo que el proyecto de la arabinosa no deberá tener obstáculos en lo referente a estos aspectos.
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UBICACION DE LA PLANTA
La planta de producción de 1-arabinosa se ubicará en el estado de San Luis Potosí, en el municipio de Río Verde, el cual cuenta con los servicios de luz y agua necesarios para la planta, así como con la red de transporte terrestre y aéreo necesario para la exportación del producto. La ubicación geográfica en la que se encuentra es estratégica, puesto que esta relativamente cerca de ciudades importante como Guadalajara y el Distrito Federal.
,;d TAMAU L IFAS
Figura 1.4. Ubicación de planta de 1-arabinosa
Otro de los factores importantes que se consideró par la ubicación, se basó en los estudios de producción de goma de mezquite realizados por el Dr. J. Vernon y col. en este estado, además de que en este lugar se encuentra la especie prosopis laevigata, la cual cuenta con el mayor porcentaje de 1-arabinosa en su composición (44 %). además también contamos con la mano de obra disponible par la recolección de la goma ya que esta no coincide con la época de cosechas del estado.
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BIBLIOGRAFIA DE LA PARTE 1
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PARTE 2
ESTUDIO EXPERIMENTAL
OBJETIVOS
Encontrar las mejores condiciones experimentales para sintetizar un proceso en base a los resultados
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INTRODUCCION
El presente proyecto tiene como objetivo la OBTENCION DE LA L-ARABINOSA A PARTIR DE LA GOMA DE MEZQUITE, En esta etapa del proyecto se buscó sintetizar un proceso para dicho objetivo. El esquema general de éste se presenta a continuación:
GOMA DE MEZQUITE
_ _ ~
Diagrama 2-1. Esquema general del procedimiento
El esquema anterior se debe a que la goma de mezquite es un polisacárido cuyas unidades de monosacárido están constituidas por 1-arabinosa, d-galactosa, ramosa, ácido glucorónico y ácido 4-o-metil glucorónico, y que al romper los enlaces glucósidos que unen a los monosacáridos estos compuestos son liberados paulatinamente.
El porcentaje que reportan varios investigadores después de realizar la hidrólisis total de la goma y que han sido reportados (6 y 7) está dado en la siguiente tabla 2.1 :
Compuesto Acido glucorónico
YO en peso
4.3 Ramosa 37.8 Galactosa 8.23 Acido 4-o-metil glucorónico 6.66
I 1-arabinosa I
142.9 1 Tabla 2. l . Porcentaje en peso de azúcares de la goma de mezquite
La consideración importante, es que la hidrólisis es la reacción en la que el agua reacciona con los enlaces glucósidos que unen las cadenas de monosacáridos.
Los investigadores que han aislado la 1-arabinosa de manera exclusiva, lo han hecho para determinar la estructura y han encontrado que las cadenas polisacáridas de 1-arabinosa se encuentran alrededor del centro de la molécula. Esto propicia que sea la 1-arabinosa el
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primer sacárido que se libera en la hidrólisis (1,2,3,4). En particular, dos trabajos se han realizado para la hidrólisis de la goma de mezquite, ambos consideran solución acuosa ácida. Estos procedimientos son los que describen Anderson y Sands(3) y por otro lado el procedimiento que describe Hudson (5). La diferencia esencial en dichos procedimientos, es la normalidad que utilizan, además Hudson(5), describe un tratamiento alcalino que considera necesario para controlar la espuma que se forma a la hora de filtrar.
Hablando en términos generales, la hidrólisis se puede llevar a cabo utilizando diferentes procedimientos entre los cuales están:
Utilizando una alta concentración de ácido en la solución. Realizando la hidrólisis a través de columnas de intercambio iónico. Utilizando enzimas que catalizen la reacción.
De acuerdo con la información que recabamos, estos procedimientos ya son utilizados en el tratamiento de azúcares, por lo que nuestro interés es estudiar cada uno de ellos. De manera particular nos dedicamos este periodo en encontrar las relaciones para el primer caso, ello debido a que contamos con información del proceso buscando realizar una síntesis de proceso puesto que la información recolectada se refiere simplemente a procedimientos de laboratorio.
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DESARROLLO EXPERIMENTAL
Verificación de resultados reportados en la literatura
Para esta etapa del proyecto, el objetivo fue verificar experimentalmente los resultados obtenidos previamente por otros investigadores, que han aislado 1-arabinosa de la goma de mezquite. Entre las técnicas propuestas hay dos diferencias importantes con respecto al tratamiento que se debe dar a la goma de mezquite previo a la hidrólisis que son las siguientes:
Con tratamiento alcalino: Como paso necesario para reducir la espuma que se forma durante la reacción y que dificulta los procesos subsecuentes como la filtración y destilación.
Sin tratamiento alcalino: Esto porque algunos autores no lo implementan en su procedimiento, por lo que nos interesa verificar cuál de los dos procedimientos es más eficiente en cuanto a rendimiento de la reacción y al manejo de los reactivos involucrados durante toda la etapa experimental.
Tomando en cuenta las consideraciones anteriores, el primer método que verificamos es el propuesto por Hudson (5), quien recomienda tratamiento alcalino previo a la hidrólisis. Este autor, indica en su artículo que es necesario un tratamiento con hidróxido de bario (Ba(OH),) como paso previo a la hidrólisis ácida, con el propósito de evitar el uso de métodos de separación más complicados para aislar 1-arabinosa. Este tratamiento consiste en lo siguiente:
Primero se mezclan 13 gr. de goma de mezquite con 0.65 gr. de Ba(OH), en 75 ml. de agua, ésta mezcla se calienta durante 2 horas en baño María agitando ocasionalmente. Después de que transcurre éste tiempo, se lleva a reflujo la mezcla anterior con el propósito de evitar la espuma que se forma en esta mezcla debido a las propiedades tensoactivas de la goma de mezquite. Cuando este tratamiento alcalino se termina, se agregan 18 ml. de ácido sulfürico (H,SO,) 1 N; el bario se precipita como sulfato y la solución tiende a ser 0.14 N debido al exceso de H2S04. Posteriormente, esta solución se lleva a reflujo por 4 horas. En este punto, la hidrólisis parcial de la goma de mezquite cuando ebulle libera la mayor parte de la 1-arabinosa sin producir otros carbohidratos que pudieran impedir la cristalización de ésta. La etapa siguiente es la neutralización en la cual utilizamos carbonato de calcio (CaCO, ), el autor recomienda agregarlo lentamente para controlar la formación de espuma y calentar durante 2 horas para completar la neutralización del H2S04. Después se filtra la solución anterior utilizando tierras de infusorios; el jarabe que se obtiene de esta filtración, se mezcla con metanol (CH,OH) caliente (6 ml) y ésta a su vez se agrega a 75 ml. de metanol caliente en baño María. Durante esta etapa, se precipitan sales de calcio las cuales se filtran posteriormente con carbón activado y tierras de infusorios, la torta se lava con metanol caliente. El jarabe que se obtiene, se concentra a vacío con el objeto de evaporar la mayor cantidad de solvente en la mezcla. El concentrado se cristaliza a 0°C.
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Por último se filtra para obtener los cristales de l-arabinosa, el procedimiento se presenta a
GOMA DEGRADADA
CONCENTRACION 1 IEZCLAR CON METANOL
FILTRACION SALES DE SULFATO I
CONCENTRACION
I
]CRISTALIZAR
I & FILTRAR
47 L-ARABINOSA
Diagrama 2.2. Esquema del procedimiento con tratamiento alcalino
En el caso sin tratamiento alcalino, es el mismo procedimiento excepto que no se utiliza el tratamiento alcalino previo a la hidrólisis con ácido sulfúrico.
Modificaciones al tratamiento alcalino
Del análisis de los resultados encontrados en la etapa anterior, decidimos realizar una corrida sin llevar a cabo el tratamiento alcalino, en la cual observamos que al llevar la mezcla a ebullición se produce espuma de manera considerable. Para evitar la espuma y debido a que observamos que éSta se produce de manera importante, sólo en la etapa donde la mezcla se lleva a la temperatura de ebullición realizamos ahora una corrida buscando controlar la temperatura.
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1 Corrida I Concentración I normalidad de la I Temperatura I Tiempo ( h ) de la goma "OW ("C) solución
1
5 92 0.14 0.133 3 5 85 O. 14 0.133 2 5 80 0.14 0.133
1 - I I I I
Tabla 2.2. Efecto de la temperatura sobre la hidrólisis
Corrida Observaciones:
1 No presenta espuma sin embargo el grado de hidrólisis es muy bajo al
2 No presenta espuma sin embargo el grado de hidrólisis es muy bajo al
3 No presenta espuma pero es dificil controlarlo debido a que esta es la
analizarlo con el cromatógrafo
analizarlo con el cromatógrafo
temperatura de ebullición de la mezcla, el grado de hidrólisis es el mismo que el de la corrida realizada con tratamiento alcalino y el que se llevó la mezcla a reflujo
Modificaciones a la hidrólisis
En esta etapa ya con el diagrama de flujo modificado, puesto que no realizaremos más el tratamiento alcalino, buscamos encontrar las condiciones óptimas para la hidrólisis.
Los objetivos particulares de esta etapa fueron:
1.- Lograr una buena ruptura de la molécula de tal manera que se obtenga un grado considerable de 1-arabinosa.
2.- A la vez que deseamos lograr un buen grado de hidrólisis para obtener el mayor contenido de 1-arabinosa posible, tenemos que buscar que no se separen los otros azúcares presentes en el contenido de la molécula, pues esto imposibilitaría la separación.
3.- El grado de hidrólisis debe ser logrado con el más bajo nivel de acidez ya que al término requerimos que el exceso de ácido sea neutralizado, este paso es sumamente molesto porque lo llevamos a cabo adicionando sales de carbonato de calcio, lo que produce la formación de espuma considerable.
Modificaciones a las operaciones de separación
Del diagrama inicial que se presentó, las separaciones esencialmente se realizan a través de una serie de filtraciones. En la primera de éstas se busca separar tanto el residuo resultante después de la hidrólisis así como la sal producto de la neutralización. Con el fin de mejorar
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la separación, la realizamos en diferentes etapas, primero una vez realizada la hidrólisis para posteriormente continuar con la neutralización y una vez completada ésta llevar a cabo otra filtración esta vez de las sales de sulfato de calcio producidas. Con las modificaciones hechas hasta esta etapa, encontramos que la filtración resulta mejor puesto que no se tapa el papel filtro que era el problema principal al llevar a cabo los procedimientos descritos en la literatura En los procedimientos que se realizan a continuación se concentra la solución en agua para después disolverla en alcohol metílico, Esto se hace porque la 1-arabinosa es altamente soluble en agua y nunca cristalizaría. Por ello es necesario llevarla a una fase orgánica donde es insoluble y por lo tanto cristalizará.
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ANALISIS DE RESULTADOS
De la verificación de resultados
En esta parte observamos que el procedimiento que se lleva para obtener la 1-arabinosa a partir de la goma de mezquite según el artículo que publica Hudson(5), es muy complejo, debido a que la filtración es muy dificil, en nuestro caso no hemos logrado aislarla debido a los problemas presentados en la filtración. Hasta este punto se observó el resultado que se obtiene de cada procedimiento.
Por otra parte, un balance de masa hecho para el rendimiento de 1-arabinosa que reporta, nos damos cuenta que tan solo obtiene entre un 70% y 80% del contenido de 1- arabinosa. Por ello decidimos realizar modificaciones en el proceso de la hidrólisis. También se observa que el tratamiento alcalino tiene el problema de consumir mucha energía.
De acuerdo a lo reportado, este tratamiento se realiza para evitar espumeo en la hidrólisis, no obstante el conocimiento actual nos indica que la goma de mezquite es un agente con propiedades tensoactivas muy importante y es esta propiedad la que propicia la formación de espuma reportada por Hudson(5). De lo anterior concluimos que el tratamiento alcalino es una parte de la hidrólisis de la goma y el objetivo es evitar este paso, debido a que el espumeo tan solo representa problemas en la etapa en la que se lleva la solución a reflujo. Se considera la posibilidad de llevar a cabo la hidrólisis en condiciones menos enérgicas de temperatura.
Análisis de la modificación al tratamiento alcalino
Los resultados que encontramos al evitar el tratamiento alcalino nos indican que es posible evitar este paso, teniendo un control muy riguroso de la temperatura en la solución, esto es porque se debe de llevar la hidrólisis a la temperatura de ebullición de la mezcla (92°C) para lograr una buena hidrólisis. Esto es evidente porque las soluciones que se trataron a 80 y 85°C no presentan el cambio en la consistencia que se obtiene en aquella tratada a la temperatura de ebullición. No obstante, el trabajar a una temperatura de 92 "C implica un control muy riguroso del medio de calentamiento que en nuestro caso fue el reóstato.
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1 PREPARACION DE LA GOMA I
GOMA b DEGRADADA
-7" 1
I CONCENTRACION I
CARBON ACTIVADO
I CONCENTRACION EN METANOL 1 CRISTALIZACION 1
SOLUCION I
Diagrama 2.3. Procedimiento sin tratamiento alcalino
Análisis de los resultados cromatográficos
Debido a que se observa un rendimiento muy bajo en los procedimientos descritos en la literatura y que esta diferencia es esencialmente debida al cambio en la normalidad utilizada para la hidrólisis, se realizó un estudio en el cual se varía la normalidad para la hidrólisis, realizando la hidrólisis a una concentración de O. 1333 g/ml y variando la normalidad ,los
33
resultados se presentan en las gráficas 2.1 y 2.2 donde se observa la variación en la concentración de la 1-arabinosa y de la d-galactosa en función del tiempo para las 4 normalidades utilizadas
ao -
co = ‘ ~ P k g a - 4 nce 60- ntr aci
ón (m g! 40
m]) 20
$‘:,e /@ / -- 1.50 N -e- 0.20 N -A- 0.65 N
/ -m- 1.15 N O
7 I O
I I I I 1 O0 200 300 400
Tiempo (min)
Gráfica 2. l . Concentración de 1-arabinosa en función del tiempo
25 -
co *O- nc
rac ió n (m gf m1 5-
1
ent 15-
10-
0-
J.” e=-.
1.50 N 0.20 N 0.65 N 1.15 N
I O
I I I I 1 O0 200 300 400
Tiempo (min)
Gráfica 2.2. Concentración de d-galactosa en función del tiempo 34
Análisis de las operaciones de separación.
Las operaciones de separación resultan como las modificamos y como ya se citó anteriormente, la 1-arabinosa solo cristalizó en el caso de la hidrólisis al 0-2 N, lo que nos indica que el exceso de otros azúcares liberados resulta en una dificil cristalización, en todo caso no planeamos cristalizar en nuestro proceso puesto resulta muy tardado. Además, decidimos sustituir el uso de etanol por el de metanol en la etapa de extracción. Esto porque en cuanto a que es menos tóxico, más económico y los resultados experimentales no se modifican de manera importante.
PROPUESTAS
De los resultados que obtuvimos en esta parte se decidió utilizar una hidrólisis a 0.2 N por 5 horas y a una temperatura de 92 "Cy a demás se utilizara etanol en lugar de metanol en la extracción, por ser más barato y menos tóxico, además nos se realizara la cristalización por ser muy tardada y requerir sistema de refigeración, en vez de ello se utilizara secado por asperción. Se planea utilizar intercambio iónico para la purificación de la arabinosa resultante en la extracción.
Diagrama de f io de nuestro proceso I PREPARACION DELA GOMA I
SOLUCION 0.2 N
~NEUTRALIZACION ' SALES DE LA NEUTRALIZACION
I I I
CONCENTRACION
4 EXTRACCION CON ETANOL
I
DECANTACION
4 DEGRADADA
CONCENTRACION EN ETANOL
v SEPARACION POR INTERCAMBIO IONIC0 I I A I SECADO POR ASPERCION I e L-ARABINOSA
Diagrama 2.4 Procedimiento a emplearse
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APENDICES DE LA PARTE 2
Balance de masa
rl- O. 1333GL I I
HIDROLISIS
DE L-ARABINOSA
AL looyo I+ GOMA DEGRADADA
El balance de masa presentado en el esquema anterior, está basado en el contenido en peso de 1-arabinosa en la goma de mezquite que es del 44%. Este balance considera que la hidrólisis de lleva a cabo al 100%.
Curva de calibración para el análisis cromatográfico.
Para la caracterización de nuestras muestras, fue necesario realizar un análisis cromatográfico de HPLC (cromatografia líquida a altas presiones en columna empacada), ya que es un método que se recomienda para la identificación de azúcares. Para esto, se hicieron varias corridas de muestras de una solución patrón de 1-arabinosa a diferentes concentraciones, las cuales se muestran a continuación:
CORRIDA 0.0025 1 CONCENTRACION (gr/L)
2
0.05 4 0.025 3 0.0125
En las corridas se obtuvieron las siguientes áreas del cromatograma.
CORRIDA
2522274 3 134878 2 6581 14 1 AREA
5 130888 4
Al tener estas áreas de los cromatogramas, se hace una curva patrón, para poder estimar la concentración de nuestra muestra problema.
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Curva Patron de Arabinosa ~
~
O 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Concentraci6n(gr/kr)
Observándose la siguiente tendencia lineal, de la ecuación de una línea recta que es:
Area = 9.568* lo7 Concentración + 260845
De esta ecuación se despeja la concentración, dando así la concentración de nuestra muestra problema.
Concentración = (Area -260845)/ 9.568* lo7
En nuestro caso, el área del cromatograma es la siguiente:
Area = 820538
Por lo que la concentración de 1-arabinosa en la muestra es la siguiente:
Concentración = 0.00777 gr/ml
Propiedades fisicas y químicas de los reactivos
Acido Sulfürico
Sinónimos: Aceite de vitriolo, ácido de decapado, sulfato de hidrógeno. Fórmula: H,SO, Peso Molecular: 97.064 u.m.a.
Propiedades Físicas
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Características: Líquido oleoso, denso. De incoloro a café oscuro, dependiendo de su pureza tiene mucha afinidad del agua tomándola del aire. Soluble en agua y alcohol, desarrollando mucho calor y reduciendo volumen. Para diluirlo se debe añadir el ácido al diluyente. Disuelve todos los metales y desintegra rápidamente la madera, hule y material orgánico y textil en general. Debe guardarse bien cerrado y manejarse con sumo cuidado pues produce severas quemaduras.
Densidad: 1 .S4 gr/cm3 a una concentración entre 93% al 97%.
Punto de ebullición: 290°C.
Uso industrial: En la preparación de productos químicos, fertilizantes, refinación del petróleo, explosivos, industrias de pieles, metalurgia, baterías eléctricas, hules, industria textil, aceites sulfonados, perfumes sintéticos, cerámicos, neutralizantes de alcalinos en la fermentación de licores, agente secante, colores minerales, plásticos de la piroxilina, papel pergamino, fungicida, procesos fotográficos, en grabados y litografia y como reactivo analítico y en casi todas las industrias.
Propiedades químicas
El ácido de 100% desprende SO, cuando se calienta. El ácido sulfúrico concentrado es un agente deshidratante poderoso. Se une con el agua violentamente, con contracción de volumen y desprendimiento de calor; el calor de disolución en seis partes de agua es de 14497 calorías por cada molécula gramo. En disolución diluida se encuentra totalmente ionizado. Se utiliza mucho para obtener otros ácidos inorgánicos y orgánicos, a partir de las sales correspondientes; también se emplea para la producción de sulfatos metálicos. El ácido sulfürico y los sulfatos se reconocen e identifican por la formación de sulfato de bario BaSO,, prácticamente insoluble en agua y ácidos diluidos y el cual se precipita como un precipitado blanco. Si se añade cloruro o nitrato de bario a las disoluciones acuosas del ácido sulfúrico o de sus sales; esta reacción también se utiliza para la determinación cuantitativa.
Toxicidad
Absorción: Inhalación Ingestión
Patología: Corrosivo
Signos y síntomas:
Locales: Conjuntivitis y necrosis corneal Dermatitis Quemaduras de piel y ulceración
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Respiratorios: Irritación de nariz y garganta Edema de laringe Bronquitis y neumonitis Edema pulmonar
Gastrointestinales: Erosión dental Shock Anuria Quemaduras de boca, garganta, abdomen Náuseas y vómitos de sangre y tejidos desgastados Es posible la perforación del tracto gastrointestinal Albúmina, sangre y sedimentos en orina
Test de diagnóstico: No hay ninguno establecido
Tratamiento:
Lavado de ojos con agua Lavado con agua y jabón de las partes contaminadas del cuerpo Lavado gástrico, si se ha ingerido; debe tenerse cuidado al pasar el tubo de lavado y emplear los álcalis con gran precaución a causa de la formación de gases; después se hace un lavado con emulsionantes. Morfina para el dolor. Oxígeno con aparato de respiración controlada; puede emplearse como aerosol una solución de bicarbonato sódico al 5%, además de broncodilatadores y descongestionantes. Codeína para la tos. Cortisona Sintomático y de fortalecimiento general
Secuelas: La lesión corneal puede ser permanente Se pueden presentar las estenosis esofagal y gástrica
Medidas preventivas: Ventilación adecuada Gafas protectoras Mascarilla con adsorbente químico Guantes de goma Trajes protectores Excluir de la exposición a los individuos con enfermedades pulmonares
Alcohol etilico ( Etanol)
Fórmula : C,H,OH ; el alcohol puro tiene un punto de ebullición de 78 "C; presión de vapor de 44 mmHg a 20°C. El alcohol etílico (de grano) es usado con solvente, antiséptico,
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intermediario químico y como bebida. para muchos usos comerciales el alcohol etílico es denaturalizado. Las siguientes fórmulas son las más comunes en preparaciones farmacéuticas y de uso en el hogar: Las fórmulas 1 y 3A contienen 5% de alcohol; la fórmula 23A contiene 10% de acetona; la fórmula 23H contiene acetona y 1.5% de metilisolbutilcetona; La formula 39C contiene 1% de ftalato de dietilo; la fórmula 40 contiene 1.25 m1 de alcohol butílico terciario y 0.25 g de sulfato de brucina en cada litro. L concentración de bebidas alcohólicas ordinariamente se da en Vo%, indicando volúmenes de alcohol en 100 volúmenes de bebida , o con una graduación mediante licores de prueba, en la cual el número es el doble de la concentración mediante licores de prueba, en la cual el número es el doble de la concentración común de etanol en las bebidas es la siguiente: cerveza 3%; vino 10% ; vinos fortificados 20%; bebidas fuertes destiladas 40%; las bebidas fermentadas pueden contener más alcoholes complejos, los cuales son tóxicos.
La dosis letal para una persona adulta común es de 300a 400 m1 de etanol puro(600 a 800 m1 de whisky con graduación de 100) si es consumido en menos de una hora, aunque se han llegado a producir síntomas graves con niños por ingestión de 1 mlkg de alcohol desnaturalizado conteniendo 5% de alcohol metílico. El límite de exposisción es de 1000 partes por millón. Los consumidores crónicos tienen una tolerancia mayor al etanol.
El alcohol etílico, siendo una molécula pequeña, con propiedades hidrofilicas, se absorbe rápidamente por el aparato digestivo o por los alveolos y se distribuye dentro del organismo de acuerdo con el contenido de agua de los tejidos. Es oxidado pasando por acetaldehído hasta CO, y agua a una velocidad de 100 a 1 1 O mg/kg/hora. EL sistema que metaboliza al etanol se satura a una concentración plasmática de lmg de etanol por cada m1 de plasma. El volumen de distribucuón (Vd) para el etanol es de 0.6 litroskg.
El alcohol etílico deprime al SNC en forma irregular en orden desendente de la corteza a la médula, dependiendo de la cantidad ingerida. El margen entre la dosis que produce anestesia y la que daña las funciones vitales es pequeño. Así, una cantidad que produce estupor se encuentra peligrosamente cerca de la dosis letal. Los efectos se potencializan por la ingestión concomitante de barbitúricos y otros depresivos.
Los hallazgos patológicos en personas que han fallecido a consecuencia de la intoxicación aguda por el alcohol etílico incluyen edema cerebral e hiperemia y edema del aparato digestivo. Los hallazgos post mortem en pacientes que han fallecido después de la ingestión crónica de grandes cantidades de alcohol incluyen cambios degenerativos en el hígado, riñones y cerebro; gastritis atrófica y cirrosis hepática.
Interacciones
El etanol intensifica los efectos de anticuagulantes cumarícos, antihistamínicos, hipnóticos, sedantes, tranquilizantes, insulina, inhibidores de la monoaminooxidasa y antidepresores. L a intolerancia al etanol de los compuestos parecidos al disulfiram puede ocurrir con sulfonilureas, tiocarbamatos, metronidazol, tozalina, íürazolidona, cloramfenicol y quinacrina.
Datos clínicos La manifestación principal de la intoxicación por metano1 es la depresión del SNC.
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A. Envenenamiento agudo(por ingestión):
1.- Ligero(concentraci6n de alcohol en la sangre de 0.05 a 0.15% , 0.5 a 1.5 mg/ml); inhibiciones disminuidas, ligero trastorno de la visión, ligera falta de coordinación muscular y lentitud en el tiempo de reacción. Aproximadamente 25% de pacientes de este grupo se encuentran intoxicados desde el punto de vista clínico.
2.- Moderado(concentraci6n de alcohol en la sangre de 0.15 a 0.3%, 1.5 a 3 mg/ml); franco trastorno de la visión, perdida sensorial, falta de coordinación muscular, lentitud en el tiempo de reacción y lenguaje entrecortado. De 50-95% de estos pacientes se encuentran clínicamente intoxicados.
3.- Grave(concentración de alcohol en la sangre de 0.3 a 0.5%, 3 a 5 mg/ml); marcada falta de coordinación muscular, visión borrosa o doble, estado próximo al estupor. En ocasiones ocurre hipoglucemia grave con hipotermia, desviación conjugada de los ojos, rigidez extensora de la extremidad, signo de Bbinski unilateral o bilateral, convulsiones y trismo. Los niños son especialmente sensibles. Las muertes comienzan a ocurrir en estos límites.
4.- Coma(concentraci6n de alcohol en la sangre arriba de 0.5%, 5 mg/ml); inconsciencia, respiración lenta, reflejos disminuidos y pérdida completa de las sensaciones. Las muertes frecuentes con estas concentraciones.
B. Envenenamiento crónico(por ingestión): 1 .- Generales: pérdida de peso. 2.- Gastrointestinales: cirrosis hepática y gastroenteritis con anorexia y diarrea. 3.- Sistema nervioso. A.- Polineuritis con dolor y pérdida en las extremidades tanto de la función motora como de la sensorial. B.- Atrofia óptica. C.- Deterioro mental con pérdida de la memoria, temblor, alteración del juicio y pérdida o deterioro de otras habilidades.
D.- El síndrome de abstinenscia del etanol o la alcohólica aguda(de1iriumtremens) suelen presentarse tras la abstinencia después de un periodo prolongado de ingestión constante de bebidas alcohólicas. Los síntomas incluyen miedo incontrolable, insomnio, temblores e inquietud que progresan a alucinaciones visuales, auditivas o gustativas y delirio. Pueden presentarse reflejos exagerados, taquicardia y algunas veces convulsiones. L a forma más grave de abstinencia alcohólica es el delirium tremens.
E.- La psicosis alcohólica aguda( síndrome de Korsakoff) está caracterizada por deterioro mental grave, sugestionabilidad, desorientación, ocasionalmente aparece miopatía aguda después de un periodo de ingestión de alcohol inusualmente alta. Los síntomas son músculos adoloridos e hiperestésicos, acompañados de edema muscular y degeneración de las fibras musculares. Los síntomas de cambio patológico en el músculo cardiac0 son
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palpitaciones, etrasístoles, taquicardia u otras arritmias. El padecimiento puede progresar hasta la fibrosis miocárdica irreversible y luego a insuficiencia circuñatoria.
F.- En alcoholismo de muchos años de duración, ocasionalmente aparece miopatía aguda después de un periodo de ingestión de alcohol inusualmente alta. Los síntomas son músculos adoloridos e hiperestésicos, acompañados d edema muscular y degeneración de las fibras musculares. Los síntomas de cambios patologicos en al musculo cardiac0 son palpitaciones, extrasínsotoles, taquicardia u otras arritmias. EL padecimeinto puede progresar hasta la fibrosis miocárdiaca irreversible y luego a insuficiencia circulatoria.
C.- Datos de laboratorio
1.- La mayor parte de los laboratorios informan de concentraciones de etanol en la sangre que son menores a 10-20% que en suero o plasma. Los valores Sanguíneos de alcohol se correlacionan bien con el cuadro clínico, excepto en los bebedores crónicos, cuyas concentraciones son mayores. Las cifras de 0.05 a 0.15% (0.5 a 1.5 mg/ml de sangre) son pruebas legales de intoxicación en muchas juridicciones. La concentración de alcohol etílico en el aire respiratorio puede también ser usada para indicar las concentraciones sanguíneas.
2.- El alcoholismo crónico, la función hepática debe ser evaluada mediante las pruebas apropiadas.
3.- El uranálisis puede ser positivo para azúcares reductores, acetona o ácido diacético. Las concentraciones úricas de alcohol etílicosse correlacionan bien con las cifras sanguíneas del mismo.
4.- Debera determinarse los valores da glucosa sanguínea después de la ingestión de sustancias que contienen etanol, especialmente en los niños.
5.- La cardiopatía se hace evidente por los cambios de ECG, incluyendo arritmias, extrasístoles de diversos focos y ondas T deformadas.
6.- Un aumento de la amilasa sérica indica pancreatitis.
Prevención
Los alcohólicos pueden ser capaces de ayudar a aquellos pacientes que genuinamente deseen ayuda. La administración de disulfiram (Antabuse) induce sensibilidad al etanol y puede ser útil para entrenar a evitar el alcohol.
Tratamiento
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A.- Envenenamiento agudo 1 .- Medidas de urgencia: Extraer el etanol no absorbido mediante lavado gástrico con agua corriente o mediante emesis. 2.- Medidas generales para el tratamiento del coma: A.- mantener un conducto respiratorio adecuado. Dar respiración artificial si es necesario.
B.- Mantener la temperatura corporal dentro de los límites normales.
C.- Administrar 2 g de bicarbonato de sodio en 250 m1 de agua cada dos horas para mantener la orina neutra o ligeramente alcalina.
D.- Evitar la administración excesiva de líquidos.
E.- Evitar la administración de medicamentos depresores.
F.- En presencia de hipoglucemia, administrar soluciones glucosasdas ( a 5-10%) IV más 100 mg de tiamina por vía 1M.
G.- La hemodiásis está indicada si la cifra de etanol en la sangre es mayor de 5 mg/ml.
B. Envenenamiento crónico
1 .- Medidas de urgencia
A.- En la manía alcohólica aguda, administrar diacepam, 10 mg por vía IV lentamente al principio, luego 5 mg por vía IV cada 5- 10 minutos hasta que se controle la manía. A partir de ese momento dar 5-1 O mg vía bucal cada 1 a 8 horas según sea necesario.
B.- Evitar la coerción física. Mantener un ambiente calmado, quieto y uniforme.
2.- Medidas generales
A.- En pacientes con antecedentes de convulsiones, administrar 500 mg de fenitoína y repetir 4-6 horas. Se continúa con la fenitoína, 300 mg diarios.
B.- Dar una dieta rica en vitaminas y proteínas además de tiamina en dosis de 100 mg 3 veces al día; piridoxina, 100 mg/día; ácido fólico, 5 mg 3 veces al día y ácido ascórbico, 500 mg 2 veces al día.
C.- Dar hasta 4 litros diarios de líquidos por vía bucal. Administrar 1 a 2 litros de dextrosa a 5 % en solución salina, por vía IV, si el paciente no puede ingerir líquidos por vía bucal.
Pronostico
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En el alcoholismo agudo, no complicada, la supervivencia por 24 horas ordinariamente es seguida de recuperación. En la psicosis alcohólica, la supervivencia es probable pero la recuperación completa es rara. En presencia de deterioro mental, el retiro completo fe etanol puede ser seguido por mejoría mínima.
Alcohol Metílico
Sinónimos: Metanol, alcohol de madera. Fórmula: CH,OH Peso molecular: 3 1 u.m.a.
Propiedades: Líquido claro, incoloro, móvil muy polar; miscible con agua alcoholes y éter; d 0.7924; p.c. -973°C; p. eb. 64.5"C; índice de refracción 1.329 (20°C); presión de vapor 92 mm (20°C); p. de inflamación 12.2"C (vaso abierto), temperatura de autoignición 464°C.
Peligros: Inflamable, peligrosos riesgo de incendio. Límites explosivos en el aire 6 -3630 en volumen. Tóxico por ingestión (provoca ceguera). VLU: 200 ppm en el aire.
Usos: Fabricación de formaldehído; ácido acético y tereftalato de dimetilo; síntesis química; anticongelante, disolvente para nitrocelulosa, polivinilbutiral, shellac, colofonia, resina de manila; colorantes; desnaturalizante para el etanol, deshidratante para el gas natural; combustible para fábricas; fabricación d proteínas sintéticas por fermentación continua; fuente de hidrógeno para pilas electroquímicas; calefacción doméstica.
1-Arabinosa
Sinónimos: Azúcar de pectina, anicar de goma Fórmula: C,H,,O, Peso Molecular: 150 u.m.a. Los isómeros 1- y d- existen en la naturaleza. La 1-arabinosa es común en las gomas vegetales.
Propiedades: cristales blancos, soluble en agua y glicerol, insoluble en alcohol y éter. P.f. 158.5"C, d 1 S86 (2014°C). Combustible.
Usos: Medio de cultivo para bacterias
Carbón Activado
Sinónimos: Carbón activo, carbón vegetal activado.
Propiedades: Una forma de carbón amorfa, caracterizada por su gran capacidad de absorción de gases, vapores y sólidos coloidales. El carbono se obtiene por destilación
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destructiva de madera, conchas, huesos de animales u otros materiales carbonáceos; se activa por calentamiento a 800-900°C con vapor de dióxido de carbono que da como resultado una estructura interna de carbón activado, se ha calculado que es de unos 334.5 m2 por gr; la densidad varía entre 0.08 y 0.5. No es eficaz para eliminar etileno.
Peligros: Inflamable, tóxico por inhalación del polvo. Usos: Decolorante de azúcar; purificación de agua; recuperación de disolvente; tratamiento de desperdicios; separación de dióxido de azufre de gases de chimenea y limpieza de habitaciones; desodorante; purificación de gas natural; fermentación, galvanoplastia de cromo; aire acondicionado.
Toxicidad
Signos y Síntomas: Conjuntivitis e hiperplasia epitelial de la córnea Eczema Bronquitis Efisema
Test de diagnóstico: Los rayos X pueden presentar una pneumocosionosis son sombras Hilares aumentados Estricciones lineales Punteado fino en las zonas medias de los pulmones
Tratamiento: Sintomático y de fortalecimiento general
Secuelas: Las alteraciones pulmonares pueden ser permanentes
Medidas preventivas: Gafas protectoras Mascarilla con adsorbente químico Excluir de la exposición a los individuos con enfermedades pulmonares
Carbonato de Calcio
Fórmula: CaCO, Peso Molecular: 1 O 0 u.m.a. Propiedades: Polvo blanco o cristales incoloros; inodoro; insípido; d 2.7-2.95, se descompone a 825 "C, no combustible, ligeramente soluble en agua, poco soluble en ácidos con desprendimiento de dióxido de carbono. Peligros: un polvo molesto particular. VLU: 5 mg/m3 de aire. Usos: fuente de cal; agente neutralizante; rellenador y extensor de caucho, plásticos, pinturas; agente opacificador del papel; polvos para dientes; antiácido, eliminación de dióxido de azufre de los gases de combustión; flujos metalúrgicos; química analítica; producción de dióxido de carbono.
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Tierras diademas
Sinónimos: Diatomita, tierra de infusorios. Propiedades: material sólido, blando, pesado (88% sílice), compuesto de esqueletos de pequeñas plantas acuáticas, prehistóricas, relacionadas con las algas (diatomeas). Tienen formas geométricas intrincadas. Está disponible en forma de bloques, ladrillos, polvo, etc. de color claro; d 1.9-2.35; densidad aparente de 0.15 a 0.45. Insoluble en ácidos, excepto clorhídrico; soluble en álcalis fuertes. Absorbe 1.5-4 veces su peso en agua, tiene también gran capacidad de absorción de aceite. Es pobre conductor de calor, sonido y electricidad. No combustible. Peligros: Por inhalación de polvo. Usos: Decoloración; filtración; clarificante; agente aislante; absorbente; espesante para barros de perforación; productos de caucho y plástico; cerámicas, papel de revestimientos; composiciones de asfalto, cromatografia; extensor de pintura; refractarios; portador de catalizadores. Contaminación: Proceso: Acero Pinturas Goma Embalaje Aislamiento Ignífugos Filtros Concentración máxima permisible: No hay nada establecido
Toxicidad. Absorción: Inhalación Patología: La tierra de diatomeas natural produce una pneumoconiosis benigna. La tierra de diatomeas calcinada produce una fibrosis difusa con microondulación Signos y síntomas: Tos Disnea Pleuresia Dolor de pecho Bronquitis Efisema Test de diagnóstico: Disminución de la capacidad ventilatoria Los rayos X pueden mostrar: Cambios lineales Reticulación Mocroondulación Fibrosis Tratamiento: Sintomático y de fortalecimiento general
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Secuelas: Puede no haber correlación entre las medidas de la función pulmonar y cambios a rayos X. Medidas preventivas: Ventilación adecuada Mascarilla con filtro mecánico Reconocimiento médico anual del personal expuesto, incluyendo capacidad vital y pecho a rayos X. Excluir de la exposición a los individuos con enfermedades pulmonares conocidas.
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BIBLIOGRAFIA DE LA PARTE 2
G.O. Aspinall y C Whitehead, 1970, Mesquite Gum. The 4-0- methylglucuronogalactan core,. Can. J. Chem. 48 pag. 3840 G.O. Aspinall y C Whitehead, 1970, Mesquite Gum. I1 The 4-0- methylglucuronogalactan core,. Can. J. Chem. 48 pag. 3850 Ernest Anderson y Lilia Sands; 926, The Composition of Mesquite Gum; The Isolation of d-galactose and 1-arabinose, The Journal of the American Chemical Society 48 pag. 3 173 E.V. White; 1947, The Constitution of Mesquite Gum. II. Partial Hidrólisis of Mesquite Gum. The Journal of the American Chemical Society 69 pag 622-623. C. S. Hudson; 195 1, Improvements in the Prepration of 1-arabinose fiom Mesquite Gum. The Journal of the American Chemical Society 73 pag. 4038-4039. D. M. W. Anderson y Wang Weiping; 1989, The Characterization of Proteinaceous Prosopis (mesquite) Gums which are not Permitted Food Additives. Food Hydrocolloids 3 pag. 235-242. D. M. V. Anderson and J. G. K. Farquhar; 1982, Gum Exudates f i o m the Gums Prosopis. The International Tree Crops Journal, 2 pag. 15-24. G. Hawley, Gessner, 1993, Diccionario de Química y Productos Químicos, 2". Edición, Ediciones Omega, 3 pag. 901,947,953. E. R. Plunkett, 1978, Manual de Toxicología Industrial, 1". Edición, Editorial URMO, 3 pag. 15, 16, 19.
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PARTE 3
DISEÑO DE PLANTA Y ESTUDIO DE RENTABILIDAD
OBJETIVOS
En esta parte, se culmina el proyecto OBTENCION DE L-ARABINOSA A PARTIR DE LA GOMA DE MEZQUITE, con el diseño de la planta y estudio de rentabilidad para dicha planta.
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BASES DE DISEÑO
Generalidades
Función de la planta La planta tendrá como objetivo la producción de 1-arabinosa a tomando como materia prima la goma de mezquite.
Tipo de proceso La producción se basará en una reacción de hidrólisis ácida en solución acuosa por lotes.
Capacidad
La capacidad de producción de la planta será de 1 lote por día, se trabajarán cinco días a la semana y se consideran 48 semanas laborables. Teniendo una producción por lote de 97 Kg, con lo que se tiene una capacidad anual de 23280 Kg de 1-arabinosa.
Especificaciones de la materia prima
Goma de mezquite
COMPONENTE I %MOL ~~
I
Acido 4-o-metil~lucorónico I 8.23 I I
Acido nlucorónico Y
16.66 I Galactosa 137.8 Rhamosa
42.9 1-Arabinosa 4.3
Acido Sulfürico al 98%. Agua Carbonato de calcio. Etanol al 98%
Especificaciones de los productos
1-Arabinosa al 99.9% de pureza.
Desechos
Los requerimientos de pureza del agua de desecho serán los establecidos por la norma
El residuo de la goma hidrolizada será recuperado y usado como fertilizante. Estimándose una producción aproximada de 32000 Kg anuales.
NOM-O0 1 -ECOL- 1 993.
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Las sales de sulfato serán recuperadas como lodos y tratadas de acuerdo a las normas oficiales mexicanas. Servicios auxiliares
Vapor
Se utilizará vapor de media que se generará en una caldera dentro de la planta con las siguientes especificaciones:
I Presión 11.2 bar Temperatura
Sobrecalentado Calidad 120 "C
Agua para servicio De la red municipal, no se requieren especificaciones mayores.
Agua contra incendio Se dispone de una cantidad limitada existente de la red municipal.
Agua de proceso Se utilizará el agua suavizada que se utilizará también para la caldera y será obtenida de la red municipal.
Energía Eléctrica Se obtendrá de la red municipal.
Distribución de áreas y equipos Existe área disponible de manera amplia.
Alumbrado Fluorescente en todas las áreas.
Misceláneos Se cuenta con sistema telefónico.
Vacío Se utilizará una bomba de vacío con capacidad de 0.2 atm.
Sistemas de seguridad
Sistema contra incendio Se contará con equipo móvil portátil tal como extintores, camiones, etc. de acuerdo a las normas vigentes.
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Protección personal Botas, guantes de hule, gafas, casco, overol y mascarilla contra gases.
Ubicación de la planta
La planta se localizará en el municipio de Río Verde en el estado de San Luis Potosí.
Bases de diseño para tuberías Soportes Los soportes serán de concreto.
Drenajes
Tipo FoFo Colector general Pluvial Material Receptor
Sanitario FoFo Fosa dentro de límites de batería Químico FoFo Red municipal
Bases de diseño civil
Solicitaciones por viento y sismo Se aplicará el manual de obras civiles de la CFE.
Tipo de edificios y construcciones Se diseñó un edificio con cuarto de control de instrumentos, cuarto de control eléctrico, cuarto de maquinaria, oficinas y sanitarios. Un cobertizo para el cuarto de calderas así como una cisterna.
Bases de diseño para instrumentos
La instrumentación de campo será de tipo electrónico.
Bases de diseño para equipo
Bombas Serán accionadas por motor eléctrico.
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DESCRIPCION DEL PROCESO
Descripción general del proceso
El proceso consiste en hidrolizar la goma de mezquite en solución acuosa a una concentración de O. 133 KgL a una normalidad de 0.2. Se utilizará ácido sulfiírico 0.6 N que se agregará lentamente en el reactor tipo tanque agitado que operará por lotes. Durante este proceso se obtendrá un 90% de rendimiento de L-arabinosa. Posteriormente, se concentrará la solución para después realizar una extracción con etanol al 98%. Por último, se llevará a un secador por aspersión para obtener la 1-arabinosa en forma amorfa. De acuerdo con las operaciones involucradas se distinguen tres secciones en la planta: Sección de hidrólisis, sección de separación y sección de secado.
Variables del proceso
Composición
La concentración inicial de la solución de goma de mezquite en agua debe ser de 0.2 KgL para que al agregar la solución 0.6 N se obtenga una normalidad de 0.2 en la solución y una concentración de O. 13 KgL de goma, que corresponden a las condiciones de reacción. En la etapa donde se prepara la solución inicial se debe llevar a cabo a temperatura ambiente para evitar la formación en exceso de espuma.
Temperatura
En el reactor se debe tener un control de temperatura estricto, puesto que si se sobrepasa la temperatura de ebullición de la mezcla se produce espuma en exceso que es dificil de controlar.
Presión
La presión de vacío se utilizará en los tanques de retención para evitar que la solución se fermente.
Descripción del flujo
Sección de hidrólisis
La goma se molerá en un molino y se llevará al almacén en forma de polvo; 250 Kg de la goma así molida será llevada al tanque mezclador TM-O1 donde se disuelve con agua del tanque TA-O 1 que será bombeada por la bomba GA-O 1 y se obtendrá una concentración de 0.2 Kg&, el proceso se llevará a cabo a temperatura ambiente.
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La agitación se mantendrá por 2 horas para lograr una mezcla homogénea. al termino de la cual la solución pasará a través de un filtro prensa mediante la bomba GA-04 para separar las impurezas de la goma tales como tierra, basura.
Una vez filtrada la solución se lleva al reactor RE-O1 mediante la bomba GA-05. La reacción se llevara a una normalidad de 0.2 para lo cual se añadirá solución ácida al 0.6N proveniente del tanque TA-02 y que llegara por acción de la bomba GA-02. La presión en el reactor será atmosférica y se mantendrá la hidrólisis por 5 horas, lo que propiciará la evaporación del agua presente. Para mantener el nivel se instrumentará una válvula controladora de nivel. La temperatura se controlará mediante un chaqueta de calentamiento que operará con vapor a 120°C.
Al término de la reacción se tendrá en solución la 1-arabinosa junto con otros componentes hidrolizados y la goma degradada. Se procederá a realizar la neutralización una vez que se permite que el reactor alcance una temperatura de 40 "C. Se utilizará carbonato de calcio añadido lentamente. Una vez que se haya agregado todo el carbonato de calcio se mantendrá la solución a 92 "C por cuatro horas con el fin de terminar con la neutralización. Para separar las sales de sulfato de calcio formadas se permitirá que se asienten para después bombear la solución a través del filtro prensa FC-O1 en donde se retirarán aquellas sales que no se hayan precipitado. Esta solución se llevara al tanque TR- 01, (que se encuentra implementado con un sistema de vacío) por medio de la bomba GA- 05 donde se almacenaran 5 lotes para proceder después a la separación en la sección de separación.
Sección de separación
La solución que se almacenera en el TR-O1 reactor contiene 1-arabinosa, d-galactosa y goma degradada. El tanque se encuentra a una altura de 5m y la solución fluirá por gravedad hasta el evaporador EV-O1 para retirar 1448 kg de agua quedando una solución de 40% de sólidos que fluirá nuevamente por gravedad hasta el TE-O1 donde se añadirán 1 183 kg de etanol al 98% y se agitará vigorosamente para después permitir que se precipiten los componentes de la goma. Algo de 1-arabinosa se precipita en este proceso. La solución alcohólica que se decantara del tanque TE-O1 y será transportada al tanque de retención TR- 02 (equipado con sistema de vacío) donde se almacenaran 5 lotes para ser tratados de la manera que se describe a continuación
La solución alcohólica del tanque TR-02 se bombeara mediante al bomba GA-08 a través de los filtros FA-Ol/A-C y pasara hasta el evaporador EV-02 donde se evaporaran 962.1Kg de etanol que serán condensados y subenfriados hasta 60°C en el condensador EA- O 1 para poder ser almacenados en el TA-03.
La solución de azúcares fluirá por gravedad al tanque TR-03 (equipado con sistema de vacío) donde se almacenaran para ser bombeados mediante la bomba GA-O9 a través de las columnas CA-02 y CA-O1 donde se absorberá la d-galactosa y algunas impurezas presentes, la solución que se obtendrá saliendo de las columnas es una solución de agua- etanol con 1-arabinosa, esta será almacenada en el tanque TR-04 (equipado con sistema de vacío)
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Sección de secado
La solución del tanque TR-04 será bombeada al secador SA-O1 donde se eliminaran el etanol y el agua presentes obteniendo la 1-arabinosa en forma amorfa, el producto será embolsado y almacenado. La 1-arabinosa tiene la composición especificada en las bases de diseño.
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L
I J
- n . .
1 3
, 56
LISTA DE EQUIPO
Lista de Equipo de Proceso
TA-O1
TA-O2
TA-O3
TS-O1
TR-O1
TR-02
TR-03
TR-04
TE-O1
T "o1
RE-O1
EV-O1
EV-o2
EA-o2 EA-O1
FA-O1 A,B,C
CA-O1
CA-02
FC-O1
SA-O1
GA-O1
GA-O2
GA-03
GA-04
GA-05
GA-O6
GA-08
GA-09
GA-1 O
GA-I 1
Lista de equipo auxiliar
Tanque de almacenamiento de agua
Tanque de almacenamiento de soluci6n dcida
Tanque de almacenamiento de etanol
Tanque de solucibn regeneradora
Tanque de retenci6n 1
Tanque de retenci6n 2
Tanque de retenci6n 3
Tanque de retenci6n 4
Tanque de extracci6n 1
Tanque de disolusion de goma
Reactor
Evaporador de agua
Evaporador de etanol
Condensador de agua
Condensador de etanol
Filtros de carb6n activado
Columna de separaci6n de azúcares
Columna regenaradora de la columna de azúcares
Filtro prensa
Secador por aspersi6n
Bomba de agua
Bomba de soluci6n Bcida
Bomba de etanol
Bomba de soluci6n de goma
Bomba del filtro prensa
Bomba del reactor
Bomba del tanque de retenci6n 2
Bomba del tanque de retenci6n 3
Bomba del secador
Bomba de la solución regeneradora
Bomba de vacío
Caldera
Bomba de agua de enfriamiento
Desionizador de agua
Molino
subestacidm
torre de enfriamiento
d=2.5, 1=5
d=2.5, 1=1.5
d=2.5, 1=1.5
d=2.5. I=1.5
d=2.5, 1=2.5
d=2, 1=3
d=l.5. 1=2
d4.5 , 1=2
d=2. 1=3
d =I .5, 1=2
d=l.5. 1=2
3620907 kjlh
806818 kjlh
3261 O1 3 k jh
971 175 kjlh
74.7 gpm
74.7 gpb
623.16 psi
783.99 psi
616.64 psi
382.7 psi
707.06 psi
207.37 psi
1036 psi
483.69 psi
638 psi
24000 L
5000 L 7000 L 7000 L
12000 L
9000 L
3500 L 3500 L
9000 L
3500 L 3500 L
159 m2
31 m2
94 m2
53 m2
780 R3
780 R3
2ooouh 15 kgh
73.14gpm
15.24gpm
21.33gpm
11.8gpm
11.85gpm
IWPm 15.24gpm
11.85gpm
21.33gpm
200 cc
58
59
BALANCES DE MATERIA
Nomenclatura y fórmulas
C' wj j'
Abreviaciones: T Ar
Gm Gd c c s c
As Et
V N O F
Dg
Ag
m
Masa de la corriente i (kg) Fracción peso del componente j en la corriente i Masa del compuesto j en la corriente i (Kg)
Total 1-arabinosa d-galactosa Goma de mezquite Goma degradada Carbonato de calcio Sulfato de calcio Agua Ácido sulfúrico Etanol Equivalentes químicos Volumen (L) Normalidad Original Final
C' se obtiene sumando la masa de los compuestos de dicha corriente
Wj se obtiene dividiendo la masa del compuesto j en la corriente i entre la masa total de la corriente i
Cálculos
Entradas y salidas
Se considera una capacidad de 100 Kg de 1-arabinosa por lote. Contenido de 1-arabinosa en la goma de mezquite: 44%. Considerando el agua de la hidrólisis se tiene un rendimiento de 0.48g de 1-arabinosa por cada gramo de goma de mezquite, cuando se realiza la hidrólisis de las cadenas arabinósicas al 1 OO%, nosotros consideramos realizar la hidrólisis al 90%:
60
I I
250 kg G. M. t 'PROCESO ' 108 kg de 1-arabinosa
1-arabinosa =gm tratada * contenido de ar*0.9 =1 O8 kg de ar por lote
Este resultado variara al considerar las pérdidas en el proceso.
Sección de hidrólisis
C1=250 kg de gm molida.
En el tanque mezclador TM-O1 se requiere una solución 0.2 kg de gm por litro de agua para pasar por el filtro, y puesto que la corriente C' nosotros la fijamos como 250
0.2=c'/c2 c3=c'+c2
En el filtro prensa FC-O1 consideramos que un 4% en peso de la goma disuelta son impurezas.
Entrada: gm3=W3,*C3 Salida: gm4=gm3*0.96 C4=C3-(gm3*0.04)
En el RE-O1 se requiere que la concentración de goma sea de 0.1333 Kg/L y la concentración inicial corresponde a la de la corriente 4
C=mN
C,=O. 129 kgL Cf=0.13333
(co*vo~=(cf*vf~
v0=(h4h/Ph) vf= 1 800L vf= (C5/p5)+(h4h/ph)
Como se requiere tener una normalidad 0.2 en el reactor (0.1M) se tiene que
M=n/L M=O. 1 L=l800L
61
n=180 moles de ácido sulfúrico (1.8 kg) que vienen en la corriente 5 lo que nos da una normalidad de esta corriente de 0.66
Para liberar la mayor parte de 1-arabinosa sin liberar una cantidad significativa de d- galactosa se hidroliza solo un 90% de las cadenas arabinósicas, de la gráfica correspondiente se obtiene que en tales condiciones los coeficientes en masa de la reacción son:
gm + ag ar + gd + dg O. 13333 0.0065 0.05759 0.0799 00266
y como se tratan 240 kg de gm al término de la hidrólisis se tienen
1a=103.66 gd=143.98 dg=4.78
La neutralización con carbonato de calcio es una mol de cc por una mol de as de acuerdo con la reacción correspondiente y como sabemos los moles de as entonces el número de moles en la corriente 18 son 180 (1 8 kg). de tal manera que una vez terminada la neutralización se tienen
C02=7.92 sc=24.45
La solución es llevada al FC-O1 donde se filtran las sales de sulfato de calcio y el reactor es lavado con 30 kg de agua, considerando que todas las sales de sulfato de calcio se quedan en el filtro tenemos:
C7=C6-sc6+30kg ag7=ag6+3 O
Sección de separación
5 lotes de la sección de hidrólisis son almacenados en el tanque TR-O1 a partir de aquí se considera un tiempo de 1 hora para evaporar un lote almacenado, las cantidades que se calculan están en base a la alimentación inicial de arabinosa los flujos reales varían en la masa total (5 veces la reportada) y debido a las condiciones de operación
Las substancias son no volátiles y en el EV-O1 se retira hasta un 80% del agua presente
ag9=(1-0.8)ag2' ag8=0.8ag21
62
Una vez que el producto condensado se lleva al tanque de extracción TE-O1 se agregan a este tanque 1500 Kg de etanol al 98% por lote (un total de 5* 1500=7500)con lo cual se precipita hasta un 95% de la goma degradada y un 5% de 1-arabinosa y d-galactosa presentes, el volumen precipitado es algo así como una décima parte de la solución total (la corriente 9 más la corriente 1 O).
Compuestos gd
dg ar
et ag
Corriente 19 Corriente 11 gd9*0.95 gd9*0.05 ar9*0.05 ar9*0.95 dg9*0.05 dg9*0.95 o. 1 *(c9+c10)*c10/(c10+c9) 0.9*(c~+c'~)*C'~/(c'~+~~) o. 1 *(C9+C'o)*C9/(C'0+C9) 0 . 9 * ( C ~ + C ' ~ ) * C ~ / ( C ' ~ + ~ ~ )
En el EV-02 se retira hasta un 90% de etanol (al 98%)
En las columnas CA-02 y CA-O1 se retira la d-galactosa así como la goma degradada
Sección de secado
La corriente que sale de las columnas de intercambio iónico se almacena en el tanque de retención cuatro y posteriormente se bombea para ser secada en el secador SA-O1 don de se evapora el etanol y el agua de la solución las pérdidas de 1-arabinosa en la corriente del aire de salida del secador son despreciables.
63
DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPO
Reactor Se utilizará un reactor de tanque agitado con un agitador impulsado por una turbina con las siguientes características: El tipo de agitador es de turbina abierta de seis aspas con cuatro deflectores, con una velocidad de 1.67 revkeg, la potencia del motor del agitador es de 10 kW
I- p= 935.45 Kg/m3 p= 0.01 13 Kg/ m S
D,= 1.5 m L,= 2m J= 0.125 m W = 0.13 m Da = 0.65 m p= Densidad de la solución de goma de mezquite en el reactor p= Viscosidad de la solución en el reactor D, = Diámetro del reactor L,= Longitud del reactor J= Ancho del deflector W=Ancho del agitador Da= Diámetro del agitador
Tanques
En la siguiente tabla se dan las dimensiones (metros), la capacidad (litros) y el material de los tanques de la planta
64
TA-O 1
TA-O2
TA-03
TS-O1
TR-O 1 TR-02
TR-03 TR-04 TE-O 1 TM-O 1
Tanque de d=2.5,1=5 almacenamiento de agua Tanque de d=2.5,1=1.5 almacenamiento de solución ácida Tanque de d=2.5, k1.5 almacenamiento de etanol Tanque de solución d=2.5,1=1.5 regeneradora Tanque de retención 1 d=2.5,1=2.5 Tanque de retención 2 d=2,1=3
Tanque de retención 3 d=l.5,1=2 Tanque de retención 4 d=l S , 1=2 Tanque de extracción 1 d=2,1=3 Tanque de disolución d =1.5,1=2 de goma
24000 L
5000 L
7000 L
7000 L
12000 L 9000 L
3500 L 3500 L 9000 L 3500 L
acero inoxidable
acero inoxidable recubierto de PVC
acero inoxidable
acero inoxidable recubierto de PVC acero inoxidable acero inoxidable
acero inoxidable acero inoxidable acero inoxidable acero inoxidable
Intercambiadores de calor
La ecuacion de diseño para un imtercambiador de calor es
Q=U A dT
Donde
Y U= coeficiente de transferencia de calor A= Area de transferencia de calor TI= temperatura de entrada del fluido por el lado de la coraza. T,= temperatura de salida del fluido por el lado de la coraza. t,= temperatura de entrada del fluido por el lado de los tubos. t2= temperatura de salida del fluido por el lado de los tubos.
Evaporador EV-O 1
Tipo: Evaporador de tubos horizontales. Tubos: Cobre, arreglo de cuadro. Se requieren evaporar un total de 1448.1 5 kg de agua por lote se considera que esta operación se llevara a cabo en 1 h. Se contara con vapor a 120 "C.
65
El evaporador operara a presión atmosférica. De Kern se obtiene que el punto de ebullición para la solución es de 104 "C y la capacidad calorífica es de 0.75 cal/g* "C, para una solución de 12.2 grados brix (YO de azúcares en peso).
Balance de energía por el lado de la coraza, el calor necesario para elevar la temperatura de la solución esta dado por
ql=Cp*dT*C21 dt=T2'-T" ql=359894kj/lote
Y el calor necesario para evaporar esta dado por q2=ag8 * He' q2=3261013kj/lote
la carga térmica esta dada por la suma de ql y q2 y es igual a q=3620907kj/lote
y si se considera que se usa vapor saturado a 120 "C se tiene que se requieren
mvaP"'=l 644 Kg/lote q=H'"P"'mvap'
El coeficiente de transferencia de calor para el diseño de un evaporador que maneja soluciones de azúcar en las condiciones dadas es (1) Ud=80 BTU/(hr*ft2*"F) así que de la ecuación de diseño para un intercambiador de calor
A=l59 m2
Evaporador EV-02
Tipo: evaporador de tubos horizontales. Tubos: cobre arreglo de cuadro. Se requieren evaporar 962.1 Kg de etanol por lote se considera nuevamente que esta operación se llevara a cabo en una hora. Se contara con vapor a 120 "C. El evaporador operara a presión atmosférica. El punto de ebullición del etanol es de 80 "C. El calor específico de la solución se calcula como.
66
cp=cp9(c9/c11)+cp'o(c10/c'1) Cp=0.7 16 cal/g
t,=120"C t2= 120°C T1=25"C T2=800C
Balance de energía por el lado de la coraza El calor necesario para elevar la temperatura de la solución esta dado por
ql=Cp*dT*C21
q1=196177 KJ/lote dt=T2 -T"
Y el calor necesario para evaporar esta dado por
q2=8068 18 KJ/lote q2=et9*Hevet
la carga térmica esta dada por la suma de q l y q2 y es igual a q=1003086 KJ/lote
y si se considera que se usa vapor saturado a 120 "C se tiene que se requieren
mVaPor=944 Kg/lote q=Hvapormvapor
El coeficiente de transferencia de calor para el diseño de un evaporador que maneja soluciones de azúcar en las condiciones dadas es (1) Ud=60 BTU/(hr*ft2*"F) así que de la ecuación de diseño para un intercambiador de calor
A=31 m
Condensador EA-O 1
Operara una hora por lote. Tipo condensador horizontal 1 -2. Tubos: cobre arreglo en cuadro. Se condensaran 962.1 kg de etanol a 78.5 "C y subenfiiarán hasta 70 "C para ser almacenado. Se contara con agua de enfriamiento a 25 "C y saldrá del intercambiador a 60 "C.
67
El calor necesario para la condensación es de
q1=8068 18 KJ/lote 1 =et13 * Hevet
y el calor necesario para enfriarlo desde 78.5 "C hasta 70 "C esta dado por
q2=Cpe'*dT*me' q2=164357.8 KJ/lote
lo que da en total una carga térmica de q=97 1 175 KJ/lote
El coeficiente de transferencia de calor para un intercambiador que condensa etanol y utiliza agua de enfriamiento es de 100 BTU/(hr*ft2*"F) y
A=53 m2
Condensador EA-O2
Operara una hora por lote. Tipo condensador horizontal 1-2. Tubos: cobre arreglo en cuadro. Se condensaran 962.1 kg de etanol a 78.5 OC y subenfriarán hasta 70 "C para ser almacenado. Se contara con agua de enfriamiento a 25 "C y saldrá del intercambiador a 60 "C.
t,= 25°C t,= 60°C T,= 100°C T,= 100°C
El calor necesario para la condensación es de
q1=3261013 KJ/lote q 1 =ag ** He'"'
que es igual a la carga térmica
q=326 1 O 13 KJ/lote
El coeficiente de transferencia de calor para un intercambiador que condensa agua y utiliza agua de enfriamiento es de 100 BTU/(hr*ft2*"F) y
A=94 m2
68
Cálculo de bombas y líneas
Calculo de la cabeza de la bomba es la siguiente.
P, = P, + PH +AP, +CAP,
P, = P, + P, +AP, +CAP,
Donde :
H = Cabeza de la bomba. P, =Presión (manométrica) a la que carga o descarga la línea( o de un recipiente de donde cargue o descargue la bomba), signo + ó -. PH = Presión que gana o pierde la línea por el efecto hidráulico signo + ó - . APfs =Caída de presión por fricción en la tubería signo -. APeq = Caída de presión que ocurre al pasar por algún equipo signo - .
Para comenzar el calculo de la cabeza de la bomba se a de comenzar por el calculo de tubería, pondremos como ejemplo el calculo para la bomba GA-01.
Calculo del diámetro de tubo y la caída de presión d l 0 0 ft. pH20 =60.1 ib/ft3. p = 1 cp. Q = 16613.98 l/h = 73.145 GPM
Vs= velocidad propuesta = 5 ft
Re=50.6 Qp / (dip) = 90092.5 De este numero de RE se tiene un numero de E D = 6* 1 O-5
Si Re < 2000 se utiliza f=641Re si no. f= 8 ( ( 8Re )12 + ( A+B de donde A= ( 2.457 ln(l/ (7/RE)0.9 +0.27(E/D) )16 =1.66* lo2'
por lo que f= 0.01 86 B=(37530/Re)16 = 8.22*
APloo = 0.0216 f p Q2/ di2 = 1.4 caída de presión por cada 100 m. V = 4.845 ft/s
Los demás cálculos siguientes se hace tanto para succión como para descarga de la bomba. 69
Calculo de la caída de presión por fricción APfs. APfs = AP,oo * LT/ 100 , donde L, por accesorios es 231.82 ft; estos se pueden ver en un diagrama isométrico de la tubería de la bomba, tanto para succión como para descarga.
Calculo de la presión hidráulica.
P, = (SpGr/2.307)* h (fi) , donde SpGr es la gravedad especifica P, = (1/2.307)* (46.2) = 20 psig
Calculo de caída de presión que ocurre al pasar por un equipo CAP,, Por un filtro temporal 0.5 psig. Por un intercambiador de calor 1 O psig. Por una válvula de control 6 psig. etc.
Al juntar estos cálculos, tanto para succión y descarga, se sustituyen en Ps y la PD para calcular la cabeza de la bomba H.
Siendo H =623.16 psig la potencia de la bomba GA-01..
Resultado del calculo de bombas
BOMBA TUBERIA FLUJO
GA-O 1 GA-02 GA-O3 GA-O4 GA-05 GA-06 GA-07
GA-08 GA-09 GA- 1 O
(Pk)
2 1/2 1 1/2 2 1 112 2 1 114
1 1/4 1 1
WPM)
73.145 15.24 21.33 8.805 8.805 14.088 SE
17.83 13.863 13.868
1.4 0.66 0.46 0.54 0.54 2.856 ELIMIN O 1.77 3.456 0.943
-78.39 -99.72 -73 .O4 -57.781 -53.848 -2 1.92 A ULTIMA -154.55 -228.3 1 ""_"""_
544.77 684.27 543.76 324.94 653.316 185.45 HORA
881.5 255.38 2060
CABEZA DE BOMBA
623.16 783.99 616.64 382.721 707.164 207.37
(H Psi&
1036.05 483.69 2060
70
Secador por aspersión
ALIMENTACION CONBUSTIBLE
BOMBA ENTRADA DE AIRE
CALENTADOR DIRECTO
VENTILADOR SALIDA DE GASES
RECOLECTO
PRODUCTO SECO
Temperatura de secado (“C) entrada 220 salida 90
Evaporación agua ( L h ) 25
Consumo de combustible ( Kcalh) 30000
Fuerza motriz principal (Kwh) 4
Espacio total requerido por el secador ( LxAxH) 2 x 2.20 x 4.80
Bomba presión de descarga 14 ata, 2060 psi
Boquilla de doble flujo, orificio del rociador 1.2 mm
Partículas de polvo de 200 p esféricas
Eficiencia de los ciclones operando polvos altos 95-99% operando polvos bajos 90-96%
Flujo del ventilador principal 3 . 6 7 ~ 1 O5 m3/hora
Todo el equipo del secador esta construido de acero inoxidable AIS1 304
71
Precio total del equipo $ 1 19064 USD
PRINCIPALES EQUIPOS DE CONTACTO DEL SECADOR POR ASPECION
2.8m
SECADOR
'fj$m
CICLON 1
2.7m
CICLON 2
Columnas de intercambio iónico
Debido a las características del intercambio iónico es necesario realizar pruebas a nivel planta piloto para diseñar el equipo no obstante planteamos a continuación las operaciones involucradas en tales columnas, la información esta basada en los datos reportados por los proveedores de las resinas (ver bibliografia)
Columna CA-02
72
Resina:
Estructura: Características: Solución regeneradora
AMBERLITA 252 ESTIFENO-DBV RZH Forma catiónica fbertemente ácida H2S04
Esta resina esta especificada para la separación y purificación de azúcares, las reacciones que están involucradas son la de la galactosa (grupo carbonilo) y de los compuestos catiónicos presentes según las siguientes formulas
Adsorción de la d-galactosa:
Rz-H + D-COZH - Rz-OC-D +Hz0
Adsorción de sales presentes:
Rz-H + Ca'Cl- Rz-Ca' + H' + C1
Columna CA-O 1 Resina:
Estructura: Características: Solución regeneradora
AMBEIUITA IRA 40 1 S ESTIRENO-DBV &-OH Forma iónica fuertemente básica Na OH
Esta resina esta especificada para la separación y purificación de azúcares, las reacciones que están involucradas son de 1 adsorción de los compuestos iónicos resultantes de la primer columna ver DFP
Adsorción de sales presentes:
Rz-OH + H 'Cl- Rz-Cl- + HZ0
El flujo que manejara será de 10 L/min aproximadamente (operación de 1 hora por lote) o de 74.78 GPM (US) y considerando un flujo de 0.161 Vh/min en la columna tenemos que el volumen de resina húmeda en la columna debe de ser de
Q=Qs/Vh
Q flujo recomendado Q" flujo a tratar Vh Volumen húmedo en la columna
Vh=780 ft3 (22 074 L)
73
Torre de enfriamiento
Se tiene una torre de enfriamiento con las siguientes condiciones de operación:
Aire húmedo. Agua T,,=60°C
4 I WS=900 moVhm2 hl ,4=600 j/mol"C kya= 0.2 V'/S (mom fi) T I
Aire húmedo TV,=32"C TW,=l5OC
1200 j/mol
Aguas T,,=25 O C
Hl,=1200 j/mol
Para sacar la pendiente mínima de la línea de operación, se tiene:
Lprom*Cl / V'min = (H12 - H11) / ( T12 - T11) = ( 9300-1200)/(60-25)
Lprom*Cl / V'min = 23 1.42 J/mol "C
Después se calcula la velocidad del gas siendo:
V'min / S = ( (Us) (75.31) ) / ( L C1/ V'min) = (900*75.31) / (231.42)
V'min / S = 292.87
Esta es la velocidad de flujo mínima; y como la velocidad real es dos veces la velocidad mínima dando como resultado:
V' = 2V'min dando V' / S = 585.74 mol / h m*.
Y la pendiente de la línea de operación real es:
Lprom C1 N' = 231.42 / 2 = 115.71
Esta nueva pendiente da como resultado Hv2= 5500 j/mol y T(w)v2 = 43°C.
74
La curva de equilibrio del sistema aire agua se puede representar con la siguiente formula.
Hi = 201 1 - 107.1T + 4.51 T2 ............ Ec. de equilibrio .... (a). siendo T = "C Y siendo tomadas en cuenta las siguientes ecuaciones del sistema, se tiene que :g
-600 = ( Hv . Hi ) / ( T1 . Ti )............ (b)
HV -1200 = 115.71 (T1 . 25 ).........(c)
Z = V'dHv / Skya ( Hi -Hv) .......... Ec. de diseño ......( d) Los limites de integración son Hvl y Hv2
Al hacer el álgebra correspondiente con las ecuaciones (a), (b), (c), para poder sustituir en la ecuación de diseño .
Z = ( 79.69 + 1.5 Ti) dTi / ( 3 105.04 - 186.79 Ti + 3.78 Ti2 ) limite inferior Hvl = 1200 ...... Tvl = 26.28 "C limite superior Hv2=5500 ........ Tv2= 55.1 O "C
Como los limites originales son Hvl y Hv2 se hace un cambio de variables siendo ahora Tvl y Tv2 los limites de integración, quedando ahora los limites congruentes con la integral que esta en términos de las temperaturas; se evalúa la integral dando como resultado:
Z= 2. 52 m de altura.
75
ESTUDIO DE RENTABILIDAD DEL PROCESO
Todos los costos están en pesos mexicanos.
El procedimiento utilizado esta basado en el libro Douglas (3).
Los costos de equipo se obtuvieron por entrevista personal con el Ing. Francisco Montero, Director General de POLINOX S.A de C.V.
La Tasa Interbancaria Promedio ( TIP ), de la bolsa de valores de este país.
El precio del valor del Kwh fue proporcionado por Comisión Federal de Electricidad (CFE).
El precio del agua se obtuvo Comisión Nacional del Agua (CNA).
El costo de todos los reactivos para este proceso se obtuvieron mediante cotización al Proveedor Científico S.A. de C.V.
Se considero que la tasa de impuesto que pagara la empresa a la Secretaria de Hacienda y Crédito Publico es el 33% de los ingresos anuales obtenidos por la empresa.
CAPITAL DE MANUFACTURA
Lista de equipo de proceso costo $ TA-O 1 35000 TA-02 15000 TA-03 65000 TS-O 1 35000 TR-O 1 90000 TR-02 75000 TR-03 30000 TR-04 30000
TE-O 1 60000 TM-O1 30000 RE-o 1 300000
EV-O 1 14000000 EV-02 14000000 EA-O2 600000
76
FA-O 1 A,B,C 90000( CA-O 1 CA-02 FC-O1 SA-O 1
GA-O 1 GA-02 GA-03 SA-O4 SA-05 3A-06 3A-08 3A-09 3A-1 O 3A- 1 1
ista de equipo auxiliar
30000000 30000000
250000 220000
1 O000 100000 100000 100000 100000 100000
1 O000 1 O000
100000 50000
50000 750000
5000 200000 50000 300000 200000
'OTAL DE CAPITAL DE 92760000 IANUFACTURA
77
LISTA DE SUELDOS
Lista de Personal
Director Gerente operacibn Gerente control de calidad gerente servicios auxiliares Gerente administrativo Supervisores 'Operadores IPersonal administrativo IAgentes de ventas 1 Servicios auxiliares 'Operadores de servicios auxiIiares 'TOTAL DE SUELDOS
Nimero de Sueldo Sueldo personas mensual $ anual $
1 50000 600000 1 1 O000 120000 1 1 O000 120000 1 1 O000 120000 1 1 O000 120000 4 6000 288000
12 3000 432000 10 3000 360000 7 5000 420000 5 2000 120000 5 3000 180000
2880000
78
Reauerimientos de los equipos iERVICI0
1 -
CONSUMO
3LECTRICIDAD TASA [KW] ANUAL [KW/H] SA-O 1 GA-O 1 GA-02 GA-O3 GA-O4 GA-05 GA-06 GA-08 GA-O9 GA-1 O GA-11
TOTAL ELECTRICIDAD
IIESEL
lac1 CA-O1
TOTAL CaCl
4aOH CA-02
TOTAL NaOH
3 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
1 1 3 2
TASA [LT/H] ANUAL 5
kg/lote kg anual 80 80
kg/lote kg anual 30 30
17280 240 240 240 240 240 240 240 240
2880 240
5760 480
1440 1 1520 41 520
12000
3840 7680
1 1520
1440 2880 4320
~~
41 52(
1200(
11 52(
432(
79
COSTOS DE
240 LOTES POR OPERACI~N
AÑO
UNIDAD CANTIDAD PRECIO COSTO ANUAL UNITARIO POR AÑ0
$ $
MATERIAS PRIMAS Etanol L Acido sulfurico L Goma de mezquite Kg Carbonato de calcio Kg TOTAL MATERIAS PRIMAS
25656 30 769680 448.8 40 17952 60000 30 1800000 4320 465 2008800
4596432
GASTOS DIRECTOS Sueldos 4gua Electricidad Diesel Cloruro de sodio Hidróxido de sodio 3tros rOTAL GASTOS DIRECTOS
3ASTOS NDIRECTOS lepresiasion (25 %anual del CA MA) .mpuestos y seguros :0.04% de CA MA) FOTAL GASTOS NDIRECTOS
$ 2880000 L 157488 0.01 5 2362.32 KWH 41520 5 207600 LT 12000 4 48000 kg 1 1520 12 138240 kg 4320 470 2030400
100000 100000 5406602.32
23 190000
3710400
26900400
rOTAL DE GASTOS >E OPERACIóN
80
459643;
5406602
2.7E+07
3.7E+07
CAPITAL DE TRABAJO
UNIDAD CANTIDAD PRECIO COSTO POR POR LOTE UINITARIO $ AÑO $
MATERIAS PRIMAS Etanol L Acido sulfurico L Goma de kg mezquite Carbonato de kg calcio TOTAL
6414 112.2 15000
1080
BIENES EN PROCESO Etanol L Acido sulfurico L Goma de kg nezquite Zarbonato de kg :alcio I'OTAL
5000 1 O0 250
18
PRODUCTO .-arabinosa kg I'OTAL
TOTAL CAPITAL DE TRABAJO
970
30 600 30
465
30 600 30
465
2 1 O00
192420 67320
450000
502200
121 1940
150000 60000 7500
8370
225870
20370000 20370000
121 194(
22587(
2037000C
2180781(
81
CAPITAL DETRABAJO Y FIJO $ $
‘1 CAPITAL DE MANUFACTURA Total de equipo 92760000 ‘2 CAPITAL NO MANUFACTURERO 15 % del capital de manufantura 13914000 3 TOAL DE CAPITAL FIJO 106674000 106674000 4 CAPITAL DE TRABAJO 21807810 5 TOTAL DE CAPITAL FIJO Y DE TRABAJO 128481810
‘VENTAS CANTIDAD CANTIDAD ANUAL PRECIO INGRESOS KG/15 DIAS Kg ($/KG) ANUALES $
1-arabinosa 970 20000 2 1 O00 420000000
TOTAL DE CAPITAL 128481810 VENTAS TOTALES 420000000 COSTOS DE OPERACION 36903434 GANANCIAS ANTES DE IMPUESTOS 383096566 383096566 IMPUESTOS 126421866.8 GANANCIAS DESPUES DE IMPUESTOS 256674699.2 256674699.2 TASA INTERNA DE RETORNO 199.7751271
‘1’1P 22 % RIESGO (2 TIP) 44 TASA DE RETORNO MINIMA ACEPTABLE 66
CONCLUSION TIR > T E M A POR LO TANTO EL PROYECTO ES RENTABLE
82
BIBLIOGRAFIA DE LA PARTE 3
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Compañía Editorial Continental S..A. de C.V. México
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