FACULTAD DE CIENCIAS TECNOLOGICAS E INGENIERIA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL: INGENIERIA COMERCIAL Y NEGOCIOS INTERNACIONALES “PARÁMETROS ÓPTIMOS EN LA EXTRACCIÓN DE SÓLIDOS SOLUBLES DE LA CÁSCARA DE CAFÉ (Coffea) POR LIXIVIACIÓN, PROPUESTA DE VALOR COMERCIAL COMO EDULCORANTE” TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO EN COMERCIO Y NEGOCIOS INTERNACIONALES AUTOR: Bach. CARDENAS PALOMINO, JAK CRISTOFER ASESORA: Mg. LEIDY DIANA MEDINA QUIQUIN AYACUCHO-OCTUBRE 2020
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FACULTAD DE CIENCIAS TECNOLOGICAS E INGENIERIA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL: INGENIERIA COMERCIAL Y
NEGOCIOS INTERNACIONALES
“PARÁMETROS ÓPTIMOS EN LA EXTRACCIÓN DE
SÓLIDOS SOLUBLES DE LA CÁSCARA DE CAFÉ (Coffea)
POR LIXIVIACIÓN, PROPUESTA DE VALOR COMERCIAL
COMO EDULCORANTE”
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO EN COMERCIO Y NEGOCIOS INTERNACIONALES
AUTOR:
Bach. CARDENAS PALOMINO, JAK CRISTOFER
ASESORA:
Mg. LEIDY DIANA MEDINA QUIQUIN
AYACUCHO-OCTUBRE
2020
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iii
DEDICATORIA
Para mis padres que, en todo momento de mi vida,
me brindan su amor y el apoyo incondicional que
solo ellos me saben dar. A las personas que conocí
en este camino, cuyo único impulso es dejar huella
en todo su recorrido. (Vida)
iv
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por brindarme la vida, y con el poder aprender experiencias y sobre todo
saber que es la felicidad.
Mi familia la que, a destinado su tiempo para poder guiarme, por cada etapa de la vida y gracias
por darme a conocer lo que es el tesoro más grandioso que tiene el ser humano, la familia.
A mi asesora de investigación Mg. Leidy Diana Medina Quiquin, por brindarme su tiempo para
la orientación, seguimiento y la supervisión continua, pero sobre todo por la motivación y el
gran apoyo recibido a lo largo de la ejecución de este trabajo de investigación, a quien le expreso
mis más sincera admiración y estima personal.
v
TABLA DE CONTENIDO
DEDICATORIA ...................................................................................................................................... iii
AGRADECIMIENTO ............................................................................................................................. iv
TABLA DE CONTENIDO ...................................................................................................................... v
INDICE DE TABLA ............................................................................................................................... ix
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................ x
ÍNDICE DE ANEXOS ........................................................................................................................... xii
RESUMEN ............................................................................................................................................ xiii
ABSTRACT .......................................................................................................................................... xiv
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 15
CAPITULO I. GENERALIDADES ...................................................................................................... 16
1.1. Línea de investigación ........................................................................................................... 17
1.1.1. Sub línea ............................................................................................................................ 17
1.2. Planteamiento del Problema .................................................................................................. 17
1.3. Formulación del Problema .................................................................................................... 19
1.3.1 Problema general ............................................................................................................... 19
1.3.2 Problemas específicos ....................................................................................................... 19
1.4. Justificación ........................................................................................................................... 20
1.4.1 Justificación sanitaria ........................................................................................................ 20
1.4.2 Justificación social ............................................................................................................ 21
1.4.3 Justificación económica..................................................................................................... 22
1.4.4 Justificación académica ..................................................................................................... 23
1.5. Objetivos de la investigación ................................................................................................ 23
1.5.1 Objetivo general ................................................................................................................ 23
1.5.2 Objetivos específicos ......................................................................................................... 24
1.6. Hipótesis de la investigación ................................................................................................. 24
1.6.1 Hipótesis general ............................................................................................................... 24
vi
1.6.2 Hipótesis específicas ......................................................................................................... 24
1.7. Antecedentes de la Investigación .......................................................................................... 25
1.7.1 Internacional ...................................................................................................................... 25
1.7.2 Nacional............................................................................................................................. 27
1.7.3 Local .................................................................................................................................. 29
CAPITULO II: FUNDAMENTO TEORICO ....................................................................................... 32
2.1. Marco Teórico ....................................................................................................................... 32
2.1.1 Historia del café ................................................................................................................. 33
2.1.2 Clasificación taxonómica .................................................................................................. 34
2.1.3 Clasificación botánica ....................................................................................................... 34
2.1.4 Sub Productos .................................................................................................................... 35
2.1.5 Lixiviación - extracción sólido - líquido ........................................................................... 36
2.1.8 Fundamentos de la lixiviación - extracción sólido - líquido ............................................. 37
2.1.7 Criterios en la elección del solvente .................................................................................. 39
2.1.7.1 Solubilidad......................................................................................................................... 39
2.1.7.2 Selectividad ....................................................................................................................... 39
2.1.8 Factores que influyen en la lixiviación - extracción sólido - líquido ................................ 40
2.1.10 Edulcorante ........................................................................................................................ 42
2.1.9.1 Edulcorantes nutritivos ...................................................................................................... 42
2.1.9.2 Edulcorantes provenientes del azúcar ............................................................................... 42
2.1.9.3 Edulcorantes no nutritivos ................................................................................................. 43
2.1.9.4 Características de algunos edulcorantes ............................................................................ 43
2.1.10 Valor comercial ................................................................................................................. 45
2.2 Definición de Conceptos ....................................................................................................... 45
2.3 Variables ................................................................................................................................ 47
2.3.1 Variables independientes ................................................................................................... 47
2.3.2 Variable dependiente ......................................................................................................... 48
CAPITULO III. METODOLOGÍA ....................................................................................................... 50
vii
3.1 Tipo y nivel de investigación ................................................................................................ 50
3.3 Métodos de investigación ...................................................................................................... 52
3.4 Descripción general de la metodología de la investigación .................................................. 53
3.4.1 Determinación del porcentaje de humedad ....................................................................... 53
3.4.2 Ensayos de extracción total ............................................................................................... 54
3.4.3 Ensayos para determinar la longitud de onda adecuada para las lecturas de concentración
(espectrofotometría) .......................................................................................................................... 55
3.4.4 Determinación de la curva estándar del espectrofotómetro ............................................... 56
3.4.5 Análisis de composición de extractos y residuos .............................................................. 57
3.4.6 Determinación de los parámetros óptimos de operación en la lixiviación ........................ 58
3.4.7 Reporte y análisis de los resultados ................................................................................... 60
3.5 Método de determinación analítica ....................................................................................... 60
3.6 Descripción de los métodos de análisis ................................................................................. 61
3.6.1 Método gravimétrico ......................................................................................................... 61
3.6.2 Espectrofotometría ............................................................................................................ 61
3.7 Población y muestra .............................................................................................................. 62
3.8 Equipos, materiales e insumos .............................................................................................. 63
3.9 Técnicas e instrumentos ........................................................................................................ 64
CAPITULO IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................ 66
4.1 Composición de la alimentación ........................................................................................... 68
4.2 Curva estándar del espectrofotómetro ................................................................................... 69
4.3 Efecto de la agitación en la extracción .................................................................................. 72
4.4 Efecto del tiempo de contacto en la extracción sin agitación ................................................ 74
4.5 Efecto del tiempo de contacto en la extracción con agitación ............................................... 76
4.6 Efecto de la relación de alimentación con disolvente en la extracción ................................. 78
4.7 Efecto de la temperatura en la extracción .............................................................................. 80
4.9 Determinación de la curva de equilibrio ............................................................................... 82
4.9.1 Solución retenida constante ............................................................................................... 82
viii
4.9 Balance de materia ................................................................................................................ 83
4.9.1 Balance de materia experimental ....................................................................................... 84
4.9.2 Balance de materia teórico ................................................................................................ 85
4.10 Valor comercial del extracto de los sólidos solubles de la cáscara de café a nivel de
laboratorio ......................................................................................................................................... 88
4.11 DISCUSIÓN .......................................................................................................................... 98
CONCLUSIONES .............................................................................................................................. 101
RECOMENDACIONES ..................................................................................................................... 102
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ................................................................................................ 104
ANEXOS ............................................................................................................................................. 107
ix
INDICE DE TABLA
Tabla 1: Clasificación taxonómica del café ............................................................... 34
Tabla 2: Características de algunos edulcorantes ....................................................... 43
Tabla 3: Tamaño de partícula de la cáscara de café ................................................... 51
Tabla 4: Diseño factorial de la extracción de sólidos solubles .................................. 52
Tabla 5: Lecturas de % T y A a diferentes longitudes de onda de máxima ab .......... 69
Tabla 6: Datos para determinar la curva estándar ...................................................... 71
Tabla 7: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según la velocidad de
agitación ..................................................................................................................... 73
Tabla 8: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según el tiempo de
contacto sin agitación ................................................................................................. 75
Tabla 9: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según el tiempo de
contacto con agitación ................................................................................................ 77
Tabla 10: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según la cantidad de
disolvente ................................................................................................................... 79
Tabla 11: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según la temperatura 81
Tabla 12 Costo de producción a nivel de laboratorio del extracto de solido solubles de la
cáscara de café ............................................................................................................ 91
Tabla 13: Empresas productoras de edulcorante natural (stevia) en presentación de extracto
.................................................................................................................................... 93
Tabla 14 Empresas productoras de edulcorante natural (stevia) en presentación de polvo y
harina .......................................................................................................................... 94
Tabla 15 Empresas productoras de edulcorante natural (stevia) en presentación de filtrante
.................................................................................................................................... 96
Tabla 16: Comparación de la competitividad comercial del extracto de cáscara de café 97
Tabla 17: Aplicación de la Lixiviación en diferentes productos ................................ 98
x
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Morfología del grano de café ..................................................................................... 34
Figura 2 Cadena comercial del edulcorante ............................................................................. 44
Figura 3: Determinación del porcentaje de humedad ............................................................... 53
Figura 4: Muestras para determinar el porcentaje de humedad de la cáscara de café .............. 54
Figura 5: Determinación de los componentes de la cáscara de café ........................................ 54
Figura 6: Determinación de la longitud de onda adecuada para el análisis de parámetros
óptimos de la lixiviación de la cáscara de café ........................................................................ 55
Figura 7: Procedimiento para determinar la composición de los extractos y residuos en la
operación de lixiviación. .......................................................................................................... 58
Figura 8: Diagrama de bloques de la propuesta tecnológica con las condiciones óptimas ...... 59
Figura 9: Procedimiento para determinar el porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles
extraído ..................................................................................................................................... 60
Figura 10: Cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki. ............ 67
Figura 11: Matriz sólida de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria cafetalera Industrial
Satinaki ..................................................................................................................................... 68
Figura 12: Equipo espectrofotómetro para lectura de absorbancia .......................................... 70
Figura 13: Soluciones preparadas a diferentes concentraciones. ............................................. 71
Figura 14: Curva estándar espectrofotométrica del extracto de cáscara de café de la
Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki ................................................................. 72
Figura 15: Equipo de agitación Heidolph ................................................................................ 72
Figura 16: Extracto de ensayo de laboratorio para determinar la velocidad de agitación óptima
.................................................................................................................................................. 73
Figura 17: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído en función a la
velocidad de agitación .............................................................................................................. 74
Figura 18: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído en función al tiempo de
contacto sin agitación ............................................................................................................... 76
Figura 19: Ensayo de laboratorio en función al tiempo de contacto ........................................ 77
Figura 20: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído en función al tiempo de
contacto con agitación .............................................................................................................. 78
Figura 21: Filtrado de extractos de ensayo de laboratorio para determinar la relación de
alimentación con disolvente óptima ......................................................................................... 79
xi
Figura 22: Porcentaje de rendimiento del sólido soluble extraído en función a la cantidad de
disolvente ................................................................................................................................. 80
Figura 23: Filtrado de extractos de ensayo de laboratorio para determinar la temperatura
óptima en la extracción. ........................................................................................................... 81
Figura 24: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído en función a la
temperatura ............................................................................................................................... 82
Figura 25: Curva de equilibrio sólido - líquido (SR/I constante) ............................................. 83
Figura 26: Balance de materia experimental ............................................................................ 84
Figura 27: Menú principal del software EXTRASL ................................................................ 85
Figura 28: Alimentación de datos en el software EXTRASL .................................................. 86
Figura 29: Resolución gráfica consecutiva de la extracción de sólidos solubles de la cáscara
de café con las condiciones de operación de lixiviación .......................................................... 86
Figura 30: Balance de materia teórico ...................................................................................... 87
Figura 31: Balance de materia base .......................................................................................... 88
Figura 32: Balance de materia de la evaporación de agua ....................................................... 89
xii
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 1 Matriz de consistencia ............................................................................................. 108
Anexo 2 Cronograma ............................................................................................................. 109
Anexo 3: Determinación del porcentaje de humedad ............................................................ 110
Anexo 4: Procedimiento para elaborar la curva estándar ....................................................... 112
Anexo 5: Constancia de procedencia de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria
Cafetalera Industrial Satinaki. ................................................................................................ 115
Anexo 6: Procedimiento para elaborar la curva de equilibrio sólido - líquido ...................... 116
Anexo 7: Determinación de la máxima extracción por el método de gradientes y búsqueda de
la sección dorada .................................................................................................................... 119
Anexo 8: Galería de fotos ....................................................................................................... 122
xiii
RESUMEN
El objetivo general de la investigación es determinar los parámetros óptimos de operación de
la extracción de sólidos solubles de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera
Industrial Satinaki a nivel de laboratorio en un proceso batch para la máxima extracción de
sólidos solubles, el cual incluye al edulcorante presente en la cáscara de café y con ello generar
valor comercial de la cáscara de café. El diseño metodológico utilizado es del tipo factorial
AxB, donde se evalúa el efecto de los factores de la lixiviación (variables independientes);
observando como respuesta la cantidad de sólido soluble extraído (variable dependiente).
Asimismo, el precio del extracto de cáscara de café (variable independiente); observando como
respuesta el valor comercial del extracto de cáscara de café (variable dependiente). Los
elementos principales de la cáscara de café en la operación de lixiviación son: Fracción másica
porcentual de sólido soluble, disolvente e insolubles que se determinaron en 38,51 %, 17,91 %
y 43,58 % en peso respectivamente. Por lo tanto, los parámetros definidos para la extracción de
sólidos solubles de la cáscara de café en medio acuoso son: velocidad de agitación 300 RPM,
temperatura del disolvente es 76,58 °C, tiempo de contacto entre las fases sólido – líquido de
7,20 minutos y la relación de disolvente–alimentación (D/F): 8,0543. El rendimiento
experimental de la extracción de los sólidos solubles de la cáscara de café de la Cooperativa
Agraria Cafetalera Industrial Satinaki 48,1787 %. El valor comercial a nivel de laboratorio del
extracto de la cáscara de café es S/.14,64; a ello se le asignó una utilidad de 20 %, por lo que el
valor de mercado es de S/.18,30. La competitividad de este producto, basado en el precio, es
relativamente competitivo comparado con el extracto de stevia, cuyo precio es de S/.17,50
considerando que tienen las mismas características como la concentración del 6 % y
presentación líquida. Como el valor comercial está basado a los ensayos de laboratorio, es
susceptible a una variación, puesto que se puede optimizar procesos a un nivel industrial.
Palabras claves: Extracción sólido – líquido, lixiviación, cáscara de café, curva de equilibrio,
sólidos solubles.
xiv
ABSTRACT
The general aim of the research is to determine the optimal operating parameters for the
extraction of soluble solids from the coffee husk of the Satinaki Industrial Agricultural Coffee
Cooperative in an enclosed laboratory facility in a batch process in order to obtain the
maximum extraction of soluble solids, which includes the sweetener found in the coffee husk
and with it strengthen the marketing system of the coffee husk. The methodological design used
in an AxB factorial-interaction evaluates the effect of leaching factors (independent variables);
which result in the amount of solute extracted (dependent variable). Likewise, the price of
coffee husk extract (independent variable); observing the commercial value of the coffee husk
extract as a response (dependent variable).The main elements of the coffee husk in the leaching
operation are: Percent mass fraction of solute, solvent and insoluble that were determined at
38.51 %, 17.91 % and 43.58 % by weight respectively. Therefore, the defined parameters for
the extraction of soluble solids from the coffee husk in aqueous solution are: stirring speed 300
RPM, solvent temperature is 76.58 °C, contact time between the solid-liquid phases of 7,20
minutes and the solvent-feed ratio (D / F): 8.0543. The experimental yield of the extraction of
soluble solids of the coffee husk of the Satinaki Industrial Agricultural Coffee Cooperative
48.1787 %. The commercial value at the laboratory level of the coffee husk extract is S/.14.64;
A profit of 20 % was assigned to this, so the market value is S/.18.30. The competitiveness of
this product, based on the price, is relatively competitive compared to the stevia extract, whose
price is S/.17.50; considering that they have the same characteristics as the 6 % concentration
and liquid presentation. As the commercial value is based on laboratory tests, it is susceptible
to variation, since processes can be optimized for industrial level.
Keywords: Extraction solid – liquid, leaching, coffee peel, balance curve, soluble solids.
15
INTRODUCCIÓN
Dentro de nuestro contexto hay muchas sustancias biológicas, así como compuestos
inorgánicos y orgánicos, que contienen mezclas de diferentes componentes en un sólido. De
tal forma que para separar el sólido soluble deseado o excluir un sólido soluble indeseable de
la fase sólida, ésta se pone en contacto con una fase líquida. Ambas fases entran en contacto
íntimo y el sólido soluble o los sólidos solubles se difunden desde el sólido a la fase líquida,
lo que permite una separación de los componentes originales del sólido. A este procedimiento
se le llama lixiviación líquido-sólido o extracción líquido-sólido.
La operación unitaria de lixiviación o extracción sólido-líquido es para separar los
componentes solubles de un sólido utilizando un determinado solvente. La extracción sólido-
líquido tiene gran importancia en un gran número de procesos tecnológicos.
En la extracción de los sólidos solubles de la cáscara de café puede ser afectado por factores
como: La Temperatura del disolvente, relación entre la cantidad de disolvente y la cáscara de
café, tiempo de contacto de los sólidos en el disolvente y la agitación durante la extracción.
Por lo tanto, el porcentaje de sólidos solubles de la cáscara café extraído es un parámetro
importante en los procesos tecnológicos y comerciales de la industria de la extracción de
edulcorantes. En el presente estudio se va a determinar los parámetros óptimos a nivel de
laboratorio en la extracción de sólidos solubles de la cáscara de café de la Cooperativa
Agraria Cafetalera Industrial Satinaki, de manera que se logre una máxima eficiencia
tecnológica y económica para extraer el sólido soluble de esta materia prima con fines de
fortalecer el sistema de comercialización de la cáscara de café.
16
CAPITULO I. GENERALIDADES
17
1.1. Línea de investigación
Línea de investigación: Sistemas de gestión y comercialización
1.1.1. Sub línea
Sistemas de gestión y comercialización: Comprende los procesos de gestión, técnicas
de negociación, innovación empresarial y generación de valor.
En base a la sub-línea descrita anteriormente, la presente tesis está enfocada a la
generación de valor ya que propone la obtención de un extracto que contiene
edulcorante a partir de la cáscara de café, ya que en base a una investigación
realizada a la pulpa y cáscara de café se obtuvo que tiene poder edulcorante, el cual
no es muy conocida en el mercado; la extracción de café en grano tiene como merma
a la cáscara. En este sentido, la investigación propone el aprovechamiento óptimo del
fruto de café, generando valor a un material que en principio se considera como
“merma”, “desecho” o cuya única alternativa de disposición es la obtención de
compost.
1.2. Planteamiento del Problema
El café es un producto, de consumo global, más representado en un estado líquido, el
cual es aromático y se consume a partir del proceso del molido de los granos
tostados, pero en la actualidad las alternativas de procesos tecnológicos para obtener
diversos productos del café se observan que solo se enfoca en el grano.
Mencionamos que, al procesar el café, se desecha la cáscara, el cual tiene
propiedades edulcorantes. En base a ello un edulcorante puede remplazar al azúcar
convencional, cuyo consumo es un factor que predispone a la diabetes, enfermedad
que va en incremento. “En esta última década los casos de este mal se duplicaron en
nuestra capital del 4 % al 8 % de la población, así lo informo la Sociedad Peruana de
Endocrinología (SPE)”. (Endocrinilogía, 2019)
Según el MINAGRI, en el Perú, el café está dentro de los 10 principales productos de
exportación, después de algunos minerales, petróleo, gas natural, harina de pescado,
entre otros. Actualmente se cultiva café en 400 mil hectáreas, cada una de ellas
18
rindió unos 713 kilos en el año 2018. Entonces si se produce grandes cantidades de
café también genera grandes volúmenes de cáscara de café.
La tendencia global es reducir lo más posible los residuos o desechos generados por
la empresa, ya que la clasificación de algo como “residuo” dependerá del destino
final que se le dé a ese resto de producción. Si se le encuentra un valor comercial o
aplicación, entonces se le considera un subproducto. No sólo tenemos que pensar que
residuo es aquel que se genera post consumo, como ocurre con el vidrio, plástico,
cartones, papeles, entre otros. Un residuo que en principio no se le encuentra algún
valor comercial explícito, puede convertirse en subproducto resultante de un proceso.
La extracción sólido-líquido es aplicado para dar valor comercial a diversas materias
primas, en este proceso mencionamos ejemplos como la extracción de aceites
esenciales, edulcorantes, colorantes naturales como la antocianina del maíz morado y
el ácido carmínico de la cochinilla. Dentro de la industria tenemos claros ejemplos de
empresas que aplican la extracción solido-liquido como Natcolor Perú S.A.C,
empresa peruana que se dedica a producir y comercializar colorantes naturales,
cuenta con antocianinas, ácido carmínico, achiote, carmín de cochinilla, etc.
Asimismo, la empresa A-1 del Perú, dedicada a la producción de insumos
alimenticios, tiene como productos suplementos naturales como es la antocianina, la
cual se encuentra en extracto de polvo, extracto líquido y tabletas. En este sentido, se
tiene que la extracción solido-líquida es aplicada a la industria y que favorece a la
generación de subproductos con valor comercial. (Ludeña Anyosa, Gutíerrez Reyes,
Palomino Eguiluz , & Rojas Castro, 2019)
La cáscara de café, considerado como “residuo”, se plantea una pregunta ¿El precio
de la cáscara puede llegar a superar al del grano a nivel internacional? durante
muchos años se consideró “basura”, hoy en día llega a costar 480 % más que el grano
y ya no se usa solo como fertilizante. El precio de kilo de cáscara puede costar $
14,00 y el de grano de café $ 2,50. Además, cadenas como Starbucks están
elaborando café a partir de la cáscara que tiene cafeína y es rica en antioxidantes. Sin
embargo, en nuestro país eso no ocurre y la cáscara aún no genera ingresos
significativos para los productores. (Gestión, 2018)
19
Actualmente la cáscara de café se comercializa envasado en material de papel y sello
hermético, tal es el caso de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki, sin
ningún tipo de caracterización del producto que mejore su aceptación del consumidor
y por ende su comercialización.
Por ello se plantea, en este trabajo realizar un estudio para determinar los parámetros
óptimos de operación para la extracción de los sólidos solubles de la cáscara de café,
que permitan obtener un alto rendimiento y así asegurar la máxima extracción de los
sólidos solubles que viene a ser en mayor proporción el principio edulcorante y
posteriormente se pueda escalar a una producción a mayor escala, con tecnología de
lixiviación competitiva y a menores costos con fines de fortalecer el sistema de
comercialización de la cáscara de café, ya que si se determina los parámetros
óptimos de la extracción de los sólidos solubles (siendo en mayor proporción el
edulcorante) se generaría un valor comercial a partir de la naturaleza del producto,
puesto que está orientado a las personas que cuidan su salud ya que el azúcar
tradicional en su consumo habitual tiene repercusiones en nuestros organismo, por
ende la presente investigación seria el inicio para la apertura y/o fortalecer un
mercado de consumo de edulcorante natural a partir de la cáscara de café.
1.3. Formulación del Problema
1.3.1 Problema general
¿Cuáles son los parámetros óptimos de los factores que influyen en la extracción de
sólidos solubles de la cáscara de café (Coffea) para la máxima extracción de los
sólidos solubles para generar valor comercial como edulcorante?
1.3.2 Problemas específicos
a. ¿Cuál es la velocidad de agitación de la operación de extracción de sólidos
solubles de la cáscara de café?
b. ¿Cuál es la temperatura de la operación de extracción de sólidos solubles de la
cáscara de café?
c. ¿Cuál es el tiempo de contacto entre las fases sólido – líquido?
d. ¿Cuál es la relación de alimentación y disolvente?
e. ¿Cuál el rendimiento de extracción de los sólidos solubles de la cáscara de café?
20
f. ¿Cuál es el valor comercial del extracto de los sólidos solubles de la cáscara de
café a nivel de laboratorio?
1.4. Justificación
1.4.1 Justificación sanitaria
El café es un producto consumido de manera global, y la diversificación de su
producción, se denota en la actualidad con la extracción de la cáscara de café, que se
hace de manera empírica, ya que es un producto que tiene poder edulcorante dentro
de la cáscara de café que se produce solo en las zonas tropicales, de tal manera que la
propuesta del consumo de la cáscara de café como edulcorante ayuda al control de
los niveles de azúcares y calorías dentro de nuestro cuerpo, previniendo la diabetes y
otros problemas de salud asociados a los altos grados de azúcar en la sangre.
Uno de los responsables de la aparición de las caries dentales producidos por
bacterias, es el consumo de alimentos con alto contenido de Azúcares simples
denominados “monosacáridos”, debido a que producen un ácido que deteriora el
esmalte dental, tal como lo explica la profesora de la Escuela de Medicina Dental de
la Universidad Tufts, Carole Palmer, (EE.UU.). (The New Work Times, 2010)
“Nuestro cuerpo, al consumir demasiado azúcar hace que el organismo libere
mayores cantidades de insulina, hormona encargada de la transformación de
alimento en calorías”. (Diabetes.co.uk, s.f.)
Una de las razones por que le hígado se sobrecarga, es porque
este órgano es el responsable de metabolizar la fructuosa, de tal
manera que, si hay más fructuosa el hígado, acumula más
trabajo por el cual te general el hígado graso o Esteatosis
hepática (Biblioteca Nacional de Medicina de EE.UU, s.f.)
“Cuando hablamos de obesidad o diabetes, estos dos son provocadas por el
consumo masivo de azúcar, la cual desarrolla la disminución cognitiva y la
enfermedad de Alzheimer”. (Biblioteca Nacional de Medicina de EE.UU, s.f.)
21
1.4.2 Justificación social
El cafeto es la planta, de la que extraen el café, este producto genera ingreso a las
distintas asociaciones formadas y productores independientes de diversas regiones
tropicales Perú, en la producción de café, se denota que la única merma que se
obtiene en la extracción del grano es la cáscara de café, este producto que es nuevo
dentro de nuestro mercado, ayudará al incremento de ingresos y fortalecer el sistema
comercial del café, de tal manera este afecta el incremento del empleo dentro del
sector cafetalero, porque es un subproducto, que no afecta el incremento de costo de
su producción. Pero si mejora los ingresos por que se optimiza el grano del cafeto en
un 100 %, ya que la presente investigación daría apertura a la comercialización de un
subproducto (edulcorante) a base de la cáscara de café.
En Ayacucho la estrategia VRAEM 2021, DEVIDA implementará 40 módulos de
procesamiento de cacao y café en beneficio de 5 800 familias del valle. Para
ello, invertirá 6,8 millones de soles para la dotación de equipos que contribuirá a
mejorar la productividad. (Andina, s.f.)
“En las poblaciones del VRAEM, el 58 % tiene una calidad de vida, en
condiciones de pobreza, de los cuales representan las 551 mil personas de esta
zona, contiene 69 distritos de Apurímac, Ayacucho, Cusco, Junín y
Huancavelica.” (El comercio , 2019).
“Los ingresos mensuales promedio de S/ 338, el 22 % de las
poblaciones del VRAEM tienen una calidad de vida de extrema
pobreza, según el Instituto Nacional de Estadística e
Informática” (INEI) “el promedio nacional está por abajo que se
registra un 21,7 % de pobres y un 3,8 % extrema pobreza”. (El
comercio , 2019)
Viendo este contexto podemos decir que la determinación de parámetros óptimos
para la extracción de sólidos solubles de la cáscara de café (contiene en mayor
proporción el edulcorante) fortalecerá su comercialización ya que actualmente no se
enfatiza en su potencial como “edulcorante”. En este sentido al comercializar este
22
producto, generará trabajo y por ende mejorará la calidad de vida de los productores.
Esta investigación propondrá la optimización del fruto en su totalidad.
1.4.3 Justificación económica
El café es un producto muy consumido a nivel mundial y se representa en una bebida
aromática:
“Dentro del litoral peruano existe 16 regiones que producen el café, incluyendo
la región Ayacucho; de los cuales los principales a nivel nacional son: San
Martin, Junín, Cajamarca, Amazonas y Cusco”. (Rpp Noticias, 2018)
“Existe una alta producción de café: La producción en regiones
principales como la región de San Martín con un total
producido de 33 %, seguida de la región de Cajamarca con una
producción del 18 %, la región Junín con un total de producción
de 16 % y Amazonas con una producción de1 4 %. Dentro del
Perú se siembran alrededor de 140 mil hectáreas de café
orgánico, del total de 420 mil hectáreas”. (Rpp Noticias, 2018)
Lo anterior muestra un panorama de generación de altos volúmenes de cáscara de
café que amerita darle un valor comercial puesto que, en la actualidad, la
diversificación de procesos para la obtención de derivados del café nos ha llevado a
apreciar, lo que los productores y asociaciones desechan, “la cáscara del café”.
Con esta iniciativa de poder minimizar los residuos en la producción de café, se
impulsa la marca Resto-Zero’ que da una segunda vida a los residuos generados en la
producción del café peruano. Esta investigación busca generar un impacto en los
caficultores a través de nuevas cadenas de valor a partir de los subproductos del café
y reducir la emisión de desechos en nuestro planeta. (Resto-Zero, s.f.)
La cáscara de café es una alternativa de valor agregado del café, ya que tiene un
poder edulcorante, que puede reemplazar al azúcar tradicional. Al darle un proceso
de extracción de sólidos solubles (en mayor proporción se encuentra el edulcorante)
de la cáscara de café, tal que sea aceptado por el consumidor generaría una demanda,
23
el cual si se efectuara la extracción de manera industrial incrementaría las utilidades
de los productores.
1.4.4 Justificación académica
La lixiviación o extracción sólido-líquido es un proceso muy extendido para la
generación de valor de productos, claros ejemplo tenemos para la obtención de
antocianinas a partir del maíz morado, aceites esenciales de diversos tallos, hojas, y
flores. La teoría de la lixiviación se fundamenta en la disociación de compuestos
solubles de una fase o matriz sólida que se incorpora en un solvente líquido
específico, bajo factores que influyen en dicho proceso como la temperatura,
agitación, tiempo de contacto, tamaño de partícula, relación de la alimentación
(material sólido) y el solvente (líquido). Una vez que se determinó los parámetros
óptimos, se genera un valor al producto porque se extrae un principio activo o lo que
se considera importante comercialmente porque satisface una necesidad. Con la
presente investigación se pretende demostrar la aplicación de la teoría del proceso de
lixiviación en la cáscara de café para la extracción de sólidos solubles.
Al obtener valores de los parámetros óptimos de la extracción de sólidos solubles,
siendo en un alto porcentaje compuestos edulcorantes, se puede seguir con
investigaciones sobre su poder edulcorante, su industrialización y su inserción en el
mercado. Asimismo, la investigación promueve la aplicación de una economía
circular, que busca tener un efecto positivo en el ecosistema y contrarrestar la
sobrecarga y la explotación del medio ambiente y sus recursos.
Quiero hacer hincapié que mi persona ha estado inmerso en la caficultura, siendo
unos de los problemas la generación de grandes volúmenes de residuos, y
considerando que la carrera de Ingeniería Comercial y Negocios Internacionales
entre otros objetivos busca generar valor a los productos para mejorar su
comercialización, lo cual me llevó a desarrollar la presente investigación.
1.5. Objetivos de la investigación
1.5.1 Objetivo general
Definir los parámetros óptimos de los factores que influyen en la extracción de
24
sólidos solubles de la cáscara de café (Coffea) para la máxima extracción del sólido
soluble para generar valor comercial como edulcorante.
1.5.2 Objetivos específicos
a. Determinar la velocidad de agitación de la operación de extracción de sólidos
solubles de la cáscara de café.
b. Determinar la temperatura de la operación de extracción de sólidos solubles de
la cáscara de café.
c. Determinar el tiempo de contacto entre las fases sólido – líquido.
d. Determinar la relación de alimentación y disolvente.
e. Determinar el rendimiento de extracción de los sólidos solubles de la cáscara de
café.
f. Determinar el valor comercial del extracto de los sólidos solubles de la cáscara
de café a nivel de laboratorio.
1.6. Hipótesis de la investigación
1.6.1 Hipótesis general
Si se conoce los parámetros óptimos de los factores que influyen en la operación de
lixiviación de la cáscara de café se podría lograr la máxima eficiencia de extracción
de los sólidos solubles para generar valor comercial como edulcorante.
1.6.2 Hipótesis específicas
a. A mayor velocidad de agitación de la operación unitaria de lixiviación de la
cáscara de café, mayor sería la extracción de los sólidos solubles, pero también
mayor sería el requerimiento de energía.
b. A mayor temperatura de la operación de lixiviación, mayor sería la extracción
del sólido soluble, pero también mayor sería la degradación del principio activo.
c. A más tiempo de contacto entre las fases sólido – líquido, mayor sería la
extracción del sólido soluble.
d. A una relación adecuada de alimentación con el disolvente, mayor sería la
extracción del sólido soluble.
e. Si sabemos las cantidades de materia del refino y extracto con sus
25
composiciones, se puede realizar el balance de materia y determinar el
rendimiento de extracción.
f. Si se conoce el valor comercial del extracto de los sólidos solubles de la cáscara
de café se puede determinar la competitividad comercial en el mercado.
1.7. Antecedentes de la Investigación
1.7.1 Internacional
• (García, 2008), en su tesis titulada, “Evaluación de la cascarilla de café para
utilizarse como sustrato en cultivo sin suelo de hortalizas” para optar el grado
académico de Maestro en Ciencias, la metodología de la investigación fue de
tipo cuantitativa experimental, desarrollado en el Instituto Politécnico Nacional,
Oaxaca. La variable de altura de la planta en cm, dio como resultado la
observación de diferentes significativas (p< 0,05) en cuanto a la altura de la
planta al usar la cascarilla de café como sustrato, de los cuales dieron como
resultado:
- En la primera observación, la planta mostró una altura de 3,35 cm,
teniendo este una altura mayor a 1,97 cm, se evaluó con un segundo
material que es lombricomposta de estiércol de bovino. En los almácigos
de café de la variedad de la caturra que dio diferentes resultados
promedio, al ser producidas con el segundo material lombricomposta.
- En la segunda observación que al mezclar la cascarilla + estiércol de
bovino +granza, se vio que ayuda a un mayor desarrollo del tallo del
tomate, pepino, lechuga y brócoli en comparación a la lombricomposta
para almacigo.
- En la tercera observación la mezcla de suelo +aserrín de melina +granza,
solo para la lechuga se registró un valor diferencial al 0,05 del nivel de
confianza, se vio que, al momento del trasplante, días después de la
siembra (30 días) la elevación promedio de las plantas del tomate en
semilleros con sustrato orgánico es 27,66 cm, pero al observar el tallo en
diámetro a nivel del cuello, raíz como el número de hojas por plántula,
sus valores fueron respectivamente, 0,58 cm ,0,42 cm y 4,25 hojas.
26
• (Samayoa, Borrayo, Pérez, & Morataya, 2014), en la tesis titulada “Extracción
de mucílago, azúcares y taninos de la pulpa del café y producción de ácido
acético comercial a partir de las mieles del café” para obtener el grado
académico de Químico Farmacéutico, la metodología de la investigación fue de
tipo cualitativa y cuantitativa, desarrollado en la Universidad de San Carlos de
Guatemala. El resultado está en base a las muestras que se caracterizan por:
- La tierra fría varía en azúcares y taninos en un rango de 10,9 % a 12,7
%, la tierra fría en taninos no es mayor a 0,2 %.
- La tierra caliente varía en azúcares y mucílago en un rango de 1,5 % a
15,4 %, en cuanto las muestras de mucílago promedia en 21 %.
- Dentro de la observación, la comparación de la tierra caliente es mayor a
1,5 % en la extracción de ácido acético, en total el costo de la
investigación es de 3 319,20 por medio de gastos reactivos y materiales.
• (Vásquez Morales, 2015), en su tesis titulada: “Etanol lignocelulósico, a partir
de cascarilla de café, por medio de hidrólisis química-enzimática y
fermentación” para optar el grado académico de Maestro en Ingeniería
Energética, la metodología de la investigación fue de tipo experimental a nivel
laboratorio, desarrollado en la Universidad Veracruzana, como resultado se
obtuvo la característica fisicoquímica de biomasa, que fue seleccionada a partir
de técnicas espectroscópicas, como logro de disminución de volumen de
partícula se hizo un pre tratamiento, de tal forma que se obtuvo: cuantificación
de azúcares reductores por medio de la técnica de Miller (DNS, 3,5 – ácido
dinitrosalicilico), se hizo hidrolisis enzimática con enzimas celulosas, obtenidas
de Sigma-Aldrich; en cuanto a la fermentación se dio por la levadura comercial
de una sepa denominada Saccharomyces cerevisiae.
• (Arias & Meneses, 2016), en su tesis titulada “Caracterización físico-química de
residuos agroindustriales (cascarilla de arroz y cascarilla de café), como materia
prima potencial para la obtención de bioetanol, laboratorios de química unan-
Managua I-II semestre 2016” para optar el grado académico de Licenciado en
Química Industrial, la metodología de la investigación fue de tipo analítica y
experimental, desarrollado en la Universidad Nacional de Nicaragua. Como
resultado, el nivel de celulosa lignina y hemicelulosa referenciadas a las normas
27
TAPPI (Asociación Técnica de la Industria de la Celulosa y el Papel), a partir de
la tal estructura química de la cascarilla de café y arroz es:
- La estructura química de la cascarilla de arroz es 36,03 % de Celulosa, de
Lignina 45,48 %, Hemicelulosa 18,49 % y 6,59 % de Humedad.
- La composición química de la cascarilla de Café contiene, 47,37 % de
Hemicelulosa, 36,70 de Celulosa, 15,93 % Lignina y 8,6 % Humedad. De
otra parte, alcanzaron 5,5 ml de bioetanol por cada 25 gramos de celulosito.
• (Varela Cevallos Á. , 2019), en su tesis titulada “Análisis del poder edulcorante
de la pulpa de café deshidratada (coffea arábiga) variedad caturra” para optar el
grado académico de título de Ingeniero Agroindustrial y de Alimentos, la
metodología de la investigación fue de tipo analítica y experimental,
desarrollado en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. La pulpa y
cascarilla de café es un subproducto del café que hoy en día es el mayor
contaminante de la industria cafetalera, causando problemas medio ambientales
graves, es por eso que se propuso el análisis del poder edulcorante del pulpa de
café (coffea arábiga), de la variedad caturra deshidratada, para esto se comparó
el rendimiento de extracción de pulpa respecto al tamaño de material vegetal
que ingresa al despulpado, del cual se determinó que resulta más del 50 %, por
esto se justifica el uso de pulpa y cascarilla de café para una industrialización, de
esto se determinó el mejor tipo de antioxidante para el proceso de extracción de
edulcorante de la sacarosa o azúcar común que es, glucosa con 0,6 y fructuosa
1,5. Se determinó mediante un panel especializado, el cual previamente se
obtuvo para que los datos sean los más exactos dando medida de 1,25 de poder
edulcorante siendo así mayor que la azúcar común y evaluando que es un
edulcorante comprobando con bases científica sobre el resultado final.
1.7.2 Nacional
• (Arteaga & Casiano, 2018), en su tesis titulada “Influencia de la temperatura y
pH en la fermentación de azúcares hidrolizados para la obtención de etanol a
partir de las cáscara de café” para optar el grado académico de Ingeniero
Químico, la metodología de la investigación fue de tipo experimental a nivel
laboratorio, desarrollado en la Universidad Nacional de Trujillo, como resultado
28
se pudo determinar la influencia de la temperatura y pH en la fermentación de
azúcares hidrolizados obtenidos de la cáscara de café, estableciendo los medios
óptimos de proceso para la obtención de etanol. Al realizar la caracterización
físico químico de la cáscara de café se encontró que esta contiene gran cantidad
de celulosa, a partir de la cual, mediante una hidrólisis ácida se obtuvieron
azúcares reductores que fueron llevados a fermentación, donde se trabajó con
cuatro niveles de temperatura (26º C, 28º C, 30º C, y 32º C) y pH (3, 4, 5, 6),
obteniendo que la temperatura y el pH óptimos son de 32 ºC y 5
respectivamente, con una eficiencia del proceso fermentativo de 66,20 %, un
grado alcohólico máximo de 3,33º GL obteniendo en la destilación y 6,54 GL en
la rectificación; asimismo se determinó que a partir de 100 kg de cáscara de café
se obtiene 2,7 l de etanol.
• (Alvares, 2018), en su tesis titulada “Evaluación de rangos del espectro
electromagnético para predecir la caracterización fisicoquímica de cáscara de
café para alimentación animal” para optar el grado académico de Ingeniero
Químico, la metodología de la investigación fue de tipo experimental a nivel
laboratorio, desarrollado en la Universidad Nacional Toribio Rodríguez
Mendoza, de los rangos estudiados dio como la viabilidad de la predicción ante
las características fisicoquímicas de la cáscara de café.
• (Carrillo Zamora & Lembeke Berninzon, 2015), en su tesis titulada “Estudio de
pre factibilidad para la instalación de una planta de elaboración de carbón
activado a base de cáscara de café” para optar Título Profesional de Ingeniero
Industrial, la metodología de la investigación fue de tipo experimental a nivel
laboratorio, desarrollado en la Universidad de Lima, el producto generado es un
producto poco común en el mercado, pero tiene aplicaciones muy beneficiosas
para el procesamiento de diferentes minerales. La propuesta plantea el diseño de
una planta de producción de carbón activo en base a cáscara de café. El
procesamiento de minerales con el producto presentado agrega valor al producto
mineral final, generando una ventaja competitiva en el mercado minero, por lo
que consideramos que el producto tendrá una gran acogida y podría motivar a
muchos negocios mineros a darle diferentes ventajas competitivas a diferentes
minerales.
• (Lopez Lizana & Ramírez Peña, 2013), en su tesis titulada “Evaluación de la
cáscara de café (coffea arábica) como agente regulador en la elaboración de
29
panela granulada, Piura - 2013.”para optar Título Profesional de Ingeniero
Industrial y Comercio Exterior, la metodología de la investigación fue de tipo
experimental a nivel laboratorio, desarrollado en la Universidad Señor de Sipán,
la cáscara de café como regulador del pH y la clarificación para la elaboración
de panela granulada con fines de contrarrestar la actual problemática de la
producción panelera se presenta como solución a la dificultad de obtener panela
con características similares en cada época de producción. Del estudio de la
cáscara de café en las variedades caturra y criollo sobre el pH y porcentaje de
clarificación se obtuvieron valores de pH desde 3,1 a 7,25 y para la clarificación
de 0,80% a 3,05%; al analizarse estadísticamente generaron valores de 5,9 de pH
y 1,1%. La cáscara de café de la variedad criollo acondicionada para utilizarse
en 25 mililitros/litro de jugo de caña aseguran la obtención de panela granulada
tipo suelta.
• (Valenzuela Garcia, 2018) en su tesis titulada “Producción y comercialización de
filtrantes de cáscara de café con canela y stevia en los distritos de la zona 7 de
Lima Metropolitana” para obtener el título profesional de Licenciado en
Administración y Marketing, la metodología de la investigación fue de tipo
experimental a nivel laboratorio, desarrollado en la Universidad Tecnológica del
Perú, la investigación realizada desea introducir al mercado un nuevo producto
de calidad, con la finalidad de ser la primera elección para el consumidor. Se
usará como medio principal para lograr los objetivos, a las redes sociales y la
rápida comunicación con los clientes mediante muestras informativas. Se
aprovechará el auge que actualmente tiene el consumo de productos naturales,
los beneficios que brindan y la confianza que el consumidor peruano tiene sobre
estos productos El éxito de este negocio será llevar un producto de orígenes
caseros a su mesa, con facilidad de trasladarlos en su cartera o tenerlos en su
alacena de manera práctica.
1.7.3 Local
• (Rojas Jara, 2012), en su tesis titulada: “Determinación de los parámetros de
operación del equipo modular de extracción sólido-líquido de la FIQM en la
extracción del café (Coffea)” para optar el grado académico de Ingeniero
Químico, la metodología de la investigación fue de tipo experimental a nivel
30
laboratorio, desarrollado en la Universidad Nacional de San Cristóbal de
Huamanga. Como resultado dio. El porcentaje de sólidos solubles del café
tostado extraído es un parámetro importante en los procesos tecnológicos de la
industria del café. Lo principal del estudio es comprobar la operación de
parámetros en la extracción de sólidos solubles del café tostado, en el módulo de
extracción sólido -líquido de la Facultad de Ingeniería Química y Metalurgia.
Se estudió el resultado de las causas que influyen en la operación de lixiviación
en la extracción de sólido - líquido de la Facultad de Ingeniería Química y
Metalurgia, para determinar los parámetros de operación que nos permita lograr
la mayor eficiencia de extracción de los sólidos solubles. El diseño
metodológico utilizado es del tipo factorial AxB, donde se evalúa el efecto de
los factores de la lixiviación (variables independientes); observando como
respuesta la cantidad de sólidos solubles extraído (variable dependiente) del café
tostado. Los parámetros determinados para la extracción de sólidos solubles del
café en medio acuoso en el equipo modular son: La relación de alimentación y
disolvente (F/D) igual a 0,5626, el flujo másico de la alimentación es de 0,6767
g/s y del disolvente es de 1,2027 g/s, el tiempo de contacto entre las fases de 6
minutos, la temperatura del disolvente es de 90°C, el tamaño de partícula del
café tostado es de 0,1505 mm de diámetro medio global. El rendimiento
experimental de la extracción de los sólidos solubles del café tostado molido es
de 11,80 %.
• (Gavilan, 2019), tesis con título: “Optimización de parámetros en la extracción
de sólidos solubles en la tuna morada (opuntia ficus-indica) por lixiviación, para
su aplicación en alimentos y bebidas”, para optar el grado académico de
Ingeniero Agroindustrial, la metodología de la investigación fue de aplicativo y
el nivel experimental, desarrollado en la Universidad Nacional de San Cristóbal
de Huamanga. Como resultado se tuvo: “La tuna morada tiene como
componentes esenciales en la operación de lixiviación: fracción másica
porcentual de sólidos solubles, XF: 20,07 % en peso; fracción másica porcentual
de disolvente, XDF: 75,7 % en peso y fracción másica porcentual de insolubles,
XI: 4,23 % en peso”.
31
Asimismo, se obtuvo que los parámetros óptimos de extracción para la
obtención del extracto de la tuna morada (Opuntia ficus indica) son: “Tamaño de
partícula: F (D= 6 mm, H= 8 mm), velocidad de agitación: 500 rpm, temperatura
75,7 °C, tiempo de contacto entre las fases sólido -líquido: 9 minutos, la relación
de alimentación y disolvente (F/D): (1:3,2)”.
Finalmente, en la investigación se obtuvo: “Rendimiento experimental de la
extracción de los sólidos solubles de la tuna morada (Opuntia ficus indica), con
los parámetros óptimos determinados es de 75,42 %.
32
CAPITULO II: FUNDAMENTO TEORICO
2.1. Marco Teórico
33
2.1.1 Historia del café
“La palabra café, nace de la palabra árabe “kahwah” (cauà), el cual se conoce
atreves de la palabra turca “kahweh” (cave), teniendo múltiples aceptaciones,
según cada idioma, de tal forma sin perder su raíz”. (Durán, 2011)
Según la historia el café fue descubierto en Etiopia, exactamente en la zona
denominada (Kaffa), África Occidental, del cual nace la palabra café, este arbusto
con frutos aromáticos dentro de la edad media llamo la atención de los marinos
africanos llevándolo a la península de Arabia en el que se implantó como cultivo, en
Holanda se encontró semillas a coffea arábica, de tal manera fueron llevadas a su
país en la isla de Java en 1690, donde se iniciaron los cultivos extensivos. (Peysson,
2001)
“En arabia el café era más dirigido a la Meca, en Europa el consumo de café
fue aceptado y se extendió, a causa de su sabor amargo y color negro, la
atención se centraba en el aroma en su consumo”. (Peysson, 2001)
“En cuanto al café, en su género Coffea contiene un promedio
de 80 especies originarias de Asia y África, en la producción
comercial las más conocidas son: coffea arábica l y coffea
canephora, los cuales ocupan 65 % y 33 % de toda el área
mundial cultivada”. (Bettancorut, 2002)
“El Perú, dentro de sus extensiones de tierra, tiene una superficie cultivada de
café 231 919 hectáreas, en cuanto a café arábico tiene 151 989 hectáreas
cultivadas y el café de la especie robusta en 79 969 hectáreas. (Bettancorut,
2002)
(Echevarria, Comparativo en vivero de vinco variedades de café(coffea arabica
L.), 2012) Indica que: “en la actualidad en la parte no cultivada del café es en
Europa con algunas excepciones, que viene a ser colonias, donde se produce a
pequeña escala, así como en los siguientes países y colonias productoras”:
• África: África Occidental, Madagascar, Somalia Francesa, Angola, Eritrea,
Tanganica, Uganda, Abisinia, Kenia.
34
• América del Sur: Perú, Brasil, Colombia, Venezuela, Bolivia, Ecuador, Guineas
Holandesas e inglesas.
• América Central y Antillas: Haití, Guatemala, Honduras, Nicaragua, Santo
Domingo, El Salvador, Puerto Rico, Jamaica y Guadalupe.
• América del norte: México.
2.1.2 Clasificación taxonómica
Berthaud y Charrier, 1988 (referidos por (Alves, 2008)), indican que: “el café
pertenece a la familia de rubiácea, la cual tiene más de 10, 000 especies las cuales
están agrupadas en 630 géneros”.
Según (Varese & Rojas, 2012), “el café arábico y el café canephora o robusta, son las
más comerciables e importantes del género coffea”.
2.1.3 Clasificación botánica
La clasificación taxonómica del café se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 1: Clasificación taxonómica del café
Clasificación taxonómica del café
Fuente: (Villacis & Aguilar, 2016)
Figura 1 Morfología del grano de café
Morfología del grano de café
Reino vegetal
Subreino
Clase
Orden
Familia
Género
Especie
angiosperma
dicotiledónea
rubiales
rubiaceae
Coffea
Coffea arábica L.
35
2.1.4 Sub Productos
a) Cerveza de café.
La tecnología nos permite, derivar o realizar subproductos a partir del café,
como es la cerveza de café tal producto que aún no tiene mercado, en cualquier
establecimiento, pero sin embargo creemos que su consumo sería global ya que
todos amamos el café, la manera de degustar el café en reuniones u ocasiones, la
cerveza de café viene a ser una buena opción. (My Coffee Box, s.f.)
b) Jabones de café
“Otro subproducto derivado del café es el jabón de café funcionan como
exfoliantes del cuerpo, de tal manera que tengan la piel suave y humectada”.
(My Coffee Box, s.f.)
“Este producto se puede realizar en familia con los residuos de la cafetera, lo
que se requiere son 8 onzas de jabón glicerina, cuarto de taza de café molido y
cucharilla de vainilla”. (My Coffee Box, s.f.)
c) Licor de Café
36
Como bebida, el licor de café tiene como variante el sabor ya que el licor tiene
presentaciones como dulces, amargos y el café como relajante, la fusión de
estos productos, causan en el paladar un éxtasis tan relajante y delicioso que de
alguna manera termina siendo un placer, este está compuesto de café, azúcar y
ron, en lo normal se consumen en presencia de postres o cocteles, el origen de
este producto se da en Jamaica siglo XVII, su presentación se puede hacer en
frio o caliente, siendo estos disfrutados por la familia acompañados de otros
ingredientes. (My Coffee Box, s.f.)
d) Mermelada de café:
En la repostería la mermelada de café tiene una fusión de sabores, su sabor
dulce, e intenso por lo pequeños destellos amargos que le da el café y un aroma
exquisito, esta receta te puede parecer un poco chiflada, pero en realidad la
combinación de sabores da muy bien para un paladar exigente hacia el café, la
receta lo puede hacer cualquiera que consume de manera cotidiana el café.
(Cosina y Vino, s.f.)
e) Vino de café:
“Cuando pesamos en vino, no se imaginan que es de café, la unión de sabores
es excelente, de tal forma que son bebidas que todos tienen. Puntos en común”.
(Vix, s.f.)
Para tener el mejor sabor y aroma en vino, este se añeja, el cual desarrolla
características con niveles superiores, de igual manera algunas variedades del
café gourmet se dejan reposar para desarrollar las mismas características del
vino, para la obtención de una buena bebida. (Vix, s.f.)
Las características que se le añade de manera especial, al vino es un buen café,
Texas elaboro el Pecan Mocha Wine, el vino al que se añadió otros ingredientes
con el fin de intensificar el sabor y así llamar la atención del paladar. (Vix, s.f.)
2.1.5 Lixiviación - extracción sólido - líquido
37
Los procedimientos de separación catalogadas como procedimientos de extracción
realizado con solventes líquidos son de gran interés en la industria, en las que, la
extracción de algún componente soluble contenido en un material, es posible que por
el uso de un solvente líquido apropiado como agente de separación para dicho fin;
esta es una operación común en muchas actividades básicas que vienen inclusive
desde tiempos anteriores, como son las preparaciones de ciertas infusiones, los
denominados remojados, las extracciones por ebullición, las operaciones de lavado,
etc. (Arias A. , 2011)
La lixiviación es la disolución preferente de uno o más componentes de una mezcla
sólida por contacto con un disolvente líquido. Esta operación unitaria, es una de las
más antiguas en la industria química, ha recibido muchos nombres, según la técnica
más o menos compleja utilizada para llevarla a cabo. (Treybal, 2008)
2.1.8 Fundamentos de la lixiviación - extracción sólido - líquido
La operación de lixiviación es la disociación de compuestos solubles dentro de una
fase o matriz sólida, el agente de disociación en un solvente líquido específico, el
cual está bajo ciertas condiciones en los componentes denominados lixiviadores.
El sistema procede según la naturaleza, en una extracción en ebullición, con
agitación, con molienda del sólido y/o condiciones de operación el cual tiene la
capacidad de operación, sólido - líquido en su naturaleza, con sus características
físicas químicas del solvente. (Arias A. , 2011)
“En la extracción sólido – líquido más conocido como lixiviación, hay algunas
denominaciones que se califica como lixiviación, que de tal forma representa a
la misma operación, las cuales son”: (Arias A. , 2011):
• Infusión
• Percolación
• Elución
• Decocción
• Remojado
• Macerado
38
• Lavado
El material sólido es el que se somete a lixiviación, en función del solvente elegido,
el cual es simbolizado por tres grupos de componentes:
A : Sólidos solubles.
I : Insolubles que algunos denominan inertes (con respecto al proceso
extractivo).
D : Solvente líquido (opcional, de acuerdo al solvente utilizado)
En lixiviación la materia sólida inicial que se somete, contiene básicamente muestra
del tercer elemento reconocido en la lixiviación: D; es el caso del agua cuando se usa
como solvente de extracción, los sólidos o materias primas sólidas contienen
humedad o agua, de tal forma el húmedo resultante o sólido residual, al finalizar la
lixiviación tendrá un sistema ternario (pequeñas cantidades de solubles: A, conforme
al nivel de extracción) , se debe tener en cuenta que en la lixiviación, el factor
solvente sobre el sólido solubles provocando la extracción de los elementos de la
matriz (A, I y en ocasiones D) los cuales se distribuyen e interconectan a una
estructura compleja. De tal forma como sucede con la cochinilla el cual tiene ácido
carmínico, formada por una biogénesis compleja de aquel insecto producto de su
activada biológica desarrollada en la tuna, con este punto de vista los materiales
sólidos destinados a lixiviación son:
a) Recursos Naturales
• Materia prima: estructura vegetal (semillas, tallos, hojas, etc.) y animales
(insectos, etc.).
• Materiales minerales: minerales, sales, etc.
b) Materiales de Procesos intermedios
• Precipitados
• Cristales
El solvente está conformado por el disolvente líquido D, dentro de la lixiviación, en
39
la recirculación contiene de una cantidad menor de sólidos solubles A. al finalizar la
lixiviación se obtiene un método binario formado por el sólido soluble y el disolvente
A + D. (Arias A. , 2011)
“En las experimentaciones, en el momento de una mala separación mecánica
sólido líquido se podrá observar el arrastre de sólidos finos, que da lugar a
presencia de insolubles: I, en el extracto”. (Arias A. , 2011)
2.1.7 Criterios en la elección del solvente
Lo importante en la extracción con disolventes, es saber qué criterios con respecto a
la elección del solvente de dispersión, ya sea por lixiviación o por la operación de
extracción líquido, de las cuales se puede indicar dos criterios principales. (Arias A. ,
2011)
2.1.7.1 Solubilidad
La solubilidad y concentración es la capacidad que alcanza los solubles con un
solvente usado: a mayor solubilidad hay mayor volumen de extracción por cada
unidad de solvente utilizado, es importante optar un solvente que presenta alta
solubilidad en los sólidos solubles o material de interés que se espera extraer. (Arias
A. , 2011)
2.1.7.2 Selectividad
Es el nivel selecto de solubilidad, que tiene el líquido disolvente en un determinado
sólido soluble de interés en la extracción, lo más factible es optar por un solvente que
admita extraer los sólidos solubles deseados, sin extraer otros compuestos en la
acción paralela.
De otra manera, tener en cuenta complementariamente distintos criterios que suman
a la hora de elegir un solvente líquido, en la situación operativa en la cual se define la
extracción y la naturaleza de la operación, según al material al procesarse, de tal
manera los criterios complementarios son:
• Volatilidad
40
• Toxicidad
• Inflamabilidad
• Reactividad química
• Viscosidad
• Tensión superficial
• Capacidad de difusión
• Recuperabilidad
• Inmiscible (para el grado de extracción liquida)
• Diferencia de densidades (para la decantación en extracción liquida)
• Costos
“A la par hay unas modificaciones, aditivos y/o coadyuvantes el cual incrementan la
solubilidad de manera selectiva, el volumen extraído del disolvente es utilizado como
disolvente, dentro de ciertas aplicaciones, las modificaciones son”: (Arias A. , 2011)
• pH (en medios ácidos o básicos)
• Tenso activa
• Sinergia de solventes (mezclas apropiadas de varios solventes líquidos)
• Aditivos especiales
• Energía térmica.
2.1.8 Factores que influyen en la lixiviación - extracción sólido - líquido
En la extracción sólido – líquido, es influida por varios factores que vinculan la
naturaleza de materiales que frecuentan en la lixiviación, dentro de la situación en la
cual se extraen. La vinculación de la naturaleza de materiales, también como
propiedades y características del solvente líquido electo para lixiviación, de otra
manera interviene la naturaleza de material sólido, lixiviado. Como la porosidad,
estructura, permeabilidad etc. (Arias A. , 2011)
Dentro de las principales condiciones operativas vinculadas que intervienen en la
lixiviación son:
41
a. Temperatura
Al extraer solubilidad, en una temperatura alta incrementa la transferencia de
difusiones en los materiales extraíbles del solvente líquido, siendo mejor la operación
de la lixiviación, el solvente hirviendo, dentro de la lixiviación a ebullición es como
la extracción de aceites, colorantes. Por otra parte, el incremento de la temperatura
no siempre beneficia a la lixiviación, porque el material soluble tiene termo
sensibilidad o degradación térmica, la cual restringe la temperatura, o de otra forma
por aspectos de costos de energía.
Le incremento de la volatilidad del solvente con la temperatura, se debe dar en
sistemas cerrados para operar la lixiviación, con el fin de no perder solvente, la
lixiviación a ebullición del balance de energía en la extracción de los solubles se
supone atérmica en el nivel de calor en el cual se efectúa la lixiviación.
Usualmente se calcula el promedio del material dentro de las situaciones operativas
del lixiviado, se puede decir que el grado de calor constante de ebullición, puede
complementar con la energía térmica en los casos de calentamientos o
acondicionamientos para mantener la ebullición, se entiende que la trasmisión de
temperatura no está ajustada al fenómeno de trasmisión de masa por lixiviación.
(Arias A. , 2011)
b. Agitación
En la extracción de sólido – líquido, el nivel de agitación se define como
hidrodinámica por el medio de lixiviación, al incrementar la turbulencia de mezcla
origina la suspensión y mejora la extracción de solubles. Porque la difusión conectiva
que se desarrolla en el medio líquido, esta no influye la resistencia difusiva que
limita al interior de la partícula, porque en la lixiviación de minerales el material es
extremadamente grande y tal manera el presupuesto de agitación serian elevados.
Perturbando la posibilidad económica de los mismos.
c. Saturación
En la extracción que tiene un líquido, se limita acorde sea mayor la concentración de
material soluble en líquido, el limitante vinculado al estado de saturación, tiene que
42
tomarse en cuenta la cantidad de material extraído, la cual tiene un vínculo con el
material trasladado particularmente del sólido al líquido, gracias al gradiente de
concentración, el soluble es alcanzado por el solvente que acorrala a la partícula en
ese momento es cuando tiene mayor concentración , por otra parte el solvente que
acorrala la partícula y el que esta fuera de ella conforma el seno principal del líquido,
de tal forma que viabilice los solubles y se propague desde el interior del sólido,
para el solvente extremo que forma al finalizar el extracto líquido de la operación de
lixiviación. (Arias A. , 2011)
2.1.10 Edulcorante
Un edulcorante o azúcar, contiene un aditivo en los alimentos que contienen mayor
resultado al endulzar, que la misma azúcar de mesa, por defecto nos brinda menos
energía, de tal manera prevalecen dos categorías básicas de edulcorantes: los
nutritivos y no nutritivos, estos están en relación al aporte de energías para nuestro
cuerpo, también se pueden clasificar en naturales o artificiales, con respecto a su
procedencia. (Fundación para la Diabetes, s.f.)
2.1.9.1 Edulcorantes nutritivos
“Como edulcorante tienen grandes cantidades de nutritivos para el cuerpo, con son:
los azúcares refinados, el jarabe de maíz de alta fructuosa, la fructuosa cristalina, la
glucosa, la miel, los edulcorantes provenientes del maíz, o el concentrado de fruta”.
(Fundación para la Diabetes, s.f.)
2.1.9.2 Edulcorantes provenientes del azúcar
Comercialmente conocida como la sacarosa, este es extraído de la caña de azúcar o
de la remolacha azucarera. Dentro del proceso de refinación se extrae los pigmentos
amarillentos y marrones de la azúcar esta es sin refinar, de esta manera se obtiene la
típica azúcar de mesa.
La sacarosa se encuentra en las frutas y es parte de los alimentos y bebidas en forma
de jarabe de maíz de alta fructuosa, también es de forma cristalina.
43
“El procedimiento para la fabricación de la fructuosa es la isomerización de la
dextrosa en el almidón de maíz, la fructuosa ha reemplazado a la sacarosa en
distintos alimentos y bebidas en virtud de su poder edulcorante”. (Fundación
para la Diabetes, s.f.)
2.1.9.3 Edulcorantes no nutritivos
Contribuyen al control de peso o de la glucosa en nuestra sangre y de otra parte la
prevención de las caries dentales, la alta intensidad deleita A sus consumidores con
el sabor de dulzura con poca o ninguna ingesta de energía. (Fundación para la
Diabetes, s.f.)
“En las industrias alimentarias la tendencia es de combinar los edulcorantes de
alta intensidad, son estas combinaciones que tienden a causar sinergia, el cual
disminuye la cantidad de edulcorante necesario y puede mejorar el sabor dulce
general”. (Fundación para la Diabetes, s.f.)
2.1.9.4 Características de algunos edulcorantes
En la siguiente tabla se puede observar los diferentes edulcorantes y su poder edulcorante con
algunas características.
Tabla 2: Características de algunos edulcorantes
Características de algunos edulcorantes
Edulcorantes Potencia edulcorante Observaciones
Acesulfamo k Tiene la potencia de 130 a 200
veces más dulce que la sacarosa.
No puede ser metabolizado,
es excretado por los riñones
sin ningún cambio
Alitame Es 2000 a 3000 veces más dulce
que la sacarosa.
Está formado a partir de
aminoácidos.
Aspartamo Es 200 veces más dulce que la
sacarosa.
Este si puede ser digerido,
con alta intensidad de
dulzura.
Ciclamato Es 50 a 30 veces más dulce que la
sacarosa.
Es de absorción limitada
por el organismo y se
excreta sin cambio en los
riñones
44
Neohesperidina
DC
Es 400 a 600 veces más dulce que
la sacarosa
Contiene bajas cantidades
de calorías y un realzador
que intensifica el sabor que
puede ser producido por
hidrogenación de la
neohesperidina,
Sacarina Se usó en la segunda guerra
mundial, es de uso
comercial Sucralosa Es 600 veces más dulce que la
sacarosa Es alta intensidad derivado
del azúcar.
El steviosida Es 100 a 150 veces, más dulce que
la sacarosa El edulcorante proviene de
la planta Rebaudiana
Como el producto sustituto del azúcar o edulcorante es un aditivo que usualmente
contienen los alimentos, el efecto en dulzor es mayor al del azúcar tradicional, pero
que usualmente tiene menos energía.
Un sustituto del azúcar o edulcorante es un aditivo para los alimentos que tiene
mayor efecto en el dulzor que del azúcar, pero que usualmente tiene menos energía.
Figura 2 Cadena comercial del edulcorante
Cadena comercial del edulcorante
45
2.1.10 Valor comercial
Precio real de venta de los productos de una empresa, se manifiesta en las propuestas
y ofertas de venta que realiza. (NEGOTIATOR, 2020). Podemos medir el valor
generado de un producto considerando no solamente el beneficio sino también el
coste que ha supuesto generar ese beneficio. En definitiva, si el beneficio obtenido
supera el coste de los recursos implicados, podremos decir que se ha creado valor.
(Bonmatí Martínez, 2011)
El valor hace referencia al precio que estará dispuesto a pagar el cliente por un
producto junto con sus beneficios que va a obtener con su uso.
Al establecer el precio, se debe tener en cuenta el valor percibido por el cliente y
cuanto está dispuesto a pagar por el producto. El precio va a determinar a su vez la
imagen que tendrá el cliente del producto, puesto que en muchas ocasiones un precio
alto es sinónimo de calidad, mientras que un precio bajo refleja lo contrario.
(Martines Garcia, Ruiz Moya, & Escriba Monzó, 2014)
2.2 Definición de Conceptos
a. Absorbancia: está es la intensidad de la radiación de la luz, con una
determinada amplitud de onda que pasa por el material de muestra.
b. Analito: Es más conocida dentro química analítica, el cual es una sustancia
que hace referencia a ser un ion, tal especie se conoce y se cuantifica ya que en el
proceso de medición química que posee un interés en nuestra muestra.
c. Convección: Es la forma de transferir la temperatura en fluido mediante el
movimiento interno de masas del propio material, la cual tiene distintas densidades,
de transferencia de temperatura se hace porque las masas están en distintas
temperaturas, ejemplo los radiadores de agua trasfieren calor de convección
d. Difusión: Este proceso se caracteriza por ser físico irreversible, se genera
cuando las partículas de materiales se introducen en el medio que al principio estaban
omitidos de sí mismo, así aumentando la entropía de dicho sistema conformado por
las partículas de sólidos solubles y el medio donde se difunden o disuelven.
e. Hidrodinámica: Es parte de la dinámica que estudia la tendencia de los
líquidos en proporción con las causas que lo originan.
46
f. Insoluble: Es lo que no se puede disolverse ni diluirse.
g. Lavado: Dentro de la operación de la lixiviación, el lavado es el deseo
eliminar un componente indeseable de la muestra.
h. Lixiviación: Es más conocido como la extracción de sólido – líquido, este
procedimiento donde se extrae diversos sólidos solubles s de un sólido, por medio del
proceso de utilización de un disolvente líquido. De tal forma que cuando hace un
contacto íntimo, los sólidos solubles puede difundirse desde lo sólido hasta la fase
liquida, el cual origina una disociación de componentes originales del sólido.
i. Longitud de onda (λ): Es el diámetro de picos de cimas de una honda y está
dado en cm, mm, A., etc.
j. Miscibilidad: este refiere en la propiedad que algunos líquidos tienen, para ser
mezcla en cualquier proporción, los líquidos forman una solución, que se aplican en
otras fases (sólidos, líquidos), pero la forma de empleo más a menudo para referirse a
la solubilidad de un líquido en otro.
k. Percolación: dentro de la física y la química de los materiales, se refiere al
proceso lento de fluidos atreves de material poroso.
l. Sólidos Solubles: Es el parámetro empleado en el análisis de bebidas y
alimentos, el cual tiene más énfasis en el área de las frutas y el vino, son las
sustancias que en su estado natural son un sólido, pero bajo condiciones ambientales
o en ciertas circunstancias son parte de una solución.
m. Solubilidad: es la capacidad de un material en disolverse en una determinada
sustancia
n. Transmitancia: Es la capacidad que expresa una cantidad de energía que
traspasa un cuerpo en un lapso de tiempo.
o. Edulcorante: son las sustancias que se emplean como sustituto del azúcar, ya
que tienen la capacidad de endulzar y mejorar el sabor de algunos alimentos y
bebidas sin aportar calorías.
47
2.3 Variables
2.3.1 Variables independientes
Variables independientes Indicadores
• Velocidad del agitador.
• Temperatura de la operación.
• Tiempo de contacto de las fases.
• Relación de alimentación y disolvente.
• Cantidad y composición del extracto (g, %).
• Precio del extracto de cáscara de café • Sumatoria de los costos para la obtención del extracto
de cáscara de café a nivel de laboratorio (S/.)
Variable independiente
Fact
ore
s q
ue
infl
uyen
en
el
pro
ceso
Dimensión Concepto Indicadores
Velocidad del
agitador.
Se define capacidad de extracción a
una determinada velocidad que pueda
tener el líquido
• Cantidad y
composición
del extracto.
Temperatura de la
operación.
Se define a los grados de calor
expuesta la cáscara de café para
extracción de edulcorante
Tiempo de contacto
de las fases.
Se define al tiempo que se expone la
cáscara de café, a la extracción de
edulcorante
Relación de
alimentación y
disolvente.
Es la relación o división entre la
materia prima que es la cáscara de
café y el disolvente que viene a ser el
agua.
48
Variable independiente
Pre
cio
del
extr
act
o d
e cá
sca
ra d
e ca
fé
Dimensión Concepto Indicadores
Costos directos.
*solo se consideran
los costos directos
puesto que ser a nivel
de laboratorio, se
estimará costos
estrechamente
relacionados a su
obtención. Se recalca
que esta
investigación es un
paso inicial que
podría dar apertura a
otras investigaciones
que optimicen
procesos para un
ajuste en los costos de
producción.
Se asocian directamente
con un producto
terminado o con su
elaboración.
• Sumatoria de
los costos
directos para la
obtención del
extracto de
cáscara de café
a nivel de
laboratorio.
Costos de
Materia prima,
materiales e
insumos y
energía (S/.).
2.3.2 Variable dependiente
• Rendimiento de extracción.
Indicadores
Porcentaje de sólidos solubles extraído (%)
Variable dependiente
Ren
dim
ien
to d
e
extr
acc
ión
Dimensión Concepto Indicadores
Rendimiento de
extracción
Se define al
porcentaje
procedimiento de
separación de
una sustancia que
puede disolverse
Porcentaje de
sólidos solubles extraído (%).
• Valor comercial
49
Indicadores
Precio del extracto de cáscara de café (S/.)
Variable dependiente
Va
lor
com
erci
al
Dimensión Concepto Indicadores
Valor comercial Se define como el
precio de los
productos de una
empresa. Costo de
producción
aplicándole un
porcentaje de
utilidad
Precio del extracto
de cáscara de café (S/.).
50
CAPITULO III. METODOLOGÍA
3.1 Tipo y nivel de investigación
Tipo
51
• Aplicada
Es la aplicación o utilización de los conocimientos adquiridos dentro de cada uno
de los factores de lixiviación, basada en la teoría de la investigación, el uso de este
conocimiento da como resultado es soluto deseado.
Nivel
• Explicativo
Explica la respuesta de la cantidad de soluto extraído en función de los factores de
lixiviación el cual requiere de control, para su extracción óptima bajo cada uno de
los factores expuestos a la cáscara de café.
Diseño de investigación
Experimental
La metodología que se utilizará es un diseño factorial AxB, donde se evalúa el efecto
de los factores de la lixiviación (variables independientes); observando como
respuesta la cantidad de sólidos solubles extraídos (variable dependiente) de cáscara
de café. Cada una de las unidades experimentales se realizará con pos prueba y cada
tratamiento se llevará a cabo por duplicado para una mejor evaluación.
Donde:
A: Representa las variables independientes.
B: Los niveles en cada variable evaluada.
Es necesario mencionar que el tamaño de partícula de la cáscara de café es estándar,
es decir los tamaños son homogéneos casi en su totalidad y por lo tanto se ha
trabajado con un tamaño promedio para todos los ensayos, el cual se presenta en la
siguiente tabla.
Tabla 3: Tamaño de partícula de la cáscara de café
Tamaño de partícula de la cáscara de café
52
Medida Tamaño (cm) Promedio
(cm) Pequeño Mediano Grande
Diámetro 1,00 1,10 1,30 1,13
Altura 1,40 1,50 1,70 1,53
A continuación, se muestra la tabla 4 que menciona el diseño factorial de la
extracción de sólidos solubles.
Tabla 4: Diseño factorial de la extracción de sólidos solubles
Diseño factorial de la extracción de sólidos solubles
FACTOR
(X)
NIVEL
(Y)
V.A.
(RPM)
T
(°C)
t, sin
agitación
(min)
t, con
agitación
(min)
Relación
(F/D)
I 125 65 3 3 1:6
II 190 70 4 4 1:7
III 300 75 6 5 1:8
IV 500 80 8 8 1:9
V 800 90 10 10 1:10
VI 93 12 12 1:11
VII 15 1:12
VIII 1:13
Donde:
X : representa las variables independientes
Y : los niveles en cada variable evaluada
V.A. : velocidad de agitación
RPM : revoluciones por minuto
T : temperatura en grados Celsius
t : tiempo de contacto
F/D : relación entre la alimentacion (sólido) y el disolvente (agua)
La estrategia del método a utilizar consiste en la búsqueda univariada, que consiste
en trabajar sólo con una variable a la vez, mientras que las otras se mantienen
constantes.
3.3 Métodos de investigación
53
3.4 Descripción general de la metodología de la investigación
La metodología que se utilizó en la tesis es el siguiente:
• Ensayos preliminares
• Determinación del porcentaje de humedad
• Ensayos de extracción total
• Determinación de la longitud de onda adecuada para las lecturas de
concentración (espectrofotometría)
• Determinación de la curva estándar del espectrofotómetro
• Análisis de composición de extractos y residuos
• Determinación de los parámetros óptimos de operación en la lixiviación
• Reporte y análisis de los resultados
3.4.1 Determinación del porcentaje de humedad
La humedad indica la cantidad de agua presente en la cáscara de café. El método que
se utilizó para ello fue la determinación de la humedad por estufa.
Figura 3: Determinación del porcentaje de humedad
Determinación del porcentaje de humedad
El procedimiento fue el siguiente:
• Pesar aproximadamente 3 g de muestra en lunas de reloj completamente limpias
y secas. Anotar la masa (masa 1) de la muestra.
• Introducir el conjunto de muestras (tres) en la estufa y regular la temperatura a
Masa 2 Estufa
(T = 100 °C)
Masa 1
54
100 °C por un tiempo hasta obtener una masa constante.
• Retirar las lunas de reloj con las muestras secas, colocarlas en el desecador para
que se enfríe.
• Anotar la masa final (masa 2) de la muestra seca. Para mayor detalle ver anexo
2.
Figura 4: Muestras para determinar el porcentaje de humedad de la cáscara de café
Muestras para determinar el porcentaje de humedad de la cáscara de café
3.4.2 Ensayos de extracción total
Se caracterizó los componentes de la matriz sólida (cáscara de café); estos
componentes son:
A : sólidos solubles (soluto)
I : insolubles (con respecto al solvente utilizado)
D : disolvente líquido
Figura 5: Determinación de los componentes de la cáscara de café
55
Determinación de los componentes de la cáscara de café
El procedimiento que se realizó fue el siguiente:
• Pesar exactamente 50 g de muestra (por triplicado) y el papel filtro para cada
muestra.
• Realizar la extracción sólido-líquido hasta que la cáscara de café ya no tenga
más sólidos solubles que extraer, tal como se muestra en la figura 3.
• Pasar a filtrar las muestras, de aquí se tiene el refino húmedo. Anotar su masa
(masa 1).
• Introducir el conjunto de muestras (tres) en la estufa y regular la temperatura a
100 °C por un tiempo hasta obtener una masa constante.
• Retirar el refino seco, colocarlas en el desecador para que se enfríe.
• Anotar la masa final (masa 2) de la muestra seca.
3.4.3 Ensayos para determinar la longitud de onda adecuada para las lecturas de
concentración (espectrofotometría)
Se determinó la longitud de onda que nos brinde el mayor rango para las lecturas de
absorbancia de los extractos correspondientes a cada ensayo según los parámetros de
los factores que inciden en la extracción de sólidos solubles de la cáscara de café la
Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki, es decir referidas a las variables
de temperatura, velocidad de agitación, tiempo de contacto y la relación de
alimentación – disolvente en la operación de lixiviación.
Figura 6: Determinación de la longitud de onda adecuada para el análisis de parámetros óptimos de la lixiviación de la cáscara de café
Refino
húmedo Refino
seco
Estufa
(T = 100 °C)
1
…
… 2 N
56
Determinación de la longitud de onda adecuada para el análisis de parámetros óptimos de
la lixiviación de la cáscara de café
El procedimiento que se realizó fue el siguiente:
• Se preparó dos soluciones, una de mayor concentración (solución concentrada) y
otra de menor concentración (solución diluida – 3 ml de solución concentrada
enrazado a 100 ml).
• Con el equipo de espectrofotometría se realizó las lecturas de absorbancia a
diferentes longitudes de onda.
3.4.4 Determinación de la curva estándar del espectrofotómetro
Al tener la longitud de onda adecuada para el análisis de los factores que afectan la
extracción de sólidos solubles se procedió a lo siguiente:
• A partir de la solución concentrada conocida (determinado por el método
gravimétrico); se preparó diversas soluciones de sólidos solubles en agua por
dilución, a diferentes concentraciones.
• Las diversas soluciones preparadas, fueron analizadas en el espectrofotómetro
efectuando las lecturas de absorbancia.
• Con los resultados obtenidos se hizo la gráfica de la curva estándar de las
diversas absorbancias a concentraciones conocidas que se muestran en el
Solución
concentrada
Solución diluida
Celda para
lectura
Lectura de la
absorbancia
57
capítulo de resultados. Para un mayor detalle del procedimiento para elaborar la
curva estándar revisar el anexo 3.
3.4.5 Análisis de composición de extractos y residuos
Se realizó ensayos en el laboratorio en un proceso por lotes, con la finalidad de
determinar los parámetros de los factores que inciden en la cantidad de sólidos
solubles a extraer la cáscara de café de la Cooperativa Agraria cafetalera Industrial
Satinaki, factores referidos (vinculados) a las variables independientes de
temperatura, velocidad de agitación, tamaño de partícula, tiempo de contacto y la
relación de alimentación – disolvente en la operación de lixiviación. En cada caso se
determinó las cantidades y las composiciones de los extractos y residuos. Para cada
variable independiente, se realizó el análisis de la composición de sólidos solubles,
para ello se desarrolló el siguiente procedimiento:
• Se utilizó la búsqueda univariada, que consiste en trabajar sólo con una variable
a la vez, mientras que las otras se mantienen constantes. En tal efecto se trabajó
con las cinco variables independientes que se describieron anteriormente.
• Realizar la extracción de los sólidos solubles de la cáscara de café con los
factores o variables independientes con los parámetros determinados.
• Se pasó al filtrado para obtener el extracto y el residuo húmedo. Anotar la masa
tanto del extracto y del residuo.
• Del extracto se obtiene una cantidad suficiente para realizar la lectura en el
equipo de espectrofotometría y así determinar la composición del extracto
utilizando la curva estándar del espectrofotómetro y los cálculos
correspondientes que se detallarán en el capítulo de resultados.
• Colocar en la estufa el conjunto de residuos húmedos y extractos según el factor
a evaluar.
• Retirar el residuo seco y los sólidos solubles de la estufa e introducirlos en el
desecador para que se enfríe y pasar a anotar la masa de cada uno.
En la figura 6 se muestra el procedimiento para determinar la composición de los
extractos y residuos en cada caso. Igualmente se muestran las variables
independientes como son:
58
V.A. : velocidad del agitator
T : temperatura
T.C. : tiempo de contacto
F/D : relación entre la alimentacion (sólido) y el disolvente
Figura 7: Procedimiento para determinar la composición de los extractos y residuos en la operación de lixiviación.
Procedimiento para determinar la composición de los extractos y residuos en la operación de
lixiviación.
3.4.6 Determinación de los parámetros óptimos de operación en la lixiviación
Para cada variable independiente se trabajó en diferentes niveles con la finalidad de
observar la cantidad de sólidos solubles extraído. Con esos datos obtenidos a través
de la búsqueda univariada, que consiste en trabajar sólo con una variable a la vez,
mientras que las otras se mantienen constantes y utilizando el método de
optimización de gradientes y la búsqueda de la sección dorada, que nos permite
obtener el mayor resultado del rendimiento de extracción de los sólidos solubles de la
cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki.
Para un mayor entendimiento presentamos en la figura 7 el diagrama de bloques de
la propuesta tecnológica con las condiciones óptimas.
Lectura de la
absorbancia
Refino
húmedo
Refino
seco
Extracto
Sólidos
solubles
Estufa
(T = 100 °C)
Solución
por
analizar Celda para
lectura
T (°C)
T.C.
V.A.
F/D
59
Figura 8: Diagrama de bloques de la propuesta tecnológica con las condiciones óptimas
Diagrama de bloques de la propuesta tecnológica con las condiciones óptimas
• Velocidad de agitación:
300 RPM.
• Temperatura: 79,05 °C.
• Tiempo de contacto:
6,24 minutos.
• Tiempo de contacto con
agitación: 6,24 minutos.
• La relación disolvente y
alimentación (D/F):
8,4181.
LIXIVIACIÓN
SECADO
Refino
seco Refino
húmedo
Estufa
(T = 100 °C) Extracto Sólidos
solubles
SELECCIÓN
DESCASCARADO
SECADO
FILTRACIÓN Refino
Extracto
MATRIZ SÓLIDA
60
Figura 9: Procedimiento para determinar el porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído
Procedimiento para determinar el porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído
3.4.7 Reporte y análisis de los resultados
Se muestra a detalle las cantidades, concentraciones, lecturas de absorbancia, figuras
y tablas que determinaran los parámetros óptimos de la extracción de sólidos
solubles de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial
Satinaki.
3.5 Método de determinación analítica
El método utilizado para la determinación analítica es el análisis espectrofotometría y
gravimétrico para determinar la composición del extracto y residuo de la operación
de lixiviación. Para el caso de la determinación del tamaño medio de la partícula se
realizó el análisis granulométrico.
LECTURA DE ABSORBANCIA Valor
Absorbancia
CURVA ESTANDAR
ESPECTROFOTOMÉTRICA
Ecuación de la recta
Absorbancia VS concentración
GRAVIMETRÍA
SECADO POR ESTUFA
(eliminar el agua)
Valor
% W/W
sólidos solubles
en el extracto
Valor
absorbancia
Valor
% W/W
sólidos
solubles en
el extracto
Masa del
extracto
Porcentaje de rendimiento de la extracción de
sólidos solubles.
% 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑑𝑜 = 𝐸1 ∗ 𝑦1
𝐹 ∗ 𝑥𝐹൨ ∗ 100
Fracción másica
de los sólidos
solubles en el
extracto
𝑦1
61
3.6 Descripción de los métodos de análisis
3.6.1 Método gravimétrico
Este método determina proporcionalmente un elemento o compuesto, que está dentro
de una determinada muestra, de tal forma eliminando todas las sustancias que
interfieren y convierten el constituyente o componente deseado en un compuesto, el
cual sea susceptible a pesarse. Este proceso en un método analítico cuantitativo, este
determina la cantidad de sustancia, la cual se mide el peso de esta con una balanza
analítica.
El procedimiento efectuado para la presente tesis es el siguiente:
• Pesar el vaso de precipitado limpio y seco.
• Pesar aproximadamente 50 g de extracto en el vaso de precipitado limpio y seco.
• Secar en la estufa hasta un peso constante (T = 100 °C).
• Pesar el vaso de precipitado que contiene los sólidos solubles.
• Determinar la masa de los sólidos solubles (sólidos solubles).
3.6.2 Espectrofotometría
Es la utilización de la luz para determinar la cantidad de Analito presente en las
muestras problemas.
Es un método de análisis químico basado en la cantidad de radiación que la muestra
absorbe, la que está en función de la concentración del Analito, que absorbe una
parte de la luz incidente y la otra lo transmite, además se produce otros fenómenos
como la dispersión y la reflexión. Cuando una molécula absorbe luz pasa a un estado
excitado de mayor energía. (Alcarraz, 2011)
El procedimiento para efectuar es el siguiente:
• Se toma una cantidad suficiente del extracto obtenida de la operación unitaria de
lixiviación para hacer la lectura de su absorbancia.
• Se programa el valor de la longitud de onda adecuada en el equipo de
espectrometría.
62
• Se realiza la calibración del equipo usando para ello agua destilada añadida a
otra celda espectrometría, es decir al realizar la lectura de la absorbancia del
agua tiene que ser igual a cero.
• Una vez que se tiene la muestra, esta es colocada en la cubeta del equipo de
espectrofotometría.
• Se limpia la parte externa de la cubeta de preferencia con un material suave
como el papel tisú.
• Se realiza otra vez la calibración del equipo usando agua destilada.
• Pasar a colocar la celda que contiene la muestra a analizar en el equipo para su
lectura de absorbancia correspondiente.
• Retirar la cubeta del equipo y pasar a limpiarla o lavarla por lo menos tres veces.
• Secar la cubeta para proceder a la siguiente lectura de la absorbancia de otra
muestra a analizar.
• Con los datos obtenidos de las lecturas de las respectivas absorbancias de cada
extracto se tienen sus correspondientes concentraciones utilizando la curva
estándar del espectrofotómetro.
• Con los valores obtenidos para los diferentes niveles de cada factor a evaluar se
realizar los cálculos para obtener el porcentaje de rendimiento de los sólidos
solubles extraído.
3.7 Población y muestra
Población
Cáscaras de café expuestas en el CITE Pichari, de la Cooperativa Agraria cafetalera
Industrial Satinaki.
Muestra
Representativa, la muestra seleccionada para la presente investigación fue del tipo de
muestreo aleatorio simple aplicada con el procedimiento el cuarteto. La
documentación que acredita la procedencia de la muestra se aprecia en el anexo 4.
El procedimiento para seleccionar la muestra se aplica en Plantas que producen
insumos químicos tienen la gran responsabilidad de analizar una muestra de cada
63
lote. También los usuarios de los mismos, a fin de comprobar que el producto
recibido cumple con las especificaciones técnicas ofrecidas por el proveedor. “El
Cuarteo” consiste en:
• Verter la muestra mayor en forma de cono sobre un plástico limpio.
• Aplanar el cono de tal forma que quede como una tortilla
• Dividir la tortilla en 4 partes iguales con ayuda de una regleta
• Descartar dos de las cuartas partes que se oponen diametralmente
• Tomar los dos cuartos que quedan, los cuales constituyen la “muestra final”
• Si la muestra final sigue siendo grande, puede repetir el procedimiento descrito
hasta llegar al tamaño de muestra ideal (Muestra Menor).
A continuación, presentamos algunos datos del cultivo de café que da lugar a nuestra
materia prima, cáscara de café.
Altitud: 1400 – 1800 m.s.n.m.
Variedades: Geisha, Pacamara, Caturra, Typica, Catuai y Catimor.
3.8 Equipos, materiales e insumos
Equipos
• Agitador: Marca Heidolph, mecánico de varillas, RPM desde 45 a 2 000.
• Balanza analítica
• Balanza mecánica
• Espectrofotómetro
• Estufa
• Termostato
Materiales
• Bureta
• Cronómetro
• Embudos
• Espátula
64
• Etiquetas para el rotulado
• Fiolas
• Gradilla
• Jarras
• Lunas de reloj
• Matraces
• Ollas
• Papel filtro
• Pinzas
• Pipetas
• Soporte universal
• Termómetros
• Tubos de ensayo
• Varillas de vidrio
• Vasos de precipitado
• Vernier
Materia prima e insumos
• Cáscara de café
• Solvente universal (agua)
• Papel bond
3.9 Técnicas e instrumentos
Técnicas
• Observación
En muchos estudios, se parte de la observación para llegar posteriormente a una
sistematización en donde todo esté planificado, de tal manera se aplicó la técnica de
la observación siendo lo más minucioso posible en la experimentación de los
ensayos de laboratorio, cada uno de los procesos de la lixiviación los cuales fueron
anotados en el cuaderno de laboratorio, toda la información ya procesada se
descargó en el trabajo de investigación teniendo un resultado de extracción óptima
65
de solido soluble de la cáscara de café.
• Ensayos de laboratorio
Dentro de la investigación se aplicó los ensayos de laboratorio los cuales fueron la
de extracción total en la cual se tomó una muestra de 50g de cascara de café y se
puso en contacto con el agua y la temperatura expuesta en una olla con una hornilla
para extraer el soluto deseado el cual se le realizo el filtrado con y la separación de
la masa con el soluto, los cuales se introdujo a uno estufa a un determinada
temperatura en un lapso de tiempo pudiéndose extraer el refino y la determinación
de la longitud de onda adecuada para las lecturas de concentración. Del cual se
preparó dos soluciones una de mayor concentración y otra de menor concentración
el cual se procesó por el equipo de espectrofotometría la cual realizo las lecturas de
absorbancia a diferentes longitudes de honda
Instrumentos
• Equipo de laboratorio de extracción sólido-líquido.
• Equipos de laboratorio.
• Materiales de laboratorio.
66
CAPITULO IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
67
Los parámetros de operación de la lixiviación la cáscara de café de la Cooperativa
Agraria Cafetalera Industrial Satinaki, se han determinado con la finalidad de obtener
el mayor rendimiento de extracción de los sólidos solubles (azúcares), con el enfoque
de generar un valor comercial como edulcorante natural.
En los ensayos de laboratorio, en cada variable independiente evaluada, se trabajó
con valores constantes en las otras variables no evaluadas.
Para el análisis de los resultados se utilizó el método de optimización de gradientes y
la búsqueda de la sección dorada, que nos permite obtener el mejor resultado del
rendimiento de extracción de los sólidos solubles la cáscara de café de la Cooperativa
Agraria cafetalera Industrial Satinaki. En las figuras que se muestran en los
siguientes ítems se presentan las diferentes interacciones que tienen un efecto
significativo en la variable de respuesta. En el caso de una interacción (AxB); los
niveles del primer término (A) estarán representados en el eje X, mientras que los
niveles del segundo término (B), en el eje Y.
Figura 10: Cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki.
Cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki envasado
Los parámetros óptimos de la extracción de sólidos solubles de la cáscara de café
comparados con los de otros productos que se muestran en la tabla son bastante
cercanos por lo que se respalda la aplicación del proceso de lixiviación o extracción
sólido - líquido.
68
Según el balance de materia teórico experimental se obtuvieron resultados cercanos
al 50 % en la extracción de azúcares, el cual fue respaldado por el autor (Varela
Cevallos Á. A., 2019) donde determino el rendimiento de extracción de azúcares de
la pulpa y cascarilla de café con un porcentaje mayor a 50 %.
El método de gradientes y búsqueda de la sección dorada pertenece a los métodos de
búsqueda lineal basados en intervalos localizando el valor óptimo estrechando en
forma progresiva, para la optimización de procesos.
4.1 Composición de la alimentación
La fase sólida está conformada generalmente por los sólidos solubles y el material
sólido denominado insoluble, en algunos casos puede existir en pequeñas
proporciones el disolvente. La fase líquida o solvente de extracción está conformada
generalmente por el disolvente puro.
Figura 11: Matriz sólida de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria cafetalera Industrial Satinaki
Matriz sólida de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria cafetalera Industrial
Satinaki.
Los componentes identificados en la operación unitaria de lixiviación para los
ensayos son:
• Alimentación F: cáscara de café de la Cooperativa Agraria cafetalera Industrial
Satinaki (conformado por los sólidos solubles, insolubles y disolvente).
• Disolvente D: agua caliente.
• Los componentes de la matriz sólida determinados son:
• Fracción másica porcentual de sólidos solubles, XF: 38,51 % en peso.
• Fracción másica porcentual de disolvente, XDF: 17,91 % en peso.
69
• Fracción másica porcentual de insolubles, XI: 43,57 % en peso.
La fracción másica porcentual de disolvente se determinó por medio del método de
determinación de la humedad por estufa que se detalla en el ítem 3.4.1, porcentaje de
humedad, cuyo valor es coherente con la bibliografía consultada. La determinación
de la fracción másica porcentual de insolubles se realizó con ensayos de extracción
total que se detalla en el ítem 3.4.2 y la de fracción másica porcentual de sólidos
solubles se halla por diferencia.
4.2 Curva estándar del espectrofotómetro
Para determinar la curva estándar del extracto de la cáscara de café de la Cooperativa
Agraria Cafetalera Industrial Satinaki se determinó la longitud de onda adecuada
para los análisis a realizar. El procedimiento se explica en la figura 6. En la tabla 5 se
muestra las concentraciones de la solución concentrada y solución diluida a
diferentes longitudes de onda.
Tabla 5: Lecturas de % T y A a diferentes longitudes de onda de máxima ab
Lecturas de % T y A a diferentes longitudes de onda de máxima absorción
Longitud de onda
(λ) 580 nm 600 nm 650 nm
Lecturas Absorbancia
(A) Absorbancia (A) Absorbancia (A)
Solución diluida
(menor
concentración)
0,059 0,048 0,032
Solución
concentrada (mayor
concentración)
1,787 1,428 0,859
Donde:
λ : longitud de onda.
nm : nanómetros.
70
Como se observa en la tabla 5 se tiene lecturas de absorbancia a diferentes longitudes
de onda para determinar la longitud de onda adecuada para el presente trabajo de
investigación. Se determina 580 nm como la longitud de onda adecuada, porque nos
brinda el mayor rango para las lecturas de absorbancia.
La longitud de onda de 580 nm se encuentra dentro de la región visible y a partir de
la curva patrón nos permitirá determinar la concentración de los sólidos solubles de
los extractos en cada uno de los ensayos, realizando las lecturas de absorbancia.
El equipo de espectrofotometría empleado puede trabajar en rangos de Transmitancia
de 0 a 199,9 %T e igualmente en rangos de absorbancia de - 0,300 a 3,000 A.
Figura 12: Equipo espectrofotómetro para lectura de absorbancia
Equipo espectrofotómetro para lectura de absorbancia
Se preparó un extracto inicial de composición conocida de cáscara de café de la
Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki; materia del estudio. A partir de
dicha solución, se preparó diversas soluciones de sólidos solubles en agua, por
dilución, a diferentes concentraciones. Las diversas soluciones preparadas, fueron
analizadas en el espectrofotómetro efectuando las lecturas de las absorbancias. Con
los resultados obtenidos se procedió a graficar para su mejor apreciación de la curva
estándar de diversas absorbancias a concentraciones conocidas, como se observa.
71
Figura 13: Soluciones preparadas a diferentes concentraciones.
Soluciones preparadas a diferentes concentraciones.
Tabla 6: Datos para determinar la curva estándar
Datos para determinar la curva estándar
N° SOLUCIONES
(ml C/100 ml solución)
CONCENTRACIÓN
PORCENTAJE EN
PESO
(% W/W)
ABSORBANCIA
1 Menor concentración (diluida). 0,1773 0,059
2 10 ml/100 ml 0,6314 0,384
3 20 ml/100 ml 1,2815 0,688
4 30 ml/100 ml 1,9367 0,914
5 40 ml/100 ml 2,5846 1,149
6 50 ml/100 ml 3,3200 1,365
7 60 ml/100 ml 3,9371 1,467
8 70 ml/100 ml 4,7007 1,767
9 Solución de mayor
concentración (solución inicial) 4,7135 1,787
La figura 14 nos va a permitir determinar las concentraciones de cada muestra
realizada en los ensayos de lixiviación, para ello se realizará las lecturas de
absorbancia a 580 nm de longitud de onda en el espectrofotómetro, y utilizando la
ecuación de la recta se determina su concentración respectiva.
72
Figura 14: Curva estándar espectrofotométrica del extracto de cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki
Curva estándar espectrofotométrica del extracto de cáscara de café de la
Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki
Nota.
En la figura se muestra la curva espectrofotométrica del solido soluble.
4.3 Efecto de la agitación en la extracción
El grado de agitación conferida al sistema de extracción sólido-líquido define la
hidrodinámica del medio de lixiviación, tal que a mayor turbulencia de la mezcla
sólido-líquido se promueve la suspensión y se facilita la extracción de los solubles
debido a la difusión convectiva desarrollada hacia el medio líquido.
Figura 15: Equipo de agitación Heidolph
Equipo de agitación Heidolph
73
Tabla 7: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según la velocidad de agitación
Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según la velocidad de
agitación
N° VELOCIDAD DEL AGITADOR
(RPM)
% RENDIMIENTO
1 125 17,2499
2 190 24,0722
3 300 27,0460
4 500 28,3365
5 800 28,6042
Figura 16: Extracto de ensayo de laboratorio para determinar la velocidad de agitación óptima
Extracto de ensayo de laboratorio para determinar la velocidad de agitación óptima
Se ha evaluado la extracción de los sólidos solubles a diferentes revoluciones por
minuto (RPM) del agitador Heidolph, con el cual se va a llevar a cabo la evaluación
de las otras variables posteriormente, se efectuaron 5 niveles y con parámetros
máximos de los demás factores de extracción: temperatura (93 °C), tiempo de
contacto (8 min), relación de alimentación – disolvente (1:8) y tamaño de partícula
(4,5434 mm). Los resultados se muestran en la tabla 7 y la figura 17.
74
Cabe mencionar que, aunque el equipo de agitación maneja rango de velocidades de
45 a 2000 RPM, la evaluación se realizó hasta cinco niveles, es decir hasta la
velocidad de agitación de 800 RPM, no se prosiguió a más RPM, porque la agitación
es fuerte y expulsa las partículas sólidas de cáscara de café hacia las paredes del
recipiente (olla), no permitiendo un manejo adecuado de contacto entre ambas fases.
Adicional a ello se muestra claramente en la figura 16 que no hay un incremento
significativo a partir de las 300 RPM, esto sugiere que a mayores revoluciones o
velocidades de agitación no se incrementará notablemente el porcentaje de
rendimiento de los sólidos solubles extraído.
Figura 17: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído en función a la velocidad de agitación
Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído en función a la velocidad
de agitación
De los resultados obtenidos se determinó que la velocidad de agitación óptima para
la extracción de sólidos solubles de cáscara de café de la Cooperativa Agraria
Cafetalera Industrial Satinaki con el fin de mejorar su comercialización es de 300
RPM.
4.4 Efecto del tiempo de contacto en la extracción sin agitación
Se realizaron los ensayos de laboratorio con la finalidad de determinar el tiempo de
contacto óptimo sin agitación entre la alimentación (fase sólida - cáscara de café de
la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki) y el disolvente (agua caliente).
Para ello se estableció siete niveles de variación de tiempo para observar el
75
rendimiento de sólidos solubles extraído, en la tabla 8 y con parámetros máximos de
los demás factores de extracción: temperatura (77 °C), relación de alimentación –
disolvente (1:8). Se muestra que del tiempo de contacto de un minuto hasta el nivel
siete o 15 minutos de contacto existe un incremento significativo del porcentaje de
rendimiento de los sólidos solubles extraído, contrariamente a esto ocurre a partir de
los 10 minutos de contacto, es decir que el comportamiento tiende a ser constante ya
que no hay una variación significativa en el porcentaje de rendimiento de los sólidos
solubles extraídos.
Tabla 8: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según el tiempo de contacto sin agitación
Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según el tiempo de
contacto sin agitación
El tiempo de contacto para la máxima extracción de sólidos solubles de la cáscara de
café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki se lograría cuando en la
curva de rendimiento de sólidos solubles extraído con respecto al tiempo de contacto
en la operación de lixiviación la curva sea asintótica con una pendiente de cero, esto
significa que el rendimiento tiende a ser constante o que sus variaciones son
insignificantes. Según el método gráfico se tiene que el tiempo de contacto óptimo
sin agitación es de 9,55 minutos para la extracción de los sólidos solubles con el fin
de mejorar su comercialización.
N° TIEMPO
(MIN)
%
RENDIMIENTO
1 3 18,4131
2 4 19,4502
3 6 21,3253
4 8 23,1258
5 10 24,0999
6 12 25,1336
7 15 25,7723
76
Figura 18: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído en función al tiempo de contacto sin agitación
Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído en función al tiempo de
contacto sin agitación
El uso más frecuente de cáscara de café a nivel familiar es la preparación de una
bebida, por lo que se vio por conveniente la evaluación del tiempo de contacto
óptimo sin agitación ya que a nivel familiar no se cuenta con un equipo de agitación.
Por lo tanto, el valor del tiempo de contacto óptimo sin agitación significa que, a
tiempos mayores a éste, el rendimiento no se incrementaría notablemente y por
consiguiente ya no es necesario seguir sometiendo la preparación a ebullición que
engloba asumir costos innecesarios.
4.5 Efecto del tiempo de contacto en la extracción con agitación
En este caso se realizaron los ensayos con la finalidad de determinar el tiempo de
contacto óptimo con agitación entre la alimentación (fase sólida - cáscara de café de
la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki) y el disolvente (agua caliente).
Para ello se estableció seis niveles de variación de tiempo para observar el
rendimiento de sólidos solubles extraído.
Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 9 y en la figura 20.
Para este ensayo como se observa en la tabla 9, se estableció siete niveles de
variación de tiempo para observar el rendimiento de sólidos solubles extraído y con
77
parámetros máximos de los demás factores de extracción: temperatura (77 °C),
velocidad de agitación (300 RPM), relación de alimentación disolvente (1:8).
Tabla 9: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según el tiempo
de contacto con agitación
Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según el tiempo de
contacto con agitación
N° TIEMPO
(MIN) %RENDIMIENTO
1 3 23,5799
2 4 26,2375
3 5 28,2614
4 8 31,0966
5 10 31,3771
6 12 31,7086
El tiempo de contacto para la máxima extracción de sólidos solubles de la cáscara de
café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki con el fin de mejorar su
comercialización, se lograría cuando la curva de rendimiento de sólidos solubles
extraído con respecto al tiempo de contacto con agitación tienda a ser constante o
que sus variaciones son insignificantes. Según el método gráfico se tiene que el
tiempo de contacto óptimo con agitación es de 7,20 minutos.
Figura 19: Ensayo de laboratorio en función al tiempo de contacto
Ensayo de laboratorio en función al tiempo de contacto
78
Figura 20: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído en función al tiempo de contacto con agitación
Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído en función al tiempo de
contacto con agitación.
Nota. En la figura se observa el rendimiento obtenido en función a tiempo de
contacto con agitación
El resultado obtenido es coherente, debido a que la agitación agrega al sistema u
extracción sólido - líquido mayor eficiencia y por ende mayor rendimiento a
comparación de no contar con la operación de agitación. Esto responde a que el
tiempo óptimo de contacto entre la cáscara de café y el disolvente es menor a
comparación con el tiempo de contacto sin agitación.
4.6 Efecto de la relación de alimentación con disolvente en la extracción
La finalidad en los ensayos realizados en esta parte del trabajo es evaluar el efecto
que tiene el factor alimentación/disolvente sobre el rendimiento de la extracción de
los sólidos solubles de la cáscara de café la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial
Satinaki.
Los resultados se presentan en la tabla 10 y la figura 22
79
Tabla 10: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según la
cantidad de disolvente
Porcentaje de rendimiento de sólidos solubles extraído según la cantidad de
disolvente
N° RELACIÓN
(F/D)
CANTIDAD
DE AGUA
(g)
%RENDIMIENTO
1 1:6 200 16,8161
2 1:7 300 33,3573
3 1:8 350 40,1152
4 1:9 400 46,9057
5 1:10 450 47,8609
6 1:11 500 48,5814
7 1:12 550 48,8882
8 1:13 600 49,2315
Figura 21: Filtrado de extractos de ensayo de laboratorio para determinar la relación de alimentación con disolvente óptima
Filtrado de extractos de ensayo de laboratorio para determinar la relación de
alimentación con disolvente óptima
80
Figura 22: Porcentaje de rendimiento del sólido soluble extraído en función a la cantidad de disolvente
Porcentaje de rendimiento del sólido soluble extraído en función a la cantidad de
disolvente.
Se realizaron los ensayos con ocho niveles del factor alimentación/disolvente y con
parámetros máximos de los demás factores de extracción: temperatura (77 °C),
velocidad de agitación (300 RPM), tiempo de contacto (7,20 minutos).
Se observa en la figura 22 un comportamiento directo del rendimiento de la
extracción de los sólidos solubles con la cantidad de disolvente. El incremento del
rendimiento es apreciable hasta la cantidad de agua de 400 g. Sin embargo, al
incrementar mayor cantidad de agua en la operación de lixiviación manteniendo la
Masa de alimentación constante, a partir de 400 g, se obtienen incrementos de
rendimientos menores, dicha tendencia se observa en la tabla 10 y la figura 22.
Se determina que la cantidad de disolvente es 402,71 g que corresponde a una
relación de disolvente y alimentación (D/F) de 8,0543. Este resultado es el valor
óptimo para la extracción de solidos solubles de la cáscara de café, con el fin de
generar un valor comercial.
4.7 Efecto de la temperatura en la extracción
Con la finalidad de observar la variación del rendimiento de la extracción de sólidos
solubles, se realizaron ensayos a distintas temperaturas. Se trabajó con siete niveles
de temperatura, desde 65 °C hasta 93 °C y con parámetros máximos de los demás
factores de extracción: velocidad de agitación (300 RPM), relación de alimentación –
81
disolvente (1:8) o cantidad de disolvente (402,71 g) y tiempo de contacto (7,20
minutos), como se muestra en la tabla 11 y la figura 23.
Tabla 11: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según la
temperatura
Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído según la temperatura
N° TEMPERATURA
(°C)
%
RENDIMIENTO
1 65 24,4567
2 70 29,9352
3 75 34,9352
4 80 37,9298
5 85 40,8241
6 90 44,6617
7 93 45,7765
En la figura 24 se observa una relación directa entre la temperatura y la cantidad de
sólidos solubles extraídos de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera
Industrial Satinaki. La pendiente de esta relación es ascendente hasta 85 °C, luego de
ello se tiene una caída de la pendiente, cuyos incrementos de rendimiento de los
sólidos solubles extraído no son apreciables. Utilizando el método de optimización
de gradientes y la búsqueda de sección dorada, se determinó que la temperatura
óptima es de 76,58 °C, valor óptimo de la extracción de sólidos solubles de la
cáscara de café con el fin de mejorar su comercialización.
Figura 23: Filtrado de extractos de ensayo de laboratorio para determinar la temperatura óptima en la extracción.
Filtrado de extractos de ensayo de laboratorio para determinar la temperatura
óptima en la extracción.
82
Figura 24: Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído en función a la temperatura
Porcentaje de rendimiento de los sólidos solubles extraído en función a la
temperatura
4.9 Determinación de la curva de equilibrio
Para evaluar la operación de lixiviación se requiere de una ecuación de línea de
operación o relación de balance de materia y las relaciones de equilibrio entre ambas
corrientes, para mayor detalle sobre el procedimiento para elaborar la curva de
equilibrio sólido – líquido ver anexo 5.
Muchos casos de lixiviación se pueden aproximar bastante bien al caso de solución
retenida constante, que también puede obtenerse como un valor medio de diversos
valores experimentales evaluados en el residuo sólido bajo las condiciones de
lixiviación, siempre que estos valores tengan una baja dispersión entre sí, tal como es
el caso en la operación de lixiviación de la cáscara de café y la disolvente agua. Por
lo tanto, en la presente investigación se trabajará en base al diagrama de lixiviación
de solución retenida constante.
4.9.1 Solución retenida constante
Para trazar la línea de corriente de residuos en el triángulo, se determina el punto de
intersección con los catetos del triángulo rectángulo, denominado como el punto de
intersección Xp, cuyo cálculo en función de la solución retenida es:
83
𝐾 =𝑆𝑅
𝐼=
𝑚𝐴 + 𝑚𝐷
𝑚𝐼= 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
𝐾 =(9,2307 + 15,6193)
17,4300= 1,4257
𝑋𝑝 =𝑘
1 + 𝑘
𝑋𝑝 = 0,5877
Figura 25: Curva de equilibrio sólido - líquido (SR/I constante)
Curva de equilibrio sólido - líquido (SR/I constante)
Donde:
SR : solución retenida
I : insolubles
mA : masa de solubles
mD : masa de disolvente
4.9 Balance de materia
En el balance de materia de la operación unitaria de lixiviación en la extracción de
los sólidos solubles de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera
84
Industrial Satinaki, se tienen los balances de materia experimental y teórico, los
cuales se describen a continuación.
4.9.1 Balance de materia experimental
Con los ensayos de laboratorio realizados se tiene el balance de materia respectivo
cuyos resultados son los siguientes:
• Alimentación:
F = 40,0000 g
xF = 0,3851
xDF = 0,1791
xI = 0,4358
• Disolvente:
D = 322,1700 g
• Extracto:
E1 = 319,8900 g
y1 = 0,0232
• Refino:
R1 = 42,2800 g
x1 = 0,1888
Figura 26: Balance de materia experimental
Balance de materia experimental
Calculamos el porcentaje de rendimiento de la extracción de los sólidos solubles de
F = 40,000 g
xF = 0,3851
xDF = 0,1039
EXTRACTOR
D = 322,1700 g
xDF = 1,0000
R = 42,2800 g
x1 = 0,1888
E = 319,8900 g
y1 = 0,0232
85
la cáscara de café de la Cooperativa Agraria cafetalera Industrial Satinaki.
% 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑑𝑜 = 𝐸1 ∗ 𝑦1
𝐹 ∗ 𝑥𝐹൨ ∗ 100
% 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑑𝑜 = 319,8900 ∗ 0,0232
40,000 ∗ 0,3851൨ ∗ 100
% 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑑𝑜 = 48,1787
4.9.2 Balance de materia teórico
El balance de materia teórico utilizando la curva de equilibrio sólido – líquido, con
las condiciones de operación de lixiviación, se realizó utilizando el software
EXTRASL. La alimentación de datos para este programa son la cantidad de matriz
sólida (cáscara de café), disolvente (agua) y sus respectivas composiciones dadas en
fracciones másicas tal como se muestra en la figura 28.
El sistema de operación es del tipo batch de una etapa, cuyos resultados se muestran
en la figura 29 y su respectivo balance de materia en la figura 30.
Figura 27: Menú principal del software EXTRASL
Menú principal del software EXTRASL
86
Figura 28: Alimentación de datos en el software EXTRASL
Alimentación de datos en el software EXTRASL
Figura 29: Resolución gráfica consecutiva de la extracción de sólidos solubles de la cáscara de café con las condiciones de operación de lixiviación
Resolución gráfica consecutiva de la extracción de sólidos solubles de la cáscara de
café con las condiciones de operación de lixiviación
87
• Alimentación:
F = 40,0000 g
xF = 0,3851
xDF = 0,1791
xI = 0,4358
• Disolvente:
D = 322,1700 g
• Extracto:
E1 = 318,7500 g
y1 = 0,0250
• Refino:
R1 = 43,4200 g
x1 = 0,1713
Figura 30: Balance de materia teórico
Balance de materia teórico
% 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑑𝑜 = 𝐸1 ∗ 𝑦1
𝐹 ∗ 𝑥𝐹൨ ∗ 100
F = 40,000 g
xF = 0,3851
xDF = 0,1039
EXTRACTOR
D = 322,1700 g
xDF = 1,0000
R = 43,4200 g
x1 = 0,1710
E = 318,7500 g
y1 = 0,0250
88
% 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑑𝑜 = 318,7500 ∗ 0,0250
40,000 ∗ 0,3851൨ ∗ 100
% 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑑𝑜 = 51,7317
Se observa que el resultado experimental de rendimiento de extracción de los sólidos
solubles la cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki es
menor con respecto a los cálculos teóricos determinados a partir de la curva de
equilibrio sólido – líquido.
Para mayor detalle de los cálculos de porcentaje de rendimiento y la determinación
de la máxima extracción por el método de gradientes y búsqueda de la sección
dorada ver anexo 6.
4.10 Valor comercial del extracto de los sólidos solubles de la cáscara de café a nivel
de laboratorio
Se presenta el balance de materia, donde el extracto obtenido de los sólidos solubles
de la cáscara de café requiere ser sometido a evaporación para así obtener una
presentación en líquido con la misma concentración del edulcorante que
emplearemos para su comparación en el ítem 4.11.
Figura 31: Balance de materia base
Balance de materia base
EXTRACTOR
D = 322,1700 g
xDF = 1,0000
R = 43,4200 g
x1 = 0,1710
E = 318,7500 g
y1 = 0,0250
F = 40,000 g
xF = 0,3851
xDF = 0,1039
Cáscara de café
Agua
Residuo
Extracto
89
En la siguiente figura se aprecia datos de la operación de evaporación para obtener el
extracto a una concentración del 6,00 %. Para ello se considera los datos del extracto
del balance de materia de la figura 30.
Figura 32: Balance de materia de la evaporación de agua
Balance de materia de la evaporación de agua
Los costos de producción se obtuvieron en base de cálculo del balance de energía e
información facilitada por proveedores.
El costo de la energía se extrajo del recibo de energía eléctrica emitida por la
Empresa Regional de Servicios Públicos de Electricidad de Centro S.A. en el mes de
ejecución de la investigación, cabe mencionar que el costo de la energía eléctrica
varía en decimales cada mes.
Costo de la energía para el proceso de lixiviación:
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ∗ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 = 4 𝑘𝑊 ∗ 7,20 𝑚𝑖𝑛1ℎ
60 𝑚𝑖𝑛
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 = 0,48 𝑘𝑊ℎ
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 0,48 𝑘𝑊ℎ ∗𝑆/. 0,6741
𝑘𝑊ℎ
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 𝑆/. 0,32
Costo de la energía para evaporar el agua:
𝑄 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑒 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖)
Donde:
Ce: calor específico del agua (4180 J/kg.K)
Calor
E = 318,7500 g
% concentración = 2,50
Sólidos solubles = 7,9688 g
EVAPORACIÓN
Extracto de sólidos solubles de
la cáscara de café al 2,50 % de
concentración
Extracto de sólidos solubles de
la cáscara de café al 6,00 % de
concentración
E = 132,8133 g
% concentración = 6,00
Sólidos solubles = 7,9688 g
xDF = 0,1039
Agua
D = 185,9367 g
90
Tf : Temperatura final (100 °C)
Ti : Temperatura inicial (25 °C)
𝑄 = 0,186 𝑘𝑔 ∗ 4180𝐽
𝑘𝑔. 𝐾⁄ ∗ 75
𝑄 = 58311 𝐽 ∗1 𝑘𝑊ℎ
3600000 𝐽
𝑄 = 0,0162 𝑘𝑊ℎ
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 0,0162 𝑘𝑊ℎ ∗𝑆/. 0,6741
𝑘𝑊ℎ
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 𝑆/. 0,01
Costo de la energía empleada por el agitador de la marca Heidolph:
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ∗ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 = 50 𝑊1𝑘𝑊
1000 𝑊∗ 7,20 𝑚𝑖𝑛
1ℎ
60 𝑚𝑖𝑛
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 = 0,006 𝑘𝑊ℎ
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 0,006 𝑘𝑊ℎ ∗𝑆/. 0,6741
𝑘𝑊ℎ
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 𝑆/. 0,01
Con la presente investigación se está iniciando el proceso de dar valor comercial a la
cáscara de café y considerando que la utilidad es a criterio de cada productor o
empresa, determinamos una utilidad razonable del 20 % Asimismo, consideramos
que ello puede variar ya que los cálculos realizados en la presente investigación son
estimaciones a nivel de laboratorio o prototipo.
Cabe mencionar que la información expuesta está en base a datos a nivel de
laboratorio, el cual podría facilitar la proyección a nivel industrial, realizando
optimización de procesos para una mayor rentabilidad. Por lo tanto, el costo global
del extracto de sólidos solubles de la cáscara de café es un costo estimado para poder
91
comparar de manera referencial con el edulcorante más comercial que viene a ser la
stevia, en la misma presentación de extracto y concentración de sólidos solubles.
Según la teoría del precio de venta 𝑃𝑉 =𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠
(1−% 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑)
Fuente: (Cadena Lozano, 2011)
𝑃𝑉 =14,64
1 − 20 %
𝑃𝑉 = 18,30
Tabla 12 Costo de producción a nivel de laboratorio del extracto de solido solubles de la
cáscara de café
Costo de producción a nivel de laboratorio del extracto de solido solubles de la cáscara de
café
Descripción Cantidad Unidad Costo total
(S/.)
Fuente
Cáscara de café 40 g 6,00 Cooperativa
Cafetalera Satinaki
Agua (disolvente) 322 g 0,00093 SEDA Ayacucho
Energía para evaporar
el agua (hasta la
concentración de 6 %)
0,006 kWh 0,01 Cálculos
Energía requerida por
el agitador
0,006 kWh 0,01 Cálculos
Energía para el proceso
de lixiviación
0,48 kWh 0,32 Cálculos
Materiales para el
proceso de lixiviación
1 Glb 5,00 ------------
Servicios de operario 1 Unid 0,8 ------------
Envase de 130 ml 1 Unid 2,50 Gentplast S. A.
Etiquetado 1 Unid. 0,29 C. visual Imprenta
integral
Total 14,64
Utilidad (20 %) 3,66
Precio de venta (S/.) 18,30
92
A modo de mostrar que los edulcorantes se vienen comercializando a nivel nacional,
en las tablas siguientes se presentan empresas más representativas que elaboran
edulcorantes a base de stevia en diversas presentaciones, información extraída de un
estudio de mercado para la inserción de una nueva marca que elabora subproductos
de la stevia, elaborado por Celinda Clara Huaringa Arroyo de la universidad San
Ignacio Loyola, Perú en el año 2017.
93
Tabla 13: Empresas productoras de edulcorante natural (stevia) en presentación de extracto
Empresas productoras de edulcorante natural (stevia) en presentación de extracto.
Empresa Imagen comercial Información nutricional Dosificación Precio (S/)
Stevia Coronel S.A.C.
30 mililitros
Nutrientes Por
100 ml
Por
porción
Energia
(kcal)
30,0 0,0
Proteinas(g) 0,0 0,0
Hidratos de
carbono (g)
3,7 0,0
Azúcares(g) 2,2 0,0
5 gotas por taza
15,00
Nutra Estevia EIRL
110 mililitros
Nutrientes Por 110
ml
Por
porción
Energia (kcal) 110 0,0
Proteinas(g) 0,0 0,0
Hidratos de
carbono (g)
7,7 0,0
Azúcares (g) 2,6 0,0
7 gotas para 200
ml
17,50
Fuente: (Huanringa, 2017)
94
Tabla 14 Empresas productoras de edulcorante natural (stevia) en presentación de polvo y harina
Empresas productoras de edulcorante natural (stevia) en presentación de polvo y harina
Empresa Imagen Comercial Información Nutricional Dosificación Precio(S/)
Stevia Coronel S.A.C.
50 gramos
Porción 0,1 g (1/8 cucharada)
Calorias 0,0
Carbohidratos 0,0065
Colesterol 0,0
Calcio, fosforo, cobalto, potasio,
vitamina A y C
Cucharilla por
taza
15,00
Nutra Estevia EIRL
50 gramos
Porción 0,3 g (2 cucharillas)
Calorias 0,0
Carbohidratos 0,0
Colesterol 0,0
Calcio, fosforo, cobalto, potasio,
vitamina A y C
2 cucharillas de
0.3 g para 200 ml
14,50
95
Empresa Imagen Comercial Información Nutricional Dosificación Precio(S/)
Steviaperu S.A.C.
25 gramos
porción 0,1 g (1/8 cucharada)
Calorias 0,0
Carbohidratos 0,0
Colesterol 0,0
Calcio, fosforo, cobalto, potasio,
vitamina A y C
Una cucharilla
por taza
25,00
Steviaperu S.A.C.
50 gramos
porción 0,1 g (1/8 cucharada)
Calorias 0,0
Carbohidratos 0,0
Colesterol 0,0
Calcio, fosforo, cobalto, potasio,
vitamina A y C
Una cucharada
por taza
15,00
Bio Peru S.AC.
100 gramos
porción 0,1 g (1/8 cucharada)
Calorias 0,0
Carbohidratos 0,0
Colesterol 0,0
Calcio, fosforo, cobalto, potasio,
vitamina A y C
1 cucharilla por
taza
53,00
Fuente: (Huanringa, 2017)
96
Tabla 15 Empresas productoras de edulcorante natural (stevia) en presentación de filtrante
Empresas productoras de edulcorante natural (stevia) en presentación de filtrante
Empresa Imagen Comercial Información Nutricional Dosificación Precio(S/)
Stevia Coronel S.A.C.
24 sobres
por porción 0.2 g por filtrante
Calorias 0,0
Carbohidratos 0,0
Colesterol 0,0
Calcio, fosforo, cobalto, potasio,
vitamina A y C
Un filtrante por
taza
3,50
Nutra Estevia EIRL
50 gramos
30 sobres
por porción 0.2 g por filtrante
Calorias 0,0
Carbohidratos 0,0
Colesterol 0,0
Calcio, fosforo, cobalto, potasio,
vitamina A y C
Un filtrante por
taza
7,50
Bio Peru S.AC.
100 filtrantes
por porción 0.2 g por filtrante
Calorias 0,0
Carbohidratos 0,0
Colesterol 0,0
Calcio, fosforo, cobalto, potasio,
vitamina A y C
Un filtrante por
taza
22,50
Fuente: (Huanringa, 2017)
97
En la presente investigación se tomará la competitividad referida al precio de mercado.
Asimismo, con fines de comparación se considera al edulcorante de la stevia porque ya tiene
trayectoria en el mercado y se encuentra diversas presentaciones como extracto, polvo, harina
y filtrantes. Se tomará a la stevia en su presentación líquida o de extracto, específicamente del
producto de la empresa Nutra Stevia de volumen de 110 ml y concentración del 6 % ya que
tiene características similares.
A continuación, realizaremos la comparación de los extractos de cáscara de café y stevia para
determinar su competitividad comercial.
Tabla 16: Comparación de la competitividad comercial del extracto de cáscara de café
Comparación de la competitividad comercial del extracto de cáscara de café
*Obs: El precio calculado a nivel de laboratorio es una estimación, referencial para
proyecciones industriales.
A continuación, calculamos la diferencia de precios entre los productos:
P1: Precio del extracto de cáscara de café
P2: Precio del extracto de Stevia
% 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜𝑠 = (𝑃1 − 𝑃2)
𝑃1𝑥100
% 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜𝑠 = (18,30 − 17,50)
18,30𝑥100
Producto Extracto de cáscara de café
(endulzante)
Extracto de Stevia
Imagen comercial
Volumen (ml) 130 110
Costo (S/.) 18,30 17,50
98
% 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜𝑠 = 4,37 %
Según se aprecia en la tabla 16, al tener los dos productos de similar valor monetario,
se determina que el extracto de cáscara de café que se obtiene a través de la
lixiviación es relativamente competitivo ya que por ser un producto nuevo va ser
necesario realizar compañas publicitarias que ameritan un costo adicional.
4.11 DISCUSIÓN
Con la presente investigación se respalda la aplicación de la teoría de la lixiviación,
ya que se aplica a diversos productos como se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 17: Aplicación de la Lixiviación en diferentes productos
Aplicación de la Lixiviación en diferentes productos
Autor Investigación
Parámetros óptimos
Velocidad
de agitación
(RPM)
Temperatura
(°C)
Tiempo de
contacto
(minutos)
Relación de
disolvente (D) y
alimentación
(F)
Tamaño de
partícula
(mm)
D: diametro
H: altura
Cárdenas
Palomino, Jak
Cristofer
Parámetros óptimos en la
extracción de sólidos
solubles de la cáscara de
café (Coffea) por
lixiviación, propuesta de
valor comercial como
edulcorante
300 76,58 7,20 D/F: 8,0543 D =11,3
H =15,3
Gavilan Cori,
Sheril Dioava
Optimización de
parámetros en la
extracción de sólidos
solubles en la tuna
morada (Opuntia Ficus-
Indica) por lixiviación,
para su aplicación en
alimentos y bebidas
500 75,7 9 D/F: 3,2 D = 6
H = 8
99
Autor Investigación
Parámetros óptimos
Velocidad
de agitación
(RPM)
Temperatura
(°C)
Tiempo de
contacto
(minutos)
Relación de
disolvente (D) y
alimentación
(F)
Tamaño de
partícula
(mm)
D: diametro
H: altura
Leidy Diana
Medina
Quiquin
Determinacion de
parámetros óptimos en la
extracción de. sólidos
solubles de la coronta de
maiz morado (Zea Mays
L.) de la variedad Inia
615 – Negro Canaán, por
lixiviación
300 79,05 6,24 D/F: 8,4181 D = 4,5434
Liliana Karin
Valer Béjar
Determinación de
parámetros óptimos en la
extracción de sólidos
solubles de la corteza de
uña de gato (Uncaria
Tomentosa) por
lixiviación
300 81 4,1 D/F: 12,3841 D = 0,2140
Quispe
Ticllasuca,
Santos Fredy
Evaluación de los
parámetros de extracción
de la norbixina a partir
de las semillas de achiote
(Bixa Orellana L.)
150 40 15 D/F: 10
(volumen/peso)
Como podemos observar en la tabla anterior los parámetros óptimos de la extracción
de sólidos solubles de los diferentes productos son bastantes cercanos, como en el
caso de la velocidad| de agitación, cuyo rango esta de 150 a 300 RPM, la temperatura
de 40 a 81 °C, temperaturas menores a la de ebullición, tiempo de contacto de 4 a 15
minutos, relación de alimentación y disolvente de 3 a 12 , esto referido a que los
sólidos solubles que se encuentran en la matriz sólida son extraídos por el mismo
solvente que es el agua (solvente universal). Sin embargo, cabe mencionar que la
diferencia, aunque no es tan significativa entre ellos responde a que son diferentes
productos, cada uno tiene diferente porcentaje de humedad y los compuestos a
extraer son disímiles.
Por lo tanto el valor comercial es obtener un subproducto de un material que en
principio es considerado como un residuo o desecho, tal es el caso de la cáscara de
café, del cual se obtuvo un extracto que al ser comparado a la de Stevia se dedujo
que es relativamente competitivo por que el producto que se obtuvo a partir de la
cáscara de café contienen la mismas condiciones de concentración y presentación
100
líquida del producto en comparación, la diferencia de precios dentro del mercado es
menor al 5 % según la tabla de costo de producción del extracto extraído a nivel de
laboratorio. Podemos decir que al industrializar la producción del extracto de la
cáscara de café los costos de producción se reducirían.
101
CONCLUSIONES
1. Los parámetros principales que influyen en la operación de lixiviación en la extracción de sólidos
solubles de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria cafetalera Industrial Satinaki, por el
sistema batch, son: velocidad de agitación, temperatura, tiempo de contacto de las fases y la
relación de alimentación-disolvente.
2. Los componentes fundamentales de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera
Industrial Satinaki en la operación de lixiviación son:
a. Fracción másica porcentual de sólidos solubles, xF: 38,51 % en peso.
b. Fracción másica porcentual de disolvente xDF: 17,91 % en peso.
c. Fracción másica porcentual de insolubles, xI: 43,58 % en peso.
3. Los parámetros óptimos de extracción para la obtención del extracto de la cáscara de café de la
Cooperativa Agraria cafetalera Industrial Satinaki en medio acuoso son:
a. Velocidad de agitación: 300 RPM.
b. Tiempo de contacto con agitación entre las fases sólido – líquido: 7,20 minutos.
c. La relación de disolvente y alimentación (D/F): 8,0543.
d. La temperatura del disolvente es de: 76,58 °C.
4. El rendimiento experimental de la extracción de los sólidos solubles la cáscara de café de la
Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki, con los parámetros óptimos determinados es
de 48,1787 %.
5. El rendimiento utilizando el software EXTRASL (teórico) para la extracción de los sólidos
solubles de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki, con los
parámetros óptimos determinados es de 51,7317 %.
6. El valor comercial estimado de la extracción de los sólidos solubles de la cáscara de café a nivel
de laboratorio es de S/14,64; incluyendo la utilidad del 20% es de S/ 18,30. Dicho valor
comercial a nivel de laboratorio facilitará las proyecciones a nivel industrial. Considerando la
competitividad en base al valor comercial mencionamos que el extracto de la cáscara de café es
relativamente competitivo referido al extracto de stevia, el cual ya está en el mercado; ello se basa
a que la diferencia de precios es poco significativa, menor al 5 %.
102
RECOMENDACIONES
1. Realizar los ensayos a mayor escala con la finalidad de relacionarlos con los resultados a
nivel de laboratorio, y plantear el escalamiento a nivel empresarial para su
aprovechamiento de la extracción de un edulcorante a partir de la cáscara de café y de
esta manera generarle valor para optimizar su comercialización.
2. El Gobierno Regional de Ayacucho debe trabajar en elaboración y ejecución de proyectos
y/o planes de acción para el fortalecimiento de la cadena productiva del café y sus
subproductos, haciendo énfasis en su comercialización, articulando a los actores de tal
forma que aprovechen las oportunidades y actúen con responsabilidad social en función
del mejoramiento de sus condiciones de vida y de su entorno.
3. Se recomienda informar y concientizar a los productores que mayormente están
organizados mediante asociaciones que es posible obtener un subproducto de un material
que en principio es considerado como un residuo o desecho, tal es el caso de la cáscara de
café. Asimismo, identificar oportunidades de comercialización de estos productos ya que
mediante la investigación se puede generar “valor” al mismo.
4. Evaluar otros solventes y factores que puedan influir en la extracción de los sólidos
solubles de la cáscara de café con su optimización para la generación de valor comercial
en sus subproductos y así reducir costos de producción.
5. A partir de esta tesis se recomienda continuar con una investigación para caracterizar al
edulcorante que está contenido en el extracto y determinar su poder edulcorante.
Asimismo, se recomienda realizar una investigación sobre el poder edulcorante de la
pulpa de café para generar “valor”, con el fin de crear un sistema de comercialización
adicional del mismo, es decir no solo se puede comercialización como café sino también
como edulcorante a partir de la pulpa de café ya que en la investigación de Ángel
Alejandro Valera con el título “Análisis del poder edulcorante de la pulpa de café
deshidratada (Coffea arábiga) variedad caturra” demostró que en global la pulpa de café
y cáscara de café tiene un rendimiento de aprovechamiento de más del 50 % y por esto se
justifica el uso de la pulpa y cascarilla de café para su industrialización y por ende su
comercialización.
6. En base a que el gobierno central viene promoviendo programas de mejora y seguimiento
de productos elaborados en el VRAEM, por poner un claro ejemplo la institución
DEVIDA, con el plan VRAEM 2021, el cual está dirigido a reforzar el cultivo y derivados
tanto del café y cacao, con el fin de reemplazar al cultivo de la coca. Bajo este panorama
103
se recomienda proponer de manera conjunta con las asociaciones y cooperativas
cafetaleras proyectos que desarrollen subproductos innovadores y que ofrezcan mayor
rentabilidad.
104
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107
ANEXOS
108
TITULO: PARÁMETROS ÓPTIMOS EN LA EXTRACCIÓN DE SÓLIDOS SOLUBLES DE LA CÁSCARA DE CAFÉ (Coffea) POR LIXIVIACIÓN, PROPUESTA DE VALOR COMERCIAL
COMO EDULCORANTE”
TESISTA: Bach. CARDENAS PALOMINO, JAK CRISTOFER
PREGUNTA OBJETIVOS HIPÓTESIS VARIABLE
INDEPENDIENTES
DIMENSIONES E
INDICADORES
METÓDICA UNIVERSO
POBLACIÓN GENERAL GENERAL GENERAL
¿Cuáles son los parámetros óptimos
de los factores que influyen en la
extracción de sólidos solubles de la
cáscara de café (Coffea) para la
máxima extracción de los sólidos
solubles para generar valor
comercial como edulcorante?
Determinar los parámetros
óptimos de los factores que
influyen en la extracción de
sólidos solubles de la
cáscara de café (Coffea)
para la máxima extracción
del sólido soluble para
generar valor comercial
como edulcorante
Si se conoce los parámetros óptimos
de los factores que influyen en la
operación de lixiviación de la
cáscara de café se podría lograr la
máxima eficiencia de extracción de
los sólidos solubles para generar
valor comercial como edulcorante.
1. Velocidad del
agitador.
2. Temperatura de la
operación.
3. Tiempo de contacto
de las fases.
4. Relación de
alimentación y
disolvente.
5. Precio del extracto
de cáscara de café
Para cada variable
independiente el
indicador es:
• Cantidad y
composición del
extracto (g, %).
• Cantidad y
composición refino
(g, %).
• Sumatoria de los
costos directos para
la obtención del
extracto de cáscara
de café a nivel de
laboratorio (S/.).
Métodos de
investigación
• Descriptivo
• Deductivo
• Inductivo
• Analítico
• Comparativo
Tipo y nivel de
investigación
• Aplicada y explicativo
Diseño de investigación
• Experimental
Unidad de análisis
Cada operación de
lixiviación por factor que
influye en ella.
Técnicas
• Observación
• Ensayos de laboratorio
• Entrevistas
Instrumentos
• Equipo de laboratorio
de extracción sólido-
líquido.
• Equipos de
laboratorio.
• Materiales de
laboratorio.
Población
Cáscaras de café
expuestas en el
CITE Pichari.
Muestra
Representativa
ESPECÍFICAS
a. A mayor velocidad de agitación de
la operación unitaria de lixiviación
de la cáscara de café, mayor sería
la extracción de los sólidos
solubles, pero también mayor sería
el requerimiento de energía
b. A mayor temperatura de la
operación de lixiviación, mayor
sería la extracción de los sólidos
solubles, pero también mayor sería
la degradación del principio activo
c. A más tiempo de contacto entre las
fases sólido – líquido, mayor sería
la extracción de los sólidos
solubles.
d. A una relación adecuada de
alimentación con el disolvente,
mayor sería la extracción de los
sólidos solubles.
e. Si sabemos las cantidades de
materia del refino y extracto con
sus composiciones, se puede
realizar el balance de materia y
determinar el rendimiento de
extracción.
f. A mayor valor comercial del
extracto de los sólidos solubles de
la cáscara de café mayor es la
competitividad comercial en el
mercado.
ESPECÍFICOS
a. Determinar la velocidad
de agitación de la
operación de lixiviación
b. Determinar la
temperatura de la
operación de lixiviación.
c. Determinar el tiempo de
contacto entre las fases
sólido – líquido.
d. Determinar la relación de
alimentación y
disolvente.
e. Determinar el
rendimiento de
extracción de los sólidos
solubles de la cáscara de
café.
f. Determinar el valor
comercial del extracto de
los sólidos solubles de la
cáscara de café a nivel de
laboratorio.
ESPECÍFICAS
a) ¿Cuál es la velocidad de
agitación de la operación de
extracción de sólidos solubles
de la cáscara de café?
b) ¿Cuál es la temperatura de la
operación de extracción de
sólidos solubles de la cáscara de
café?
c) ¿Cuál es el tiempo de contacto
entre las fases sólido – líquido?
d) ¿Cuál es la relación de
alimentación y disolvente?
e) ¿Cuál el rendimiento de
extracción de los sólidos
solubles de la cáscara de café?
f) ¿Cuál el rendimiento de
extracción de los sólidos
solubles de la cáscara de café?
g) ¿Cuál es el valor comercial del
extracto de los sólidos solubles
de la cáscara de café a nivel de laboratorio?
VARIABLE
DEPENDIENTE
INDICADORES
• Rendimiento de
extracción
• Valor comercial
• Porcentaje de
sólidos solubles
extraído (%).
• Precio del extracto
de cáscara de café
(S/.)
Anexo 1 Matriz de consistencia
109
Anexo 2 Cronograma
Fecha de inicio: 05 noviembre de 2019
Fecha de término: 25 febrero de 2020 N D E F
ETAPA I
Identificación del tema y problema
Elaboración de la matriz de consistencia
Planteamiento del problema
Identificación de técnicas e instrumentos
Presentación y aprobación del proyecto de investigación,
por el asesor, a la Dirección de Investigación.
Trámite de la Dirección de Investigación a Vicerrector
Académico para gestión a Consejo Universitario.
Aprobación del proyecto de investigación con Resolución
de Consejo de Universitario.
ETAPA II N D E F
Preparacion y armado del equipo de laboratorio para los
ensayos
Pruebas preliminares
Obtención de las muestras
Pruebas experimentales
Procesamiento de resultados
Análisis y discusión de resultados
Redacción del borrador del informe
Corrección y subsanación de observaciones
Redacción final y corrección de estilo
Presentación del informe final
Sustentación
2019
FORMULACIÓN DEL PROYECTO
EJECUCIÓN DEL PROYECTO
110
Anexo 3: Determinación del porcentaje de humedad
La humedad indica la cantidad de agua presente en la cáscara de café de la Cooperativa
Agraria Cafetalera Industrial Satinaki. El método que se utilizó para ello fue la determinación
de la humedad por estufa, siendo éste por triplicado. El procedimiento y los cálculos
realizados se describen a continuación:
Parte 1:
Masa de la luna de reloj: 96,4439 g 96,3720 g 96,5615 g
Masa de la muestra: 3,0083 g 3,0277 g 3,1618 g
Después de someter la muestra a la estufa, se obtuvo la muestra seca.
Parte 2:
98,9119 g 98,8565 g 99,1593 g
Aquí determinaremos la masa de la muestra seca que consideraremos como M2 ; esto se
realiza mediante una simple operación de resta:
Masa de la muestra seca 98,9119 g – 96,4439 g = 2,4680 g
Masa de la muestra seca 98,8565 g – 96,3720 g = 2,4845 g
Masa de la muestra seca 99,1593 g – 96,5615 g = 2,5978 g
Se realizó el cálculo del porcentaje de humedad o en este caso el porcentaje de disolvente en
la matriz sólida utilizando la siguiente fórmula:
Donde:
100*%1
21
M
MMHumedad
−=
Masa de la luna de reloj
+
Masa de la muestra seca
1
2
3
1
2 3
3 2
1
111
M1 : masa inicial de la muestra en gramos
M2 : masa de la muestra seca en gramos
De esta manera se tiene la siguiente tabla que muestra los cálculos del porcentaje de humedad
de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki.
N° PORCENTAJE DE
HUMEDAD (%)
1 17,96
2 17,94
3 17,83
Promedio 17,91
112
Anexo 4: Procedimiento para elaborar la curva estándar
La espectrofotometría es uno de los métodos de análisis más usados, y se basa en la relación
que existe entre la absorción de luz por parte de un compuesto y su concentración.
Uno de los métodos más utilizados para determinar la concentración de una muestra
problema, es el método de la curva patrón, estándar o de calibración. Esta curva de
calibración es una gráfica que relaciona la concentración de al menos cinco soluciones de
estándar de concentraciones conocidas, con la absorbancia de cada uno de ellos a la longitud
de onda máxima.
La curva patrón o de calibración es un método de química analítica empleado para medir la
concentración de una sustancia en una muestra por comparación con una serie de elementos
de concentración conocida. Se basa en la existencia de una relación en principio lineal entre
un carácter medible (por ejemplo, la absorbancia en los enfoques de espectrofotometría) y la
variable a determinar (la concentración). Para ello, se efectúan diluciones de unas muestras de
contenido conocido y se produce su lectura y el consiguiente establecimiento de una función
matemática que relacione ambas; después, se lee el mismo carácter en la muestra problema y,
mediante la sustitución de la variable independiente de esa función, se obtiene la
concentración de esta. La respuesta de la muestra puede cuantificarse empleando la curva de
calibración, se puede interpolar el dato de la muestra problema hasta encontrar la
concentración del analito.
El procedimiento para los ensayos de laboratorio es el siguiente:
1. Se enciende el espectrofotómetro y se selecciona la longitud de onda de 580 nm (espectro
visible).
2. Se espera al menos 10 minutos para que se estabilice el equipo.
3. Las soluciones se preparan a partir de la solución madre de extracto de la cáscara de café
de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki. Preparar como mínimo 5
diluciones de concentraciones conocidas.
4. La absorbancia (A) se mide en tubos especiales (celdas espectrometrías), adecuados a
cada espectrofotómetro.
5. Con el contenido del tubo blanco (tubo 0, agua destilada) se ajusta la Transmitancia al
100 % (T = 100) o la absorbancia a cero (A = 0), siguiendo las instrucciones del
113
fabricante.
6. Para realizar las medidas se llena el tubo especial del espectrofotómetro hasta 1 cm del
borde. El contenido de los tubos no se tira por la fregadera sino que se devuelven al tubo
original para representar la curva patrón y así después se tirará en el bidón de residuos
preparado a tal efecto.
7. Realizar las medidas comenzando por el tubo de menor concentración y terminando con
el de mayor concentración. Los valores de la absorbancia se van apuntando en una tabla.
8. Calcular las concentraciones de sólidos solubles la cáscara de café de la Cooperativa
Agraria Cafetalera Industrial Satinaki en cada tubo y añadir ese dato a la tabla respectiva.
9. Representar en un gráfico los datos de absorbancia frente a la concentración de sólidos
solubles de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki.
Para esta investigación es necesario definir lo siguiente:
La absorbancia es cuando un haz de luz incide sobre un cuerpo traslúcido, una parte de esta
luz es absorbida por el cuerpo, y el haz de luz restante atraviesa dicho cuerpo. A mayor
cantidad de luz absorbida, mayor será la absorbancia del cuerpo, y menor cantidad de luz será
transmitida por dicho cuerpo. Como se ve, la absorbancia y la Transmitancia son dos aspectos
del mismo fenómeno. La absorbancia, a una determinada longitud de onda, se define como:
𝐴𝜆 = −𝑙𝑜𝑔𝑇
Para determinar la curva estándar para los ensayos de laboratorio a realizar se utilizó el
espectrofotómetro con una longitud de onda de 580 nm.
La región visible y ultravioleta del espectro electromagnético se extiende de unos 190 a 1100
nm y es la región espectral más utilizada en análisis químico cuantitativo. Los instrumentos
utilizados son comunes, la luz visible está constituida por aquellas ondas, cuya longitud en el
vacío está comprendida entre 380 a 1100 nm
Cabe mencionar que de acuerdo a la ley de Lambert-Beer, la relación de la Transmitancia con
la concentración es logarítmica y la absorbancia está relacionada linealmente con la
concentración de la especie absorbente tal como se muestra a continuación.
114
Para este trabajo de investigación se hizo lecturas de absorbancia del extracto de la operación
de lixiviación de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki.
Por lo tanto, se describió una línea recta al graficar la absorbancia con la concentración.
115
Anexo 5: Constancia de procedencia de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria
Cafetalera Industrial Satinaki.
116
Anexo 6: Procedimiento para elaborar la curva de equilibrio sólido - líquido
Para este trabajo de investigación se utilizó el diagrama de lixiviación representado en un
triángulo rectángulo.
La parte experimental, consiste en determinar la curva de equilibrio para el sistema ternario en
la operación de lixiviación de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera
Industrial Satinaki y el disolvente agua, cuyo procedimiento es el siguiente:
1. Se toman 200 g de partículas de la cáscara de café de la Cooperativa Agraria cafetalera
Industrial Satinaki y cantidades crecientes de disolvente: 400, 500, 600, 700, 800, 900,
1000, 2000 y 4000 g de agua.
2. Se dejan en contacto durante un tiempo de 15 min con agitación.
3. Pasado este tiempo, se filtra a gravedad el contenido del recipiente (olla) durante 15 min,
obteniéndose por una parte el extracto y por otra el residuo.
4. En el extracto se determinan la composición de los sólidos solubles por el método de
espectrofotometría y gravimétrico.
5. En el refinado se tiene el inerte y solución retenida que tiene la misma concentración que
el extracto. Por evaporación en la estufa a 100 º C de una muestra exactamente pesada,
podremos determinar el disolvente contenido en la muestra y por diferencia la cantidad de
inerte.
Análisis de solución retenida:
Solución retenida constante
Es una forma de representación bastante general y de evaluación rápida de los sólidos
residuales para la construcción de diagramas de lixiviación. Consiste en representar el
diagrama de lixiviación bajo una relación de SOLUCIÓN RETENIDA por unidad de
INSOLUBLES del tipo constante: k = constante.
En la figura siguiente se muestra que la línea de enlace o unión entre un extracto líquido
cualquiera y su correspondiente sólido residual siempre será una línea recta cuya proyección
siempre pasa por el punto de origen.
117
Cada vértice representa un compuesto puro, que puede ser:
A : sólidos solubles
D : disolvente líquido utilizado en la lixiviación
I : insolubles
Para trazar la línea de corriente de residuos en el triángulo, se determina el punto de
intersección con los catetos del triángulo rectángulo, denominado como el punto de
intersección: Xp, cuyo cálculo en función de la solución retenida es:
𝐾 =𝑆𝑅
𝐼=
𝑚𝐴 + 𝑚𝐷
𝑚𝐼= 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
𝐾 =(9,2307 + 15,6193)
17,4300= 1,4257
118
𝑋𝑝 =𝑘
1 + 𝑘
𝑋𝑝 = 0,5877
Donde:
SR : solución retenida
I : insolubles
mA : masa de solubles
mD : masa de disolvente
Muchos casos de lixiviación se pueden aproximar bastante bien al caso de solución retenida
constante, que también puede obtenerse como un valor medio de diversos valores
experimentales evaluados en el residuo sólido bajo las condiciones de lixiviación, siempre
que estos valores tengan una baja dispersión entre sí, tal como es el caso en la operación de
lixiviación la cáscara de café de la Cooperativa Agraria Cafetalera Industrial Satinaki y el
disolvente agua.
119
Anexo 7: Determinación de la máxima extracción por el método de gradientes y
búsqueda de la sección dorada
El método de gradientes y búsqueda de la sección dorada pertenece a los métodos de
búsqueda lineal basados en intervalos, para la optimización de procesos. Por lo tanto, según
las características y la aplicación de este método se determinó que es el más adecuado para
este trabajo de investigación. La idea de este método de búsqueda directa es identificar el
intervalo de incertidumbre que comprenda al punto de solución óptima. El procedimiento
localiza el óptimo estrechando en forma progresiva el intervalo de incertidumbre hasta
cualquier grado de exactitud que se desee. El procedimiento es el siguiente:
1. Una vez realizada la curva respectiva, se determina las ecuaciones de los intervalos de las
líneas en el punto de modificación de pendiente.
2. Determinar y graficar la ecuación de la recta tangente a la curva en las respectivas
secciones.
𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑡𝑎 ∶ 𝑦 = 𝑚 (𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒) ∗ 𝑥 − 𝑏(𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜)
120
𝑅𝑒𝑐𝑡𝑎 1 ∶ 𝑦 = 0,8302 ∗ 𝑥 + 16,615
𝑅𝑒𝑐𝑡𝑎 2 ∶ 𝑦 = 0,3249 ∗ 𝑥 + 21,313
Se grafica las rectas tangentes hasta que se intercepten tal como se muestra en la figura
anterior.
3. Se determina la sección dorada, para ello se determina la ecuación de la recta bisectriz. Se
procede a graficar en la figura respectiva.
Para obtener esta figura se emplean las siguientes ecuaciones:
Sean las rectas:
𝐿1: 𝐴1𝑥 + 𝐵1𝑦 + 𝐶1 = 0 𝐿2: 𝐴2𝑥 + 𝐵2𝑦 + 𝐶2 = 0
Las bisectrices de los ángulos suplementarios formados por L1 y L2 al intersectarse esta
dado por:
121
|𝐴1𝑥 + 𝐵1𝑦 + 𝐶1|
√𝐴12 + 𝐵1
2
=|𝐴2𝑥 + 𝐵2𝑦 + 𝐶2|
√𝐴22 + 𝐵2
2
4. De la intersección entre la recta de bisección y la curva, proyectar una recta perpendicular
al eje “X” y una recta horizontal intercepte con el eje “Y”.
5. Efectuar las lecturas respectivas en los respectivos ejes, que para este caso nos
proporciona el tiempo y el rendimiento respectivamente, que corresponde al valor
máximo.
122
Anexo 8: Galería de fotos
Fotografía 1: Muestra de cáscara de café empleada en la investigación
123
Fotografía 2: Medición de diámetro y altura de las muestras de cáscara de café para
determinar el tamaño de partícula promedio
Fotografía 3: Pesado de las muestras de cáscara de café para cada ensayo de laboratorio
124
Fotografía 4: Sistema termostato – agitación utilizado en los ensayos
Fotografía 5: Determinación de la humedad de la cáscara de café empleando una estufa
125
Fotografía 6: Efecto del tiempo de contacto en la extracción
Fotografía 7: Filtrado para obtener los extractos correspondientes
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