Diseño de un proceso de producción de ácido cítrico a partir de lactosuero para la síntesis de hidrogeles

Abstract

En Perú, uno de los mayores problemas es la gestión del agua: más del 50% de la población costera depende solo del 2% del abastecimiento disponible. Esta escasez provoca la pérdida de miles de hectáreas agrícolas por falta de riego. Paralelamente, el 45% del lactosuero total producido, subproducto de la industria quesera, se desecha, ocasionando contaminación de suelos y ríos. Como alternativa, se propone aplicar hidrogeles biodegradables en suelos agrícolas para disminuir el estrés hídrico durante periodos de sequía. La tesis plantea el diseño de un proceso para producir hidrogeles de almidón reticulados con ácido cítrico obtenido por fermentación sumergida por lotes de lactosuero con Aspergillus niger. El ácido cítrico se recupera mediante precipitación química con hidróxido de calcio y ácido sulfúrico, seguido de la síntesis del hidrogel de almidón. Se definen además el secuenciamiento de tareas, los índices de rentabilidad y el análisis de seguridad del proceso. El diseño considera el procesamiento de 29,244.94 m de lactosuero, alcanzando 3 una producción de 13,000 toneladas de hidrogeles en 325 lotes por año. El producto presenta una capacidad de hinchazón de 200 g de agua por g de hidrogel en un rango de pH de 6 a 10. El rendimiento global del proceso es de 37%. Los índices de rentabilidad estimados incluyen un VAN de 51.10 M$ y una TIR de 26.37% con un precio de venta fijado en 7.30 $/kg de producto, lo que le otorga viabilidad técnica y económica al proyecto.

In Peru, one of the major challenges is water management: more than 50% of the coastal population depends on only 2% of the available water supply. This scarcity leads to the loss of thousands of hectares of farmland due to insufficient irrigation. In parallel, 45% of the total whey produced— a byproduct of the cheese industry— is discarded, causing soil and river pollution. As an alternative, the use of biodegradable hydrogels in agricultural soils is proposed to reduce water stress during drought periods. This thesis presents the design of a process to produce starch hydrogels cross-linked with citric acid obtained from batch submerged fermentation of whey using Aspergillus niger. The citric acid is recovered by chemical precipitation with calcium hydroxide and sulfuric acid, followed by the synthesis of a starch-based hydrogel. The project also defines task sequencing, economic profitability indicators, and process safety analysis. The design considers processing 29,244.94 m3 of whey, achieving a production of 13,000 tons of hydrogels in 325 batches per year. The final product exhibits a swelling capacity of 200 g of water per gram of hydrogel within a pH range of 6 to 10. The overall process yield is 37%. The estimated profitability indicators include a Net Present Value (NPV) of 51.10 MUSD and an Internal Rate of Return (IRR) of 26.37%, with a selling price of 7.30 USD/kg of product, which demonstrates the technical and economic feasibility of the project.