Extracción de Vitamina E a partir de Salvado de Arroz1

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Tecnología Aplicada
Extracción de
Vitamina E
a partir de
Salvado de Arroz
1
l resultado del proceso contemplado en el proyecto industrial aquí descripto es un concentrado de
vitamina E natural, cuyo principio activo está compuesto por tocoferoles y tocotrienoles, con una
pureza del 30%. Es una propuesta totalmente innovadora, un producto con características y propiedades que ningún otro de origen nacional ofrece actualmente. La inexistencia de datos oficiales acerca
de la producción, consumo e importación de vitamina E dificulta enormemente la tarea de elaborar
un estudio de mercado confiable
a fin de posicionar adecuada300 productos que contienen viInt rod ucc ión y Obj et ivos
mente el nuevo producto. Debitamina E en sus formulaciones,
do a la magnitud del proyecto,
La principal motivación para
y más de 80 empresas que la
en el primer tramo de vida de
elaborar este proyecto fue que,
utilizan como materia prima.
la empresa se planifica su venta
si bien la vitamina E es la terceComo objetivo general, en prien el ámbito nacional, con la
ra más utilizada en la formulamera instancia se pretendió diposibilidad de insertarlo a largo
ción de productos cosméticos,
señar un proceso productivo que
plazo en el exterior. El mercado
farmacológicos y alimenticios,
permitiera obtener un concenal cual se apunta son los tres
sólo existen siete empresas en el
trado de esta vitamina a partir
grupos de industrias que utilizan
mundo que la producen en su
de una fuente natural. Luego, a
la vitamina E como materia
forma natural y apenas una de
fin de lograr una conveniente inprima: la estructura de consumo
ellas está radicada en Latinoserción del producto en el merse distribuye en un 53% para la
américa.
En
el
mercado
argenticado, se consideró que el mismo
farmacéutica, 43% para la cosméno hay actualmente cerca de
debía cumplir con las especificatica y 4% para la alimentaria.
E
Autor:
Ing. Melisa Paola Bertero
mbertero@fiq.unl.edu.ar
1
El trabajo cuya síntesis presentamos aquí obtuvo el Primer Premio en el Concurso
Pre Ingeniería 2007/8 organizado por el Centro Argentino de Ingenieros. Puede leerse
íntegramente en: http://www.edutecne.utn.edu.ar/PPI-CAI/ppi-cai.htm
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El 60% de la Vit E está bajo
la forma de tocotrienoles
manera que fuese factible su
aplicación a nivel industrial y
económicamente viable.
E l e c ci ó n d e l a ma t e r i a
pri ma
Para elegir la materia prima se
Figura 1. Contenido de Vitamina E en los aceites (ppm)
analizaron cuatro posibilidades:
la soja, el girasol, la palma y el
salvado de arroz, teniendo en
cuenta que sus aceites presentan la mayor cantidad de vitamina E con respecto a los de otros
frutos y granos (ver Figura 1).
Todos exhiben valores similares,
que rondan entre los 800-1000
ppm, pero al analizar la proporción de tocotrienoles se ve claramente que los aceites de soja y
girasol no son buenas fuentes,
ya que en ellos la vitamina se
presenta únicamente bajo la forma de tocoferoles.
Figura 2. Evolución de la molienda de arroz en Argentina
Si bien el aceite de palma posee una mayor proporción de to-
ciones de la industria alimenticia, cosmética y farmacéutica
(con una concentración mínima
del principio activo del 30%).
En la naturaleza, la vitamina E
se encuentra bajo la forma de
tocoferoles y tocotrienoles. Estos
últimos compuestos, a pesar de
las mínimas diferencias estructurales con sus pares, han demostrado ser más beneficiosos para
la salud en ciertos tratamientos
y en la prevención de enfermedades tales como la arteriosclerosis, el cáncer de mama y las
enfermedades neurodegenerativas (Alzheimer y Parkinson). Por
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esta razón, se intentó desarrollar
un producto que se diferenciara
en el mercado por presentar una
relación de tocotrienoles/ tocoferoles mayor que uno. Otro de los
objetivos fue utilizar una tecnología no contaminante en el proceso productivo, dado que las
exigencias son cada vez mayores en este aspecto y mundialmente ya no sólo se valorizan
los productos que provienen de
fuentes naturales, sino aquellos
que además son elaborados con
tecnologías amigables con el
ambiente. Finalmente, el desarrollo del proyecto se realizó de
cotrienoles, este fruto no es de
producción nacional y debe importarse desde países centroamericanos. Esto hace inapropiada su utilización como materia
prima, dado que el aceite se deteriora si no se lo extrae rápidamente del fruto.
El salvado de arroz, en cambio, es un subproducto de la molienda del arroz —cultivo ampliamente desarrollado en la Región
Mesopotámica— y posee el 60%
de la vitamina E bajo la forma
de tocotrienoles. Representa asimismo el 8% de los productos
de la molienda.
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S i t u a ci ó n ac tu al d e l a
in du st r i a a r r o c e r a
Considerando que el salvado
de arroz es una materia prima
adecuada para elaborar el concentrado vitamínico, se analiza a
continuación el efecto que
tendría sobre la producción de
arroz en Argentina, el hecho de
imprimir valor agregado a un
subproducto de la molienda.
La Figura 2 muestra la evolución de la molienda argentina de
arroz en los últimos 14 años. El
64% de la capacidad instalada
se encuentra en Entre Ríos y el
27% en Corrientes. Al momento
de la elaboración de este proyecto (año 2006) se registraban
87 molinos en actividad: 50 en
Entre Ríos, 28 en Corrientes y 9
en otras provincias.
Si bien en la Argentina el arroz
no ocupa un lugar de gran relevancia al compararlo con otros
cereales y granos oleaginosos, su
importancia radica en que es un
producto exportable a mercados
cercanos. La actividad arrocera
registró un crecimiento importante desde la integración del MERCOSUR, cuando Brasil se constituyó en el principal demandante
del arroz argentino. Pero también
ocurrieron circunstancias que deprimieron los ingresos de los productores y exportadores locales:
el hecho más influyente fue la
modificación de la política cambiaria de Brasil en enero de 1999,
que impactó en las condiciones
de competitividad dentro del bloque. La industria también se vio
alterada y desde ese momento
las exportaciones a Brasil fueron
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de arroz sin ningún tipo de proceso industrial. El nivel de ocupación de la actividad fue afectado
con fuertes procesos de ajuste y
cierre de plantas industriales en
toda la región litoral argentina.
El resultado de todo esto fue la
pérdida de competitividad a nivel
regional e internacional experimentada a fines del año 2000. No
obstante, esta situación comenzó
a revertirse a partir de la devaluación del peso en enero de 2002, y
el nuevo escenario constituyó un
punto de inflexión que cambió la
tendencia declinante de los años
anteriores. Entre las ventajas de
la producción arrocera argentina
se encuentran el tipo de cambio
favorable, un adecuado nivel de
tecnología en las plantaciones y la
estabilidad en los rendimientos
superiores a las 5 toneladas, que
es el estándar internacional.
Un fenómeno que importa destacar —porque condiciona el presente y el futuro de la expansión
arrocera— es el avance de la
soja, que le restó mucha superficie al arroz. En 1998/99 por
cada hectárea sembrada con
arroz se cultivaban dos de soja,
mientras que en 2003/04 por
cada hectárea de arroz se implantaron 19,2 de soja. Frente a
este panorama, es posible considerar que el hecho de imprimir
valor agregado a un subproducto
de la molienda puede contribuir
como incentivo para estimular la
producción de arroz.
L ocal iz aci ón del
e s ta b l e ci m i e n t o f ab r i l
Para determinar la ubicación
del establecimiento fabril se con-
Figura 3.
Ubicación del establecimiento
fabril para la producción de
Vitamina E natural y Vista
Isométrica del mismo
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Tecnología Aplicada
sideraron dos factores principales: por un lado, dado que el
transporte del salvado es mucho
más voluminoso que el de la vitamina, conviene instalarse cerca de los molinos proveedores; y
por el otro, como el 98% del
mercado para la vitamina E se
encuentra concentrado en la
provincia de Buenos Aires, es
aconsejabe radicarse en las cercanías de dicho distrito.
La provincia de Entre Ríos reúne ambas condiciones, y mediante el sistema de factores
ponderados, se determinó que la
ciudad de Concepción del Uruguay es la más propicia. Es
además un punto estratégico
para ingresar al MERCOSUR, ya
que se encuentra en el límite
con Uruguay y cerca de Brasil
(ver Figura 3).
Recepción y almacenamiento del salvado de arroz
con los lípidos (alojados en la
capa de aleurona), favoreciendo
En el salvado de arroz están
el enranciamiento de los últimos.
presentes ciertas lipasas, enzi-
Por los motivos expuestos, la
mas que comúnmente catalizan
materia prima no puede almace-
la destrucción de los enlaces és-
narse manejando un stock de
teres de los triglicéridos. Pero
seguridad, sino que debe ser
recientemente se ha identificado
procesada lo más rápidamente
en este subproducto un tipo de
posible una vez salida del moli-
lipasa capaz de hidrolizar fosfolí-
no.
pidos. La misma es térmicamen-
En cuanto a las condiciones de
te estable, con un máximo de
almacenamiento, los factores a
actividad a 80°C.
tener en cuenta son temperatu-
El aceite de salvado de arroz
ra, humedad y tiempo. Estos
se deteriora con rapidez una vez
parámetros son los limitantes
separado el salvado del resto del
del desarrollo de microorganis-
grano. Esto se debe a que el
mos, insectos y roedores que
procesamiento abrasivo de la
contribuyen al deterioro del sal-
molienda favorece el contacto de
vado de arroz, y consecuente-
las lipasas (alojadas en la testa)
mente del principio activo que
313.15 K
supercrítico
líquido
303.15 K
(isoterma crítica)
Punto crítico
punto
triple
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333.15 K
343.15 K
gas
temperatura, ºC
P [Mpa]
Figura 4 (a). Diagrama de fases para el dióxido de carbono (b) Densidad del dióxido
de carbono en la zona del punto crítico
Condiciones de operación
Solvente
Temperatura
CO2
80ºC
Presión
25 MPa
Tiempo
2h
Recuperación
del aceite
Recuperación
de Vit. E
Figura 5. Extracción del aceite de salvado de arroz
44
323.15 K
304.2 K
punto crítico
sólido
El proceso propuesto para extraer la vitamina E del salvado
de arroz puede resumirse en siete etapas:
• Recepción y almacenamiento
del salvado de arroz.
• Secado del salvado de arroz.
• Extracción del aceite de salvado de arroz.
• Desodorización del aceite de
salvado de arroz.
• Esterificación del destilado
de desodorización.
• Fraccionamiento del destilado esterificado.
• Envasado del concentrado de
vitamina E.
p [Kg/m3]
presión, MPa
Pro ces o innovado r
propu esto
308.15 K
90%
70%
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desea extraerse. Las condicio-
vente, la posibilidad de modifi-
de Vitamina E menor que el 1%,
nes ambientales adecuadas de
carla mediante ajustes de pre-
es necesario incorporar alguna
almacenamiento dentro de los
sión y temperatura hace que es-
operación que permita elevar tal
silos son una temperatura de
tos solventes sean altamente se-
valor por lo menos hasta un 5%.
10ºC y 70% de humedad relati-
lectivos. La Figura 4 muestra el
Esto permite asegurar que con el
va.
diagrama de fases para el dióxi-
fraccionamiento posterior se lo-
do de carbono y la importante
grará concentrar la Vitamina E
Extracción del aceite
variación de su densidad en cer-
hasta el 30% (valor especifica-
La principal característica de
canías del punto crítico.
do).
este proyecto es su carácter in-
En la Figura 5 se esquematiza
La etapa intermedia agregada
novador tanto en el producto fi-
el funcionamiento del proceso de
es la desodorización del aceite.
nal que se obtiene, como en la
extracción del aceite. Una bom-
Trabajando bajo ciertas condi-
tecnología empleada en el pro-
ba de membrana succiona dióxi-
ciones de operación, se logra
ceso de producción: el aceite se
do de carbono de un tanque
arrastrar en el destilado todos
extrae del salvado utilizando dió-
pulmón y lo comprime hasta al-
los compuestos volátiles del mis-
xido de carbono supercrítico
canzar la presión de extracción
mo: ácidos grasos libres (AGL),
como solvente.
buscada. Luego, un intercambia-
tocoferoles y tocotrienoles, y
La extracción de compuestos
dor de calor (IC1) eleva la tem-
otros fosfolípidos.
mediante el uso de tecnología
peratura hasta el valor deseado.
La desodorización es una eta-
supercrítica se basa en la parti-
El dióxido de carbono ingresa a
pa típica del refinado de aceites
cular capacidad de solvencia
la celda de extracción, en donde
comestibles, en la que se trata
que presenta el dióxido de car-
se encuentra alojada la materia
de eliminar los compuestos que
bono cuando se encuentra por
prima. El solvente retiene los
otorgan sabor y olor desagrada-
encima de su punto crítico. La
componentes de interés, y la
ble, evitando al mismo tiempo la
región supercrítica, a diferencia
mezcla soluto-solvente se des-
pérdida de componentes de alto
de todas las otras regiones mo-
comprime adiabáticamente en
valor nutritivo. Como lo que aquí
nofásicas, no está delimitada
una válvula reguladora de pre-
se pretende es concentrar toda
por curvas de equilibrio bifásico;
sión (VRP), y por el efecto Joule-
la vitamina en el destilado, se
el pasaje de fluido supercrítico a
Thompson su temperatura dis-
aplican las condiciones más
líquido o gas, o viceversa, no in-
minuye, lográndose así la evapo-
drásticas de operación, precisa-
volucra la cesión o absorción de
ración parcial del solvente.
mente aquellas que no se utili-
energía bajo la forma de calor
latente.
La evaporación se completa en
el separador, desde donde se re-
Un fluido supercrítico exhibe
cupera el aceite. Por último, el
propiedades fisicoquímicas inter-
solvente se enfría en el IC2 para
medias entre los líquidos y los
lograr condensarlo y succionarlo
zan en el refinado (ver Figura
6).
Esterificación del destilado
de desodorización
gases. La transferencia de masa
nuevamente al circuito. Se debe
Dado que los tres grupos com-
es rápida y sus viscosidades
destacar que la reutilización del
ponentes del destilado presentan
dinámicas y difusividades son si-
solvente no requiere ninguna
solubilidades semejantes en dió-
milares a las de los gases, mien-
operación auxiliar.
xido de carbono supercrítico, es
necesario modificar esta propie-
tras que poseen densidades semejantes a las de los líquidos.
Dado que la densidad del flui-
Desodorización del aceite
de salvado de arroz
dad si se desea lograr un buen
fraccionamiento. De esta forma,
do supercrítico está directamen-
Luego de la extracción, y como
la segunda operación unitaria
te relacionada con su poder sol-
el aceite tiene una concentración
agregada al proceso es la esteri-
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Tecnología Aplicada
ficación de los ácidos grasos libres (AGL). Con ello se consigue
Fraccionamiento del destilado esterificado
diferenciar notablemente la solu-
La última operación del proce-
bilidad de los compuestos esteri-
so es el fraccionamiento del des-
ficados respecto de los demás
tilado esterificado. En esta etapa
grupos presentes en la corriente.
se utiliza, nuevamente, tecno-
En la Figura 6 se presentan las
logía supercrítica. Entonces, el
condiciones de operación para la
funcionamiento y los equipos
esterificación.
empleados son similares a los
Condiciones de operación
- Desodorización Medio de
arrastre
Temperatura
Vapor de agua
300ºC
Presión
5-6 mmHg
Tiempo
2h
Recuperación
de Vit. E
Condiciones de operación
- Esterificación -
95%
Reactivo
Tipo de
catalizador
Temperatura
Tiempo
Conversión de
AGLE
Etanol
Homogéneo
65-70ºC
2h
94%
Figura 6. Desodorización del aceite y esterificación del destilado
Condiciones de operación
Solvente
CO2
Condiciones (I)r
45ºC, 13.6 MPa
Condiciones (II)
80ºC, 20 MPa
Tiempo
Concentración
AGE (I)
Concentración
AGE (II)
3h
10%
5%
correspondientes a la extracción
del aceite, con la salvedad de
que se utiliza una columna empacada en reemplazo del extractor.
El fundamento de la separación es la diferencia en las solubilidades que exhiben los grupos
de compuestos presentes en la
corriente de alimentación. En
cuanto a esto, la presión y la
temperatura de operación tienen
una marcada influencia sobre la
eficiencia de separación. Si se
trabaja con bajas presiones, la
solubilidad de los triglicéridos y
los fitosteroles es baja, de manera que se concentran en el residuo que queda en la columna,
mientras que los ácidos grasos
esterificados son eliminados en
el extracto debido a su elevada
solubilidad en CO2 supercrítico a
esos niveles de presión. Asimismo, al aumentar la temperatura
se incrementa la volatilidad de
los ácidos grasos esterificados.
De esta forma, puede obtenerse
un residuo de columna altamente concentrado en Vitamina E.
El fraccionamiento se realiza
en dos etapas, cuyas condiciones de operación se especifican
en la Figura 7. La concentración
de AGLE (Ácidos Grasos Libres
Esterificados) en el residuo de
columna se reduce al 5% luego
de la segunda etapa.
P r o duc t o y su bp r o d uct o s
Figura 7. Fraccionamiento del destilado esterificado
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El producto principal del proceso es el concentrado de Vitamina
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tanto el ácido fítico como la fi-
Vitamina E
E, el cual surge de la etapa final
del fraccionamiento. Como puede verse en la Figura 8, de ésta
se obtienen dos corrientes de
composición prácticamente
opuesta: por un lado el extracto,
que posee mayoría de AGLE
(57%), y por el otro el residuo
de columna, que tiene la concentración deseada de vitamina
E (30%). El producto final contiene además otros fitosteroles
(tales como campestrol, stig-
Fitosteroles
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AGLE
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bra. Es además de baja alergenicidad, por lo que puede ser un
excelente aditivo para aumentar
el valor nutritivo de algunos alimentos, especialmente los destinados a la población infantil o
dietas hipoproteicas.
El aceite de arroz desodorizado
tiene uso culinario, aunque su
Figura 8. Composición de las corrientes
de salida del fraccionamiento
calidad es inferior a los estándares ofrecidos en el mercado, de-
costos reducidos en compa-
bido a las drásticas condiciones
ración con otros procesos
masterol, orizanol) que le confieren una mayor diferenciación en
el mercado, dado que también
han demostrado ser beneficiosos
para la salud.
De todas las etapas del proceso se obtienen subproductos
que tienen valor comercial
agregado. El salvado de arroz
de bajo contenido lipídico obtenido en la etapa de extracción
de operación que se aplican con
para la producción de Vita-
el fin de arrastrar la mayoría de
mina E.
del aceite puede utilizarse como
alimento para animales poligástricos (rumiantes), pero a
partir de este subproducto también es posible obtener otros de
tipo más especializado, tales
como un concentrado proteico y
fibra dietaria para consumo humano. El salvado desgrasado
tiene un alto contenido de proteína (15 al 20%), a partir de la
cual, mediante una extracción
alcalina, se puede obtener un
concentrado proteico de hasta
el 60%. Esta proteína tiene un
alto valor biológico para el consumo humano, por su perfil de
aminoácidos esenciales —principalmente su contenido de lisina— y porque se han eliminado
Finalmente, el extracto del
supercrítica es ampliamente
fraccionamiento encuentra una
estudiada, aún no se aplica a
aplicación como materia prima
nivel industrial, al menos en
los fitosteroles en el destilado.
• El proyecto abarca sólo un
Además, este aceite encuentra
módico porcentaje de la pro-
una excelente aplicación en la
ducción nacional de salvado
industria jabonera y posee una
de arroz (2%), a fin de ase-
cera de muy buena calidad que
gurar una provisión de mate-
puede utilizarse para fabricar
ria prima en cantidad y cali-
emulsionantes y encáusticos, y
para recubrir frutas y verduras
frescas.
para fabricar biodiésel.
dad suficientes.
• Tecnología de punta en el
proceso. Si bien la tecnología
Argentina.
• Industria integrada hacia
atrás con los molinos arroce-
An á lis is F ODA
El siguiente análisis presenta
ros.
OPORTUNIDADES
las fortalezas, oportunidades,
• Único producto nacional en
debilidades y amenazas para el
su tipo. La mayoría de la vi-
proyecto industrial planteado.
tamina E disponible en el
mercado argentino es impor-
FORTALEZAS
tada, y la forma comercial
• Reducidos costos en las ma-
más ampliamente utilizada
terias primas. Tanto el salva-
es sintética (beta-acetato de
do de arroz como el solvente
tocoferilo).
utilizado en el proceso de
• Mercado en constante creci-
extracción y fraccionamiento
miento. A fines de la déca-
(dióxido de carbono) tienen
da de los `90, la producción
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Tecnología Aplicada
mundial
de
vitamina
E
sintética y natural alcanzó
las 22.000 Tn y ha seguido
creciendo a causa del aumento de la demanda. Estudios realizados en América Latina muestran que la
Vitamina E es la tercera
similares de prestigiosa trayectoria. A nivel mundial,
unas pocas empresas abarcan gran parte del mercado;
y una de las formas sintéticas de la Vitamina E (betaacetato de tocoferilo) está
ampliamente instalada.
más utilizada de todas las
vitaminas existentes en el
mercado.
• Cambio de hábito de la población hacia lo natural. El
ritmo de vida vertiginoso al
que estamos habituados actualmente, sumado al gran
caudal de información disponible con respecto a los
beneficios de los productos
naturales sobre la salud,
llevan a la población a preferirlos frente a los sintéticos.
• Diseño versátil de la planta
industrial. Con este sustento
en el desarrollo del proyecto,
la adaptación a otro tipo de
materia prima no representa
un riesgo de vida para la
empresa.
DEBILIDADES
• Elevada inversión inicial. Más
del 50% de la inversión inicial corresponde a equipamientos. La aplicación de
tecnología supercrítica requiere alcanzar presiones
muy altas, hecho que se refleja en el costo de los equipos necesarios para la operación.
AMENAZAS
• Competencia de productos
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C oncl us iones
De acuerdo a los datos recopilados y obtenidos del análisis
económico y de la evaluación
económica del proyecto, se
puede concluir que el mismo es
sumamente rentable en un
período de 10 años. Si bien hay
que invertir una considerable
suma inicial de dinero e ingresar en un mercado fuertemente
marcado por productos y empresas productoras de origen
extranjero con asentada trayectoria, a partir del tercer año
—de acuerdo a las proyecciones
de ventas estimadas— se recupera la inversión y, en consecuencia, la empresa comienza a
percibir ganancias.
Se determinó un amplio mercado potencial del cual se pretende cubrir sólo una pequeña
fracción a fin de asegurar, en
cierta medida, que se puedan
lograr los pronósticos hechos
sobre las ventas. En la parte
técnica es para destacar que la
tecnología utilizada es compleja
pero de fácil aplicación, por lo
que tampoco representa un
obstáculo sino más bien un aliciente para la realización física
del proyecto. El proceso es
amigable con el ambiente, ge-
nerando sólo una pequeña cantidad de efluentes. La extracción del aceite y el fraccionamiento utilizan un solvente que
no es inflamable ni tóxico, es
inerte y no corrosivo, además
de ser muy barato y poseer
muy buena afinidad con los
compuestos lipofílicos.
El hecho de que el producto final tenga una relación de tocotrienoles/tocoferoles de 1.5, sumado a la presencia de otros fitosteroles de origen natural
además de la Vitamina E, le confieren una excelente particularidad respecto de productos similares disponibles comercialmente.
*
Acerca de la autora
Melisa Paola Bertero es
Ingeniera
Química graduada en la
Facultad Regional San
Francisco de
la Universidad Tecnológica Nacional (2007), y actualmente cursa el Doctorado en Ingeniería Química en la Universidad
Nacional del Litoral, becada por el
CONICET. Además de haber obtenido el Premio Pre Ingeniería
2007/8 (Centro Argentino de Ingenieros) por el proyecto descripto
en este artículo, obtuvo reconocimientos tales como "Mejor promedio de su promoción” (Colegio de
Ingenieros Especialistas de Córdoba, 2008), “Mejor Promedio XIX
Colación de Grado” (FAGDUT,
UTN Facultad Regional San Francisco, 2008) y el Premio estudiantil
al mejor promedio de la carrera de
Ingeniería Química (Gobierno de
la Provincia de Córdoba, 2005).