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1 EXTRACCIÓN DE FIBRA CORTA DE ALFA – CELULOSA A PARTIR DE LA BORRA DEL CAFÉ CAMILO ANDRES VEGA RAMIREZ UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA 2004
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1
EXTRACCIÓN DE FIBRA CORTA DE ALFA – CELULOSA A PARTIR DE LA BORRA DEL CAFÉ
CAMILO ANDRES VEGA RAMIREZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
2004
2
EXTRACCIÓN DE FIBRA CORTA DE ALFA – CELULOSA A PARTIR DE LA BORRA DEL CAFÉ
CAMILO ANDRES VEGA RAMIREZ
Tesis para optar al titulo de
Profesional en Ingeniería Química
Asesor:
Felipe Muñoz Giraldo
Ingeniero Químico
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
2004
3
Doctor
CARLOS FRANCISCO RODRÍGUEZ
Director del Departamento de Ingeniería Química
Universidad de los Andes
Ciudad
Apreciado Doctor:
Someto a consideración de usted la tesis titulada EXTRACCIÓN DE FIBRA CORTA DE
ALFA CELULOSA A PARTIR DE LA BORRA DEL CAFÉ, el cual tiene como objetivo
obtener fibra a partir de esta fuente celulósica como el de buscar un valor agregado a este
material ya que hace parte de los desperdicios industriales del proceso de liofilización del
café para la producción de café instantáneo
Considero que el proyecto cumple con los objetivos y lo presento como requisito para optar
al titulo de Profesional en Ingeniería Química.
Cordialmente,
Camilo Andrés Vega Ramírez
Código 199913811
4
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos a:
Todas aquellas personas que desde un principio hicieron posible el desarrollo de este
proyecto; a mi asesor Ing. Felipe Muñoz que sin su ayuda incondicional no hubiese podido
culminar con éxito este proyecto, a las Ingenieras del Departamento de Ambiental de
COLCAFE, Ing. Sandra Villada e Ing. Diana López., quienes me facilitaron la materia prima,
al Técnico laboratorio Ingeniería Química Sr. José María Robles y los técnicos del
laboratorio de Análisis Químico, Jaime, Eder y José, quienes estuvieron hay para ayudarme
cuando lo necesitaba, a mis amigos quienes me apoyaron y estuvieron siempre conmigo y
en especial a mis padres y hermanos, quienes siempre creyeron en mi... a todos Gracias “
5
TABLA DE CONTENIDO
TABLA DE GRAFICOS ..................................................................... 3
JUSTIFICACIÓN ................................................................................4
INTRODUCCIÓN ...............................................................................5
OBJETIVOS .......................................................................................6
1. ANTECEDENTES ........................................................................7
2. METODOLOGÍA SEGUIDA EN LABORATORIO.........................8
2.1.Diseño Experimental...............................................................9
2.2. Obtención y Preparación de la Muestra ..............................10
2.3. Digestión Kraft......................................................................12
2.3.1. Carga del Digestor ...................................................13
2.3.2. Blanqueo...................................................................15
2.3.3. Análisis cuantitativo ..................................................16
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS......................................................16
3.1 Secado y preparación de la muestra.....................................16
3.2. Proceso de cocción ..............................................................18
4. ANÁLSIS ECONÓMICO ...............................................................22
4.1 proyección económica.............................................................24
4.2. Impacto ambiental..................................................................25
5. CONCLUSIONES..........................................................................27
6. RECOMENDACIONES..................................................................30
BIBLIOGRAFÍA....................................................................................31
ANEXO 1..............................................................................................33
(Caracterización de la borra)................................................................33
6
ANEXO 2. ............................................................................................34
(Maquinaria de Extracción)..................................................................34
ANEXO 3. ...........................................................................................36
(Monitoreo secado borra )...................................................................36
ANEXO 4. ...........................................................................................38
(Resultados) .......................................................................................38
ANEXO 5. ...........................................................................................41
(Ficha Técnica de Seguridad del NaOH).............................................41
ANEXO 6. ............................................................................................43
(Estudio Económico).............................................................................43
7
TABLA DE GRÁFICOS
Gráfica 2.1. Montaje Digestor ............................................................................11
Gráfica 3.1. Monitoreo secado borra del café.....................................................15
Gráfica 3.2.1. % Alfa - celulosa vs. Temperatura................................................17
Gráfica 3.2.2. % Alfa - celulosa vs. Tiempo.........................................................18
Gráfica 3.2.3 Extracción de alfa – celulosa..........................................................19
Gráfica 4.1. Índice de costos entre proceso tradicional y la borra .......................21
Gráfica 4.1.1. Principales mercados de pulpas celulósicas ................................22
8
JUSTIFICACION
El propósito de este proyecto es encontrar un valor agregado a productos actualmente
catalogados como desechos industriales, que generalmente terminan su ciclo productivo en
rellenos sanitarios. Este es el caso de la borra del café, desecho industrial generado en el
proceso de producción de café liofilizado (café instantáneo). Busca además generar nuevos
incentivos para una nueva reactivación de la economía cafetera donde casi un 35% de la
población campesina se ve beneficiada y por la cual nuestro país ha sido reconocido
mundialmente.
Por otra parte, éste nace de la necesidad de ayudar a reestablecer el equilibrio existente
entre el hombre y el medio en el que vive, pues debido a sus procesos de desarrollo y de
transformación de los recursos naturales ha causado que dicho equilibrio se pierda
generando con esto un gran impacto dentro de los diferentes ecosistemas existentes en la
tierra que en su gran mayoría se encuentran al borde del exterminio.
9
INTRODUCCIÓN
Estudios realizados por la Federación Nacional de Cafeteros de Colombia mediante el
Centro Nacional de Investigaciones del Café (CENICAFÉ), con sede en Chinchiná – Caldas,
ha podido determinar y encontrar que este desecho industrial contiene gran cantidad de
celulosa (entre un 57% – 70%)1 la cual podría ser utilizada para procesos industriales
importantes como el de la producción de papel y textiles, entre otros. Es por ello, que
investigadores de CENICAFÉ llevaron a cabo un procedimiento para poder realizar la
extracción de la celulosa a partir de la borra del café, el cual fue la base para llevar a cabo
este proyecto.
1 Tomado de la revista CENICAFÉ, publicación Nº3 del año 1997.
10
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
El presente proyecto es realizado con el fin se obtener fibra de alfa–celulosa
a partir de los desechos industriales de la producción de café soluble (borra
de café) a nivel de laboratorio.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
Evaluar las variables del proceso como temperatura y tiempo de residencia
dentro del digestor y determinar aquellas que sean más óptimas para la
extracción de alfa-celulosa a partir de la borra del café.
Evaluar la rentabilidad de la producción de fibra corta de alfa-celulosa a
partir de borra con referencia a procesos similares, mediante proceso de
costeo.
11
1. ANTECEDENTES
En el proceso de obtención de celulosa se conocen estudios realizados por el Centro
Nacional de Investigación del Café (CENICAFE), los cuales revelan que la borra, café
agotado industrialmente, posee alto contenido de celulosa y de fibra, componentes
esenciales en la fabricación de fibras textiles. A continuación se presenta una tabla de
composición del extracto obtenido a partir de la borra2:
Tabla 1.1. Composición Análisis Borra por Cenicafe
Lignina 8.72%
∝ -celulosa 85.75%
Otros 0.44%
El proceso que fue utilizado por dicha entidad en la producción de la ∝-celulosa, se llevó a
nivel de laboratorio. Según esta misma entidad, en Colombia se generan aproximadamente
22.000 toneladas al año, en base seca, de borra de café constituida por compuesto que
pueden tener interés comercial, pero que como tal no tiene un uso específico definido.
Algunas disposiciones que las fábricas le han dado a la borra son: 13% de la producción
como combustible para calderas; 27% en incineración sin uso definido y el 60% restante en
rellenos sanitarios.
2 Revista CENICAFÉ, Centro Nacional de Investigaciones del Café, Chinchiná - Caldas, publicación Nº3 del año 1997.
12
Por otra parte, el contenido de fibras es apreciable (57-71%), el cual puede aprovecharse
para la producción de pulpas celulósicas en la industria del papel o como materia prima en la
elaboración de productos con base celulosa utilizando métodos químicos. Es a partir de allí
que se plantea la elaboración de fibra textil mediante un proceso de regeneración de
celulosa.
2. METODOLOGIA SEGUIDA EN LABORATORIO. EXTRACCION DE FIBRA CORTA A
PARTIR DE LA BORRA DEL CAFÉ.
El proceso de extracción de fibra corta de alfa-celulosa a partir de la borra del café se realizó
gracias a la colaboración de la Federación Nacional de Cafeteros mediante su procesadora
de café liofilizado COLCAFÉ como también con la colaboración de la Universidad de los
Andes.
El proceso de extracción y de determinación cuantitativa del alfa-celulosa se lleva a cabo
principalmente en cuatro (4) pasos que son:
Obtención y Preparación de la Muestra
Digestión
Blanqueo y Secado
Cuantificación de alfa-celulosa extraída
13
2.1. DISEÑO EXPERIMENTAL.
Esta parte de la experimentación es de vital importancia, ya que con ella se puede
determinar la cantidad de experimentaciones que se necesita realizar para obtener el mejor
resultado, además de hacer una primera aproximación al tiempo que se tomará en realizar el
proyecto como la cantidad de insumos que se gastarán en el mismo.
Para poder realizar esta parte de la experimentación es necesario determinar las variables
que se decidirán monitorear y variar a lo largo del mismo, que en nuestro caso y como se
había anunciado dentro de los objetivos específicos de esta propuesta, son la temperatura
de cocción a la cual se va a llevar a cabo la digestión kraft y el tiempo de cocción dentro del
mismo, obteniéndose como resultado 2 variables a monitorear. Una vez determinadas las
variables a controlar, se establecen los niveles a los cuales se quieren llevar estas variables
para su posterior análisis, que en nuestro caso resultó ser solo tres niveles.
Determinadas las variables y los niveles a los cuales se quiere trabajar, se decidió por
diseñar un experimento en el cual se pudiese monitorear y analizar las interacciones
pertinentes entre las distintas variables a los niveles establecidos, lo que determinó, llevar a
cabo un diseño factorial3 de nivel tres (3) con dos (2) variables, obteniéndose con esto un
total de nueve (9) experimentaciones, que resultan de tomar el número de niveles y elevarlas
al número de variables a analizar – 32 -, y las cuales están consignadas en la siguiente tabla:
3 “Diseño y Análisis de Experimentos”; Segunda Edición; Douglas C Montgomery; página 218.
14
Tabla 2.1. Numero De Experimentaciones
Determinado el número de corridas que se llevaran a cabo, se puede dar inicio a las
experimentaciones.
2.2. OBTENCION Y PREPARACION DE LA MUESTRA.
Como se ha mencionado antes, la borra es un subproducto proveniente del procesamiento
del café dentro de la elaboración del café soluble, donde éste es sometido a un secado en
frío que es realizado a altas presiones y el cual es conocido como liofilización. Es por eso
que para poder obtener nuestra materia prima recurrimos a la planta de procesamiento de
café instantáneo de la Federación Nacional de Cafeteros mediante su empresa COLCAFE,
para que nos dieran acceso a nuestra materia prima además de otorgarnos la
caracterización de la misma ( ANEXO 1)
Una vez obtenida la borra fue necesario someterla a un proceso de preparación ya que para
poder realizar la mayor extracción es necesario que el tamaño de partícula esté lo más
Tiempo Temperatura MUESTRA ( Horas) (°C)
1 2 1/2 100 2 3 100 3 3 1/2 100 4 2 1/2 130 5 3 130 6 3 1/2 130 7 2 1/2 150 8 3 150 9 3 1/2 150
15
reducido posible4, casi en forma de polvo, ya que de esta forma facilita la acción de los
agentes digestores y estos pueden llegar de manera mas directa a las fibras, la cuales se
encuentran ligadas una de otras por la acción de la lignina.
La borra era recibida de la planta de COLCAFE con una humedad del 76% y en forma de
grumos compactos y extremadamente grande con lo que se hacia casi imposible poder
obtener un tamaño de partícula optimo para la extracción, es por ello que la borra fue
sometida a un proceso de secado dentro de un horno de convección (ANEXO 2) dentro del
cual se colocaban muestras con un peso se 300 gr. a una temperatura de 105°C, esta es
establecida con el fin de evitar que la borra se degrade o en el peor de los casos se queme
pero que a su vez garantice la extracción del agua presente en la muestra.
Con el fin de determinar el comportamiento de la borra al momento de ser extraída la
humedad presente en ella, se realizó un monitoreo del peso de las mismas mediante la toma
de pequeñas muestras que poseían un peso inicial de 2.5 gr, hasta que este se mantuviese
estable, lo anterior se hizo en periodos de 30 minutos (ANEXO 3).
Una vez secadas las muestras eran pasadas a un proceso de homogenización mediante la
implementación de un mortero, y luego a un proceso de tamizado con la ayuda de un
colador de acero inoxidable que poseía un tamaño de poro de alrededor de 1/16 de pulgada,
con lo que se obtenía un polvo de borra listo para la digestión.
4 Tomado de www.papelnet.cl/celulosa/proceso_01.htm
16
2.3. DIGESTIÓN KRAFT.
La digestión kraft es un proceso de extracción de fibras naturales donde su principal
característica es que se lleva a cabo gracias a la implementación de agentes químicos para
dicha extracción, además de ello esta se realiza a altas temperaturas, entre 170°C en
adelante, y a presiones muy altas, de alrededor de 9 atmósferas. Esta parte de la
experimentación es la más importante ya que es el corazón de todo el proyecto, para ello se
recurrió primero a la búsqueda de equipos que contaran con sistemas de monitoreo y control
de temperatura y además que fuesen capaces de soportar altas presiones.
Desafortunadamente no se logró contar con ningún equipo que cumpliese con estas
características.
Para hacerle frente a este problema se propuso entonces llevar a cabo el experimento con la
implementación de una olla a presión IMUSA de puente (ANEXO 2) capaz de soportar una
presión de 1.5 atmósferas y la acción de los agentes digestores los cuales resultan ser muy
corrosivos. Ahora, para poder controlar la temperatura a la cual era sometida la borra dentro
de nuestro digestor fue necesario implementar una plancha de calentamiento (ANEXO 2) la
cual es capaz de alcanzar una temperatura de 150°C donde se puede realizar un control de
la temperatura, para ello fue necesario calibrar la misma .
Una vez solucionado el problema de los equipos, se realizó el montaje del experimento, este
se hizo dentro de una campana de extracción de olores, debido principalmente a que los
olores emitidos a través del proceso de cocción resultan ser muy contaminantes e
insoportables. El montaje se puede ver en el siguiente gráfico.
17
Grafica 2.1. Montaje Digestión Kraft.
2.3.1. CARGA DEL DIGESTOR KRAFT
Como se había mencionado antes, la digestión kraft se caracteriza por realizarse gracias a la
ayuda de agentes químicos encargados de la extracción y digestión de la fibras, el de más
implementación dentro del mercado de extracción de fibras celulósicas es el Hidróxido de
Sodio (NaOH) 1N, el cual es un agente altamente corrosivo (ANEXO 4) y es el encargado
de realizar la extracción de la celulosa ya que éste actúa directamente sobre las uniones
existentes entre la lignina y la celulosa, logrando que las fibras se vuelvan más solubles5.
Además del Hidróxido de Sodio, dentro de la extracción de fibras celulósicas es necesario la
utilización de Sulfuro de Hidrógeno (H2S) el cual es un gas de olor fétido y altamente
5 Tomado de www.papelnet.cl/celulosa/proceso_02.htm
18
inflamable, además de muy difícil manipulación, por lo que se decidió implementar en vez
de este insumo, Sulfuro Sódico (Na2S) el cual resultó menos peligroso y de más fácil
manipulación, pero el olor era igualmente fétido. Este se usa para ayudar a subir los niveles
de Azufre dentro de la digestión con el fin de que el NaOH realice mejor la extracción sin que
se queme demasiado rápido dentro del digestor.
Para nuestra experimentación, cada una de las corridas que se cargaban al digestor,
estaban constituidas por 225 gr. de Borra ya seca y homogenizada, más 25 gr. de Sulfuro
Sódico (Na2S), junto con un litro de Hidróxido de Sodio (NaOH) 1 N, el cual contiene una
masa de 41 gr. de Hidróxido. Esto con el fin de mantener una relación 6:1 entre Borra +
Sulfuro Sódico e Hidróxido de Sodio, relación necesaria para garantizar el correcto
funcionamiento de la digestión, además de la calidad de la fibra resultante de este paso, ya
que entre mayor sea la cantidad de Hidróxido de Sodio presente, mayor será la acción de
éste sobre la fibra causando que éstas se degraden6. Por último a cada una de la cargas se
le agregó una cantidad suficiente de agua destilada que garantizara que tanto la borra como
los insumos presentes no se quemasen, así como una sobrecarga del digestor que no
permita la acción de los mismos o escape de material por la válvula de desfogue, esta
cantidad es de 1.5 litros7.
Una vez cargado el digestor este es sometido a calentamiento, como se muestra en la
gráfica 2.1 a la temperatura establecida para cada una de las muestras y durante el tiempo
determinado para dicha corrida.
6 Tomado de www.papelnet.cl/celulosa/propiedades_fisicoquimicas.htm 7 Dato tomado experimentalmente.
19
Al final de la cocción se obtiene una mezcla de color negro, con un olor fétido fuerte y que
presenta unos pequeños grumos también de color negro. La mezcla es sometida al filtración
ya que las fibras quedan retenidas y el líquido sobrante es lignina retirada. Los sólidos
retenidos son sometidos al proceso de blanqueo.
2.4. BLANQUEO.
Una vez terminado el proceso de cocción, el sólido obtenido es sometido a un proceso de
blanqueo, mediante acción directa de Hipoclorito de Sodio, el cual es un agente altamente
corrosivo pero que es de muy fácil manipulación.
Este paso es necesario ya que ayuda a la remoción de la lignina que no se pudo retirar
mediante la filtración, ya que esta si se deja ocasiona que se oxide la celulosa presente y
hace que la fibra se torne del color amarillo, característico del papel que se deja mucho
tiempo guardado.
El blanqueo se realiza dentro de un Beaker de alta capacidad, donde se agregan, el sólido
producto de la digestión, 500 ml de Hipoclorito de Sodio, cantidad suficiente para cubrir la
muestra de sólido y 1500 ml de agua destilada, ésta última se utiliza para diluir la
concentración del Hipoclorito. Agregados los insumos y la materia prima, estos son
sometidos a temperatura de 40°C y agitación constante, ya que la turbulencia favorece a la
remoción de la lignina presente aún, esto se realizo con la utilización de una plancha de
calentamiento con agitación magnética. .
El proceso toma un tiempo de alrededor de cuatro (4) horas ya que de esta forma se
garantiza la remoción total de aquella lignina que se encontraba en exceso. Una vez
20
terminado, es nuevamente filtrado el producto para retirar el exceso de líquido y someterlo a
secado durante seis (6) horas, de acuerdo con el monitoreo de secado establecido
anteriormente.
2.5. ANÁLISIS CUANTITATIVO
Para determinar la eficiencia de la extracción se llevó a cabo un análisis cuantitativo de cada
una de las muestras mediante la utilización de la norma técnica colombiana NTC 697
“PULPA PARA PAPEL, MÉTODO PARA DETERMINAR LAS CELULOSAS ALFA, BETA Y
GAMA” y la norma TAPPI T203 mo-93 “PAPER AND PULPS. DETERMINATION OF
ALPAHA BETHA AN GAMACELLULOSES”.
3. ANALISIS DE RESULTADOS.
3.1. SECADO Y PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
Durante el proceso de secado se determinó que el tiempo aproximado para secar un
muestra de 300 gr. de borra hasta una humedad residual de cerca del 3.5% es de alrededor
de seis (6) horas sometida a una temperatura de 105°C, donde la transferencia de masa
posee un comportamiento exponencial, como se ve en la gráfica 3.1, el cual está descrito en
la ecuación 3.1.
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Grafica 3.1. Monitoreo Secado Borra.
Monitoreo Borra
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 5 10 15 20
Intervalo de tiempo (cada un equivale a 30 min )
Peso
mue
stra
(gr)
Peso de cada muestra Polinómica (Peso de cada muestra)Logarítmica (Peso de cada muestra)
Ecuación 3.1. Secado borra
Y = 0,0003x4 - 0,0141x3 + 0,2163x2 - 1,364x + 3,6101
R2 = 0,9799
Regresión poli nómica
Donde se relaciona el peso de muestra de cada una de las cargas hechas al horno con el
tiempo transcurrido, obteniéndose de esta manera un comportamiento polinómico de cada
una de las muestras para su secado
22
3.2. PROCESO DE COCCION Y EXTRACCIÓN
Finalizados los análisis cuantitativo de cada una de las muestras, se determinó un
rendimiento en peso de entre un 12% hasta un 36% de ∝–celulosa, indicando de esta
manera que la metodología establecida para dicha extracción resulto de gran utilidad a la
hora de extraer y preservar la fibra.
De acuerdo con las variables del proceso, se determinó que con la temperatura, el
rendimiento mas alto de extracción se presenta a 130°C como se puede observar en la
gráfica 3.2.1. Con respecto al tiempo, el rendimiento mas alto de la extracción se presentó a
las 3 horas de cocción de la borra, como se observa en la gráfica 3.2.2., por lo tanto se
determinó que el punto donde se lleva a cabo la mayor extracción de ∝-celulosa es a una
tempertura de 130°C y 3 horas donde se obtiene un rendimiento del 36.1672% de ∝-
celulosa. (GRÁFICA 3.2.3.)
Este resultado es eventualmente bueno teniendo en cuenta que el contenido presente de
fibra corta de alfa-celulosa presente en la borra es de alrededor del 38% (ANEXO 1).
23
Gráfica 3.2.1 ∝-CELULOSA vRS tEMPERATURA.
Se determino además que el comportamiento de la extracion varia drásticamente a medida
que pasa el tiempo, pues el rango de variabilidad de la extracción cambia significativamente
cada 30 minutos, de tal manera que si a 2 ½ la extraccion es del 33%, a la siguiente media
hora es de tan solo el 19%, además de ello el comportamiento este mismo comportamiento
se da con la temperaturas, pues un cambio de tan solo 20°C genera una diferencia en la
extraccion de cerca de un 15%, se cree que este fenómeno se da principalmente por la
fragilidad que tiene la fibra, pues esta es capaz de degradarse al someterse a temperatura
extremas durante largos periodos.
% Alfa - Celulosa Vrs Temperatura
0
5
10
15
20
25
30
35
40
100°C 130°C 150°CTemperatura
% A
lfa -
Cel
ulos
a
2 1/2 horas 3 horas 3 1/2 horas
24
Gráfica 3.2.2.. ∝-Celulosa Vrs Tiempo
En el caso la muestra que fue sometida a temperatura de 150°C durante un tiempo de
cocción de 3 ½ horas, la extracción de ∝-celulosa resulto ser también alta, con una eficiencia
del 35.51%. pero este dato es una desviación de la prueba ya que la muestra se calcinó y al
momento de someterla a análisis cuantitativos, ésta no se dejó analizar ya que se
encontraba quemada y compacta.
Se determinó además que someter la borra a cocción durante un tiempo de 3 horas a
temperaturas de 100°C o de 150°C es irrelevante, ya que el porcentaje obtenido al final del
ejercicio de ∝-celulosa es similar, alrededor de un 27%, como se puede observar en las
gráficas 3.2.1 y 3.2.2.
Por último, al colocar simultaneamente las variables junto con el porcentaje del extracción
de alfa-celulosa (grafica 3.2.3), se puede observar más claramente las diferencias tan
marcadas entre intervalos de tiempo, como se habia mencionado anteriormente.
% Alfa celulosa Vrs Tiempo
05
10152025303540
2 1/2 horas 3 horas 3 1/2 horas
Tiempo
% A
lfa -
Cel
ulos
a
100°C 130°C 150°C
25
0 5
10 15 20 25 30 35 40
2 1/2 horas 3 horas 3 1/2 horas Tiempo ( horas)
ALFA - CELULOSA OBTENIDA
100°C 130°C 150°C
Grafica 3.2.3. Extracción De Alfa-Celulosa
Por otra parte se puede determinar que a temperatura de 100°C, el tiempo de residencia
dentro del digestor afecta significativamente el porcentaje de extracion de celulosa debido
principalmente a que esa temperatura las moléculas de lignina que se encuentran ligadas a
las de celulosa no se han desligado de éstas y por el contrario causan que la celulosa se
oxide y se degrade más rapidamente8. Caso contrario es el que se presenta a temperatura
de 150°C donde a medida que transcurre el tiempo, el porcentaje de alfa-celulosa aumenta;
cuando la tendencia de la extracción es que a medida que la temperatura y el tiempo
aumentan la celulosa se degrada, esta desviación se presenta gracias a que a esta
temperatura la celulosa se quemaba, haciendo casi imposible un correcto análisis
cuantitativo de las muestras resultantes.
8 “Algodón y celulosa: estructura y propiedades”, Joaquin Garcen & Josefina Maillo G., Ed. Terraza, 1987.
26
4. ANÁLISIS ECONOMICO
Unos de los principales objetivos de este proyecto es realzar la rentabilidad que resulta de
obtener celulosa a partir de la borra del café en comparación con el método de producción
tradicional, el cual es a base de la corteza de los árboles, este se realizo mediante un costeo
de la producción de una (1) Tonelada de celulosa, para lo cual fue necesario determinar de
antemano cuales son los insumos utilizados en ambos procesos como la cantidad necesario
para obtener dicha producción, además, fue necesario determinar el precio de la maquinaria
necesaria.
Para estimar los costos de la extracción de celulosa a partir de la borra de café a nivel
industrial se manejó la metodología expuesta por el Dr. Kaul D. Timmerhaus en su libro “Plan
Desing and Economical for Chemical Engineerns”9 (ANEXO 6), donde a partir de precios y
volúmenes conocidos de maquinaria e insumos se pueden llevar a cualquier escala, es
importante tener en cuenta que esta estimación por este método tiene un error significante
que puede causar grandes desviaciones a la hora de llevar este estudio a la realidad, éste
error es encuentra entre un – 15% hasta un 30%.
Se determinó que la diferencia de costos iniciales resultante para producir 1 Ton. de celulosa
entre el proceso de extracción a partir de la borra y el proceso tradicional es significativa.
Con el proceso de extracción de la borra se necesita una inversión inicial de $183.105.114,2
frente a una de $ 353.879.614.7 del proceso tradicional, (gráfica 5.1). Esta diferencia radica
principalmente por el alto precio que tiene la madera, ya que de acuerdo al programa de
9 “Plan Desing and Economical for Chemical Engineers”, Kaul D. Timmerhaus, cuarta edición, Macgraw-Hill, 1991, paginas 524.
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productos verdes y desarrollo sostenible del Ministerio del Medio Ambiente10, por cada
hectárea talada se debe sembrar otra, generando gastos por $40.000.000 por hectárea. Por
otra parte la fuente de nuestra materia prima, que es el café, tiene un crecimiento
relativamente rápido en comparación con el crecimiento de árboles para la producción de
pulpa celulosa, pues el período de cosecha para el café es de tan solo 1 año mientras que
para poder obtener un árbol apto para la extracción de celulosa es necesario esperar de 20
a 25 años (Periodo de maduración Pino Regis), lo que ocasiona una mayor inversión en el
proceso por acción de los gastos de siembra y producción de materia prima, pues seria
necesario tener un terreno lo suficientemente grande para que garantice la producción de
materia prima constantemente, Además los altos costos de los insumos del método
tradicional acentúan aún más la diferencia entre los dos procesos (ANEXO 6).
Grafica 4.1. Índice De Costos Entre El Proceso Tradicional Y La Borra.
10 Ministerio del Medio Ambiente y Vivienda; Programa mercados Verdes www.minambiente.gov.co/mercadosverdes.
Costos Borra Vrs Madera
050000000
100000000150000000200000000250000000300000000350000000400000000450000000
BORRA MADERAFuente
Val
or (M
ILLO
NE
S P
ES
OS )
Costo materia prima MaquinariaInsumos Costo Final Inicial
28
4.1. PROYECCION ECONOMICA.
Dentro de la económica mundial, la industria de pulpas celulósicas se caracteriza por ser
una de las que maneja los más altos volúmenes de material, como un gran volumen de
capital, estimaciones hechas por la FAO (“Food and Agriculture Organization) para el año de
1998 pronunciaron que el consumo mundial de pulpas celulosicas alcanzó cerca de 134
millones de toneladas con un precio por tonelada de US$120011, alcanzando un capital de
US$ 156.000.000.000.
Grafica 4.1.1. 12 Principales mercados de pulpa celulósica
11 “Food and Agricultura Organization”, Indices de Mercados. 2003 www.fao.org 12 Tomado de www.papelnet.cl/celulosa/mercado_mundial.htm, Empresas OCMP, Chile
29
Para el año 2010 se estima que el consumo de pulpas celulósicas llegará cerca de los 198
millones de toneladas13 que equivaldrían a unos US$ 237.600.000.000, entre los principales
consumidores mundiales de celulosa se encuentran Asia y Europa.
Esto se debe principalmente a que la celulosa es el principal componente en la manufactura
de papeles y cartones y también, en pequeñas cantidades, se encuentra en productos como
el rayón, películas fotográficas, celofanes, explosivos, por mencionar sólo algunos, la
celulosa que se obtiene del proceso de cocción de la borra del café se caracteriza por se
fibra corta, la cual se usa para dar suavidad y como relleno. Dependiendo de la proporción
en las mezclas se obtienen papeles para diferentes usos.
Pero últimamente ha cobrado mayor importancia a nivel mundial el uso adecuado de los
recursos naturales. En la industria de los papeles y cartones, el reciclaje es cada vez más
relevante. Sin embargo, la degradación de las fibras impone límites a la fracción de papeles
que se puede producir con fibras recicladas, por lo que constantemente se deben agregar
fibras vírgenes para su producción.
4.2. IMPACTO AMBIENTAL.
La producción de nuevas fibras celulósicas y el crecimiento descontrolado del consumo de
papel a nivel mundial ha llevado a que grandes y extensas hectáreas de bosques nativos
hayan sido taladas y reemplazadas por bosques constituidos por árboles de crecimiento
rápido, esto ocasiona la pérdida de todo un ecosistema dependiente de dichos árboles
nativos, llevando en ocasiones especies animales y vegetales al borde de la extinción.
13 “Food and Agricultura Organization”, Indice de mercados www.fao.org
30
Por otra parte, la perdida de bosques por tala indiscriminada ocasiona que se pierda el
equilibrio dentro del ciclo hídrico de la región ya que se evita la recolección de agua, pues
los árboles actúan como esponja regulando los caudales de las cuencas, favoreciendo asi la
infiltración y dificultando la evaporación de las aguas lluvias., además de ello protege el
suelo previniendo la erosión al disminuir la fuerza del agua y el viento, evitando así la
pérdida de las capas superiores del suelo y controlando desbordamientos e inundaciones14.
Con el proceso de extracción de celulosa a partir de la borra del café, se ayuda a la
prevención de muchos de estos impactos ambientales como la tala de bosques nativos para
ser reemplazados por bosque de crecimiento rápido, ya que la fuente de la borra, café, solo
se da en suelos aptos para su cultivo, además de ser un árbol de crecimiento rápido y
periódico que favorece al reestablecimiento de los nutrientes del suelo y evitan el deterioro
del mismo15.
14 Cortolima, Corporación Autónoma del Tolima, “Nuestros Árboles”, www.cortolima.gov.co/educambi/cartilla/arboles.htm 15 Federación Nacional de Cafeteros, “www.cafedecolombia.com”
31
5. CONCLUSIONES.
Durante el proceso de secado se determinó que el tiempo aproximado para secar una
muestra de 300 gr. de borra hasta una humedad residual de cerca del 3.5% es de
alrededor de seis (6) horas sometida a una temperatura de 105°C, obteniéndose un
comportamiento polinómico de cada una de las muestras para su secado.
Finalizados los análisis cuantitativos de cada una de las muestras, se determinó un
rendimiento en peso de entre un 12% hasta un 36% de ∝–celulosa, indicando de esta
manera que la metodología establecida para dicha extracción resultó de gran utilidad a
la hora de extraer y preservar la fibra.
El punto donde se lleva a cabo la mayor extracción de ∝-celulosa es a una tempertura
de 130°C y 3 horas, donde se obtiene un rendimiento del 36.1672% de ∝-celulosa. (ver
gráfica tal.). Este resultado es eventualmente bueno, teniendo en cuenta que el
contenido presente de fibra corta de alfa-celulosa presente en la borra es de alrededor
del 38%.
El comportamiento de la extracción varia drásticamente a medida que pasa el tiempo,
ya que la extracción cambia significativamente cada 30 minutos, de tal manera que si a
2 ½ la extracción es del 33%, a la siguiente media hora es de tan solo el 19%, y un
cambio de tan solo 20°C presenta el mismo fenómeno donde se presenta una
disminución en la extracción de alfa-celulosa de cerca de un 15%, esto ocurre
principalmente por la fragilidad que tiene la fibra, pues esta es capaz de degradarse al
someterse a temperaturas extremas durante largos periodos.
32
La muestra que es sometida a temperatura de 150°C durante un tiempo de cocción de
3 ½ horas, presentó una extracción de ∝-celulosa también alta, con una eficiencia del
35.51%. pero este dato es una desviación de la prueba ya que la muestra se calcinó y
al momento de someterla a análisis cuantitativos, no se dejó analizar ya que se
encontraba quemada y compacta.
Someter la borra a cocción durante un tiempo de 3 horas a temperaturas de 100°C o de
150°C es irrelevante, ya que el porcentaje obtenido al final del ejercicio de ∝-celulosa es
similar, alrededor de un 27%.
Por otra parte se puede determinar que a temperatura de 100°C, el tiempo de residencia
dentro del digestor afecta significativamente el porcentaje de extracion de celulosa,
debido principalmente a que esa temperatura, las moléculas de lignina que se
encuentran ligadas a las de celulosa no se han desligado de éstas y por el contrario
causan que la celulosa se oxide y se degrade más rápidamente16
Los costos iniciales para producir una Ton de celulosa difieren significativamente en el
proceso de extracción a partir de la borra y el proceso tradicional donde el primero
necesita una inversión inicial de $183.105.114.2 frente a una de $353.879.614.7 con
una diferencia de alrededor de $170.774.500.
La fuente de nuestra materia prima, que es el café, tiene un crecimiento relativamente
rápido en comparación con el crecimiento de árboles para la producción de pulpa
celulosa lo que ocasiona una mayor inversión en el proceso, por acción de los gastos de
16 “Algodón y celulosa: estructura y propiedades”, Joaquin Garcen & Josefina Maillo G., Ed. Terraza, 1987.
33
siembra y producción de materia prima, pues sería necesario tener un terreno lo
suficientemente grande para que garantice la producción de materia prima
constantemente.
Para el año 2010 se estima que el consumo de pulpas celulósicas llegará cerca de los
198 millones de toneladas17 que equivaldrían a unos US$ 237.600.000.000; entre los
principales consumidores mundiales de celulosa se encuentran Asia y Europa.
Con el proceso de extracción de celulosa a partir de la borra del café, se ayuda a la
prevención de muchos de estos impactos ambientales como la tala de bosque nativos
para ser reemplazados por bosque de crecimiento rápido, ya que la fuente de la borra,
el café, solo se da en suelos aptos para su cultivo, además de ser un árbol de
crecimiento rápido y periódico que favorece al reestablecimiento de los nutrientes del
suelo y evitan el deterioro del mismo18.
17 “Food and Agricultura Organization”, Indice de mercados www.fao.org 18 Federación Nacional de Cafeteros, “www.cafedecolombia.com”
34
6. RECOMENDACIONES
• Utilizar equipos más especializados para la extracción de celulosa tales como
reactores de acero inoxidable o en el mejor de los casos digestores, que sean
capaces de soportar altas presiones y que tengan sistemas de monitoreo y control
de temperatura y presión.
• Contar con instalaciones que permitan la manipulación de insumos mas
especializados para la extracción y blanqueo del alfa-celulosa, como lo son el H2S y
el Cloro gaseoso (Cl2).
• Realizar mayor cantidad de réplicas para cada una de las corridas para obtener
datos más precisos y confiables.
• Tratar de contar con la ayuda de empresas especializadas en la extracción de
celulosa para que realicen análisis paralelos de la muestras procesadas, para poder
corroborar los resultados alcanzados con fuentes especializadas.
• Contar desde un principio con toda la materia prima necesaria para el desarrollo del
proyecto.
35
BIBLIOGRAFÍA.
• Revista CENICAFÉ, Centro Nacional de Investigaciones del Café, Chinchiná -
Caldas, publicación Nº3 del año 1997.
• “Diseño y Análisis de Experimentos”; Segunda Edición; Douglas C Montgomery;
página 218.
• Algodón y celulosa: estructura y propiedades”, Joaquin Garcen & Josefina Maillo G.,
Ed. Terraza, 1987.
• “Plan Desing and Economical for Chemical Engineers”, Kaul D. Timmerhaus, cuarta
edición, Macgraw-Hill, 1991, página 524.
• Ministerio del Medio Ambiente y Vivienda; Programa mercados Verdes
www.minambiente.gov.co/mercadosverdes.
• “Food and Agricultura Organization”, Indices de Mercados. 2003 www.fao.org
• Tomado de www.papelnet.cl/celulosa/mercado_mundial.htm, Empresas OCMP,
Chile
• Tomado de www.papelnet.cl/celulosa/proceso_01.htm, Empresas OCMP, Chile
• Tomado de www.papelnet.cl/celulosa/proceso_02.htm, Empresas OCMP, Chile
36
• Tomado de www.papelnet.cl/celulosa/propiedades_fisicoquimicas.htm; Empresas
OMCP, Chile.
• Cortolima, Corporación Autónoma del Tolima, “Nuestros Árboles”,
www.cortolima.gov.co/educambi/cartilla/arboles.htm
• Federación Nacional de Cafeteros, Impacto del café, “www.cafedecolombia.com”
37
ANEXO 1 CARACTERIZACION DE LA BORRA
38
ANEXO 2.
MAQUINARIA PROCESO DE EXTRACCIÓN
Gráfica 2.1.1. Olla a presión de puente Gráfica 2.1.2 Horno de Convección.
marca IMUSA.
Gráfica 2.1.3. Balanaza con capacidad para pesar 400 gr.
39
Gráfica 2.1.4. Plancha de Calentamiento
Gráfica 2.1.5. Campana de Extracción de olores
40
ANEXO 3.
MONITOREO SECADO BORRA
Tabla 1. Monitoreo Muestra 1 Tabla 2. Monitoreo Muestra 2
Tabla 3. Monitoreo Muestra 3 Tabla 4. Monitoreo Muestra 4
MUESTRA 1 DATO PESO (gr.)
1 2.5 2 1.41 3 0.89 4 0.71 5 0.69 6 0.68 7 0.67 8 0.66 9 0.66 10 0.66 11 0.67 12 0.67
MUESTRA 2 DATO PESO
1 2.5 2 2 3 0.98 4 0.67 5 0.66 6 0.64 7 0.64 8 0.64 9 0.63
10 0.63 11 0.66 12 0.65
MUESTRA 3 DATO PESO
1 2.5 2 2.36 3 1.53 4 0.81 5 0.69 6 0.68 7 0.7 8 0.67 9 0.64
10 0.64 11 0.63 12 0.63
MUESTRA 4 DATO PESO
1 2.5 2 0.93 3 0.73 4 0.71 5 0.7 6 0.69 7 0.69 8 0.7 9 0.7 10 0.7 11 0.7 12 0.7
41
Tabla 5. Monitoreo Muestra 5 Tabla 6. Monitoreo Muestra 6
Tabla 7. Monitoreo Muestra 7 Tabla 8. Monitoreo Muestra Media
MUESTRA 5 DATO PESO
1 2.5 2 1.78 3 0.73 4 0.63 5 0.64 6 0.63 7 0.64 8 0.63 9 0.63
10 0.62 11 0.62 12 0.62
MUESTRA 6 DATO PESO
1 2.5 2 1.15 3 0.75 4 0.67 5 0.67 6 0.67 7 0.67 8 0.67 9 0.68 10 0.66 11 0.65 12 0.65
MEDIA DATO PESO
1 2.5 2 1.50714286 3 0.93285714 4 0.71 5 0.68857143 6 0.67857143 7 0.68 8 0.67428571 9 0.66857143 10 0.66714286 11 0.67 12 0.66857143
MUESTRA 7 DATO PESO
1 2.5 2 0.92 3 0.92 4 0.77 5 0.77 6 0.76 7 0.75 8 0.75 9 0.74
10 0.76 11 0.76 12 0.76
42
ANEXO 4
RESULTADOS
TABLA 4.1. RESULTADOS % ALFA - CELULOSA
TABLA DE RESULTADOS Muestra / Peso Inicial (gr) Final (gr) % Celulosa
1 (T° 100°C y 3 horas) 3.0031 0.8233 27.4150045 2 (T° 130°C y 3 horas) 3.0028 1.086 36.1662448 3 (T° 150°C y 3 horas) 3.0083 0.8227 27.3476714 4 ( T° 100°C y 3 1/2 horas) 3.0004 0.6125 20.4139448 5 ( T° 130°C y 3 1/2 horas) 3.0183 0.5532 18.328198 6 ( T° 150°C y 3 1/2 horas) 3.0146 1.0705 35.5105155 7 ( T° 100°C y 2 1/2 horas) 3.0032 0.9895 32.9481886 8 ( T° 130°C y 2 1/2 horas) 3.0043 0.5838 19.4321473 9 ( T° 150°C y 2 1/2 horas) 3.0003 0.3691 12.3021031 Promedio Procesado 3.00614444 0.767844444 25.5404464Promerio Extraido 250 63.85111612 25.5404464
TABLA 4.2. RELACION % CELULOSA EXTRAIDA CON LAS VARIABLES DEL PROCESO
RESULTADOS PRUEBAS - % Celulosa obtenida Tiempo / Temperatura 100°C 130°C 150°C
2 1/2 horas 32.9481886 19.43214726 12.30210313 horas 27.4150045 36.16624484 27.3476714
3 1/2 horas 20.4139448 18.32819799 35.5105155
43
GRAFICA 4.1. % CELULOSA A 100°C
GRAFICA 4.2. % CELULOSA A 130°C GRAFICA 4.3. % CELULOSA A 150°C
32.9481886
27.4150045
20.4139448
0
510
1520
2530
35
2 1/2 horas 3 horas 3 1/2 horasTiempo
% a
lfa -
celu
losa
19.43214726
36.16624484
18.32819799
05
10152025303540
2 1/2 horas 3 horas 3 1/2 horas
Tiempo
% a
lfa -
celu
losa
12.30210312
27.34767144
35.51051549
05
10152025303540
2 1/2 horas 3 horas 3 1/2 horas
Tiempo
% A
lfa -
Cel
ulos
a
44
GRAFICA 4.4. % CELULOSA EN 2 ½
GRAFICA 4.5. % CELULOSA EN 3 GRAFICA 4.6. % CELULOSA EN 3 ½
32.9481886
19.43214726
12.30210312
0
5
10
15
20
25
30
35
100°C 130°C 150°CTemperatura
% A
lfa C
elul
osa
27.4150045
36.16624484
27.34767144
0
5
10
15
20
25
30
35
40
100°C 130°C 150°C
Temperatura
% A
lfa -
Cel
ulos
a
20.4139448118.32819799
35.51051549
0
5
10
15
20
25
30
35
40
100°C 130°C 150°CTemperatura
% A
lfa -
Cel
ulos
a
45
ANEXO 5
FICHA TÉCNICA DE SEGURIDAD DEL NaOH 19
FICHA DE SEGURIDAD QUIMICA W & Z
SODIO HIDROXIDO 0.1N
SINONIMOS : Hidróxido de Sodio en solución - Soda Cáustica en solución.
FORMULA QUIMICA : NaOH
CONCENTRACION : 1%
PESO MOLECULAR : 40.00
GRUPO QUIMICO : Hidróxido.
NUMERO CAS : 1310-73-2
NUMERO NU : 1824
CODIGO W & Z : 30315
PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS
ESTADO FISICO : Líquido.
APARIENCIA : Incoloro.
OLOR : Sin olor.
Ph : Entre 13 y 14
TEMPERATURA DE EBULLICION : Aproximadamente 100 ºC
TEMPERATURA DE FUSION : Aproximadamente 0 ºC 19 Ficha de seguridad www.airliquide.com/safety/msds/es/073_AL_ES.pdf
46
DENSIDAD A 20 ºC : 1.02 kg/L
PRESION DE VAPOR A 20 ºC : < 18 mmHg.
DENSIDAD DE VAPOR : < 1.0
SOLUBILIDAD : Completamente soluble en Agua.
IDENTIFICACION DE RIESGOS
RIESGO PRINCIPAL : Corrosivo
CODIGO W & Z : 2 0 1 2
SALUD INFLAMABLE REACTIVO CONTACTO
ROTULO DE TRANSPORTE: Clase 8
0 = Ninguno
1 = Ligero
2 = Moderado
3 = Severo
4 = Extremo
RIESGOS PARA LA SALUD
EFECTOS DE SOBREEXPOSICION
INHALACION : Irritaciones severas de las membranas mucosas y del tracto respiratorio superior.
CONTACTO CON LA PIEL : Irritaciones severas. Posibles quemaduras. Dermatitis como efecto crónico.
CONTACTO CON LOS OJOS : Irritaciones severas. Posibles quemaduras.
47
INGESTION : Irritación gastrointestinal severa. Nocivo. Náuseas y vómitos. Posibles quemaduras del tracto digestivo y estómago.
OTROS EFECTOS
CANCERIGENO MUTAGENO TERATOGENO
: : :
No hay evidencia. No hay evidencia. No hay evidencia.
48
ANEXO 6.
ESTUDIO ECONOMICO
TABLA. 6.1 COSTO BORRA A GRAN ESCALA
EQUIPOPrecio
encontrado
VOL ENCONTRA
DOvol
necesarioX Relacion de
capacidad exponentePrecio en
pesos Col.Reactor Enchaquetado (pesos mexicanos) 45000 15 0.4 0.026666667 0.54 1573282.967
Digestor Kraft (pesos mexicanos 65000 15 0.4 0.026666667 0.54 1573282.967Agitador ( dólares) 732.29 300 90 0.3 0.6 1991828.8
Tunel de Secado (pesos col.) 65550000 - - - - 65550000Filtro (Euros) 15026 1.62 0.02 0.012345679 0.6 48924656
TOTAL MAQUINARIA - - - - - 119613050.7
INSUMOSPrecio
encontrado
VOL ENCONTRA
DOvol
necesarioPrecio en pesos
Col.Materia Prima - Borra - - - -
NaOH 2500 0.000001 0.01587302 39682539.68Na2S 500 0.000000025 0.00039683 7936507.937
Hipoclorito de Sodio 1000 0.0000005 0.00793651 15873015.87TOTAL INSUMOS - - - 63492063.49
Inversion inicial produccion de celulosa a partir de la borra del café 1 TON 183105114.2
49
TABLA 6.2. COSTO METODO TRADICIONAL
Digestor Kraft (pesos mexicanos) 65000 15 0.4 0.026666667 0.54 1573282.967Agitador ( dólares) 732.29 300 90 0.3 0.6 1991828.8
Trituradora (pesos col.) 2500000 1 8 8 0.6 8705505.633Descortezador (pesos col.) 2500000 250 8000 32 0.6 20000000
Tunel de Secado (pesos col.) 65550000 - - - - 65550000TOTAL MAQUINARIA - - - - - 99393900.37
INSUMOSPrecio
(pesos col.)Vol encontrado
necesario para 1 Ton
Precio en pesos Col.
Materia Prima - corteza de árboles 40000 - 5 200000Costo Campos Reforestación 40000000 - 1 40000000
Costo Materia Prima 40040000 - - 40200000NaOH 2500 0.000001 0.015873 39682539.68H2S 5000 0.000000025 0.0003968 79365079.37
ClO2 5000 0.0000005 0.0079365 79365079.37H2O2 1000 0.0000005 0.0079365 15873015.87
TOTAL INSUMOS - - - 214285714.3
INVERSION INICIAL 1 TON 353879615
51
GRAFICA 6.1. COSTO MATERIA PRIMA GRAFICA 6.2. COSTO INSUMOS.
Costo materia prima
0
20
40
60
80
100
120
BORRA MADERAFuente
Valo
r (M
illon
es d
e pe
sos)
Insumos
0
50000000
100000000
150000000
200000000
250000000
BORRA MADERAProceso
Valo
r (M
illon
es d
e pe
sos)
52
GRAFICA 6.3. COSTO MAQUINARIA GRAFICA 6.4. COSTO FINAL
Costo Inicial
050000000
100000000150000000200000000250000000300000000350000000400000000450000000
BORRA MADERA
Proceso
Valo
r (M
illon
es d
e Pe
sos)
Maquinaria
0
20000000
40000000
60000000
80000000
100000000
120000000
140000000
BORRA MADERA
Proceso
Valo
r (M
illon
es d
e Pe
sos)
EXTRACCION DE FIBRA CORTA DE ALFA – CELULOSA A PARTIR
DE LA BORRA DEL CAFÉ
CAMILO ANDRES VEGA RAMIREZ
ASESOR:ING. FELIPE MUÑOZ GIRALDO
1. INTRODUCCION
• Interés por la recuperación y el restablecimiento del equilibrio ambiental.
• Desarrollo y aprovechamiento de desechos que aun presentan compuestos que podrían resultar útiles para el hombre.
OBJETIVOS• Obtener fibra corta de alfa–celulosa a partir de los
desechos de la producción de café soluble (borra de café) a nivel de laboratorio.
• Evaluar las variables del proceso como temperatura y tiempo de residencia en el digestor.
• Evaluar la rentabilidad de la producción de fibra corta de alfa-celulosa a partir de borra con referencia a procesos similares.
TÉRMINOS CLAVES
• ALFA-CELULOSA: Producto base para la producción de papel y otros materiales fibrosos.
• BORRA: Café agotado industrialmente proveniente de la liofilización del mismo.
TERMINOS CLAVES• LIOFILIZACION:
Proceso de secado en frió, implementado para la conservación de alimentos.
• DIGESTOR KRAFT:Recipiente a presión, dentro del cual las astillas son sometidas a cocción con el licor blanco a altas temperaturas y presiones.
Proceso de ExperimentaciónCaracterización De Materia Prima
• Humedad (%)– Residual
13.9– Total
76.4
• Cenizas 0.4
• Materias Volátiles74.5
• Carbono fijo11.2
• Azufre Total 0.12
• Poder Calorífico– Base bruta (cal/gr)
5471
– PH Ácida4.92
• Contenido de fibra 57 –71% alfa-celulosa 38%
• Lignina 26%
• Extraíbles con Éter del 23%
Proceso de ExperimentaciónEventos
– Experimento Factorial de 32.
– Presión del digestor resulta difícil de controlar.
– Temperatura dentro del digestor complicada de monitorear.
Tiempo Temperatura( Horas) (°C)
1 2 1/2 1002 3 1003 3 1/2 1004 2 1/2 1305 3 1306 3 1/2 1307 2 1/2 1508 3 1509 3 1/2 150
MUESTRA
Proceso de Experimentación
OBTENCION DE MATERIA PRIMA “BORRA”
SECADO (monitoreo por peso)
DIGESTOR(Olla a presión)
BLANQUEO(Hipoclorito de Sodio)
ANALISIS (Normas Técnicas)
SECADO• Muestras de 300 gr cada
una a Temperatura de 105ºC.
• El control se realizó por peso, hasta que este fuese constante.
• Tiempo de secado 6 horas.
• Humedad residual alrededor del 4%.
• Homogeneizo para garantizar una mayor extracción de alfa-celulosa.
DIGESTION• Se carga la recipiente con
– 225 gr de Borra– 25 gr de Na2S– 1 Litro de NaOH 1N– 1.5 Litros de Agua.
• Se calentó con la plancha para controlar la temperatura.
BLANQUEO
• El producto de la digestion es pasado al Beakerjunto con 500 ml de hipoclorito de Sodio.
• Temperatura 40°C y agitación constante.
• Tiempo de Blanqueo 4 horas, para garantizar la optima remoción de la lignina sobrante.
ANALISIS QUIMICO• Realizados a partir de la
norma técnica colombiana NTC 697.– “Pulpas para papel. Método para determinar las celulosas alfa, beta y gamma”.
• Norma TAPPI - T 203 om-93 “Alpha-, beta- and gamma-cellulose in pulp”
RESULTADOS
SECADO• Resultados Monitoreo:
– Tiempo Calculado = 6 horas
• Ecuación de relación humedad tiempo:
• Y = 0,0003x4 - 0,0141x3 + 0,2163x2 - 1,364x + 3,6101
R2 = 0,9799Regresión poli nómica
Y = -0,5135Ln(x) + 1,8692
R2 = 0,6975
Regresión logarítmica
Proceso de ExperimentaciónMonitoreo Borra
y = 0,0003x4 - 0,0141x3 + 0,2163x2 - 1,364x + 3,6101R2 = 0,9799
Regresiòn polinómica
y = -0,5135Ln(x) + 1,8692R2 = 0,6975
Regresión logarítmica
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Intervalo de tiempo (cada un equivale a 30 min )
Peso
mue
stra
(gr)
Peso de cada muestra Polinómica (Peso de cada muestra) Logarítmica (Peso de cada muestra)
EXTRACCION% Alfa celulosa Vrs Tiempo
0
5
10
15
20
25
30
35
40
2 1/2 horas 3 horas 3 1/2 horas
Tiempo
% A
lfa -
Celu
losa
100°C 130°C 150°C
EXTRACCION% Alfa - Celulosa Vrs Temperatura
0
5
10
15
20
25
30
35
40
100°C 130°C 150°C
Temperatura
% A
lfa -
Celu
losa
2 1/2 horas 3 horas 3 1/2 horas
EXTRACCION
0
5
10
15
20
25
30
35
40
% a
lfa-c
elul
osa
2 1/2 horas 3 horas 3 1/2 horas
Tiempo ( horas)
alfa - celulosa obtenida
100°C 130°C 150°C
ESTUIDIO ECONOMICO
ESTUDIO ECONOMICO
• El mercado de celulosa maneja cerca de 134 millones (FAO).
• Para el año 2010 se un consumo de papel que alcanzará los 197 millones de toneladas.
• El precio internacional de por tonelada de celulosa es de US$1200. (FAO)
ESTUDIO ECONOMICO• La estimación se hizo de
acuerdo al costo inicial que resulta de producir 1 Ton., entre el método tradicional y el experimental.
• Se tuvo en cuenta programas de producción de desarrollo sostenible como “producción verde” a cargo del Ministerio del Medio Mmbiente y Vivienda.
• Se realizo con base a la maquinaria e insumos y costo de materia prima.
• Estimaciones de costos de acuerdo a la teriaexpuesta por TIMMERHOUSE.
• Se tiene un error entre un -15 a un 30%
ESTUDIO ECONOMICOCOSTO BORRA A GRAN ESCALA
EQUIPOPrecio
encontrado
VOL ENCONTRA
DOvol
necesarioX Relacion de
capacidad exponentePrecio en pesos Col.
Reactor Enchaquetado (pesos mexicanos) 45000 15 0.4 0.026666667 0.54 1573282.967Digestor Kraft (pesos mexicanos 65000 15 0.4 0.026666667 0.54 1573282.967
Agitador ( dólares) 732.29 300 90 0.3 0.6 1991828.8Tunel de Secado (pesos col.) 65550000 - - - - 65550000
Filtro (Euros) 15026 1.62 0.02 0.012345679 0.6 48924656TOTAL MAQUINARIA - - - - - 119613050.7
INSUMOSPrecio
encontrado
VOL ENCONTRA
DOvol
necesarioPrecio en pesos Col.
Materia Prima - Borra - - - -NaOH 2500 0.000001 0.015873 39682539.68Na2S 500 0.000000025 0.0003968 7936507.937
Hipoclorito de Sodio 1000 0.0000005 0.0079365 15873015.87TOTAL INSUMOS - - - 63492063.49
Inversion inicial produccion de celulosa a partir de la borra del café 1 TON 183105114
ESTUDIO ECONOMICO
Digestor Kraft (pesos mexicanos) 65000 15 0.4 0.026666667 0.54 1573282.967Agitador ( dólares) 732.29 300 90 0.3 0.6 1991828.8
Trituradora (pesos col.) 2500000 1 8 8 0.6 8705505.633Descortezador (pesos col.) 2500000 250 8000 32 0.6 20000000
Tunel de Secado (pesos col.) 65550000 - - - - 65550000TOTAL MAQUINARIA - - - - - 99393900.37
INSUMOSPrecio
(pesos col.)Vol encontrado
necesario para 1 Ton
Precio en pesos Col.
Materia Prima - corteza de árboles 40000 - 5 200000Costo Campos Reforestación 40000000 - 1 40000000
Costo Materia Prima 40040000 - - 40200000NaOH 2500 0.000001 0.015873 39682539.68H2S 5000 0.000000025 0.0003968 79365079.37
ClO2 5000 0.0000005 0.0079365 79365079.37H2O2 1000 0.0000005 0.0079365 15873015.87
TOTAL INSUMOS - - - 214285714.3
INVERSION INICIAL 1 TON 353879615
Costos Borra Vrs Madera
0
50000000
100000000
150000000
200000000
250000000
300000000
350000000
400000000
450000000
BORRA MADERA
Fuente
Valo
r (M
illon
es d
e Pe
sos)
Costo materia prima Maquinaria Insumos Costo Final Inicial
