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Desarrollo de un equipo para la extracción de aceite a partir de la semilla de algodón

alFonSo SantoS JaiMeS*

Resumen

El usos de semillas vegetales como materia prima para la obtención de aceites que puedan ser utilizados en la elaboración de biocombustibles, requie-re optimizar el proceso de extracción cuando se desea dar valor agregado a subproductos de cultivos implementa-dos con una finalidad diferente. Este trabajo tiene como objetivos: desarro-llar un equipo que permita la extrac-ción de aceite a partir de la semilla de algodón¬; cuantificar la influencia de la temperatura y la humedad de la materia prima en el rendimiento del proceso, y determinar si el aceite adquirido puede ser utilizado en la obtención de biodié-sel. La máquina extractora se diseñó con los principios teóricos y la ayuda del software SolidWorks; la semilla de algodón utilizada en las pruebas fue de la variedad Gossica MC-23, propia de la zona norte de Colombia. Los resul-tados muestran que el punto óptimo de temperatura y humedad de la semilla, antes del proceso de extracción, es 81°C y 4 % (masa/masa), respectivamente; de este modo, se halla como resultado una eficiencia del 20,9 % (masa/masa). Adi-cionalmente, el porcentaje de humedad máximo obtenido en el aceite para esta condición es del 0.37 % (masa/masa), valor que se encuentra por debajo del

(*) Profesor asociado de la Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga. Tel.: (057) (7) 6796220 ext.: 566; fax: (057) (7) 6796221. Autopista a Piedecuesta Km. 7, Floridablanca 681017, Colombia. Correo electrónico: [email protected].

Fecha de recepción: 12/03/2013 • Fecha de aceptación: 30/09/2013.

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0.5 % de contenido de agua máximo re-querido, para conseguir el biodiésel, en el proceso de transesterificación catalizado por álcalis.

Palabras clave: aceites vegetales, algodón, humedad, biodiésel, sistema de extracción.

Abstract

The use of vegetable seeds as feeds-tock for obtaining oils that can be used in the elaboration of biofuels requires improving the extraction process when it is desired to give value-added to by-pro-ducts of cultivations implemented with a different purpose. This project aims to develop equipment that allows the oil extraction from cotton seed; quantify the influence of temperature and mois-ture of the feedstock in the performance of the process and determine if the oil obtained can be used in the production of biodiesel. The extractor machine was designed with the theoretical principles and Solid Works help; the cotton seed used in tests was Gossica MC-23 variety, typical of the northern area of Colom-bia. The results show that the optimum temperature and moisture of the seed before the extraction process is 81°C and 4% (mass/mass), respectively, where is obtained and efficiency of 20.9% (mass/mass); In addition the maximum mois-ture percentage obtained in oil for this condition is 0.37% (mass/mass), where the value is below 0.5% of maximum water content required to be used in the trans esterification process catalyzed by alkalis for biodiesel obtaining.

Keywords: vegetable oils, cotton, hu-midity, biofuels, extraction system.

1. Introducción

La industria del biodiésel ha experimen-tado un crecimiento continuo, ampliándose el espectro de materias primas; así, la tendencia actual es la búsqueda de fuentes renovables de triglicéridos diferentes a los aceites vege-tales tradicionales, como: aceites vegetales no comestibles, aceites de frituras usados, grasas

animales y aceite de microalgas (Benjumea, Agudelo & Ríos, 2009).

La utilización de aceites vegetales de manera directa como combustible en motores diésel, origina una serie de inconvenientes, debido a sus propiedades inherentes, entre las cuales se encuentra: su alta viscosidad y baja volatilidad. La opción más recomendada ha sido la transfor-mación del aceite, de tal forma que se obtenga un combustible con propiedades parecidas a las del diésel tradicional. En este sentido, se han planteado alternativas como la descomposición térmica del aceite o pirólisis, la preparación de microemulsiones y la transformación de los trigli-céridos en mezclas de ésteres simples o monoal-quilésteres de ácidos grasos (transesterificación) (Benjumea et al., 2009).

El biodiésel puede ser empleado como com-bustible puro (100 % biodiésel), como mezcla base (20 % biodiésel y 80 % gasoil), o como aditivo de combustibles derivados del petróleo en proporciones del 1 al 5 % (Romano, González & Laborde, 2005).

Las ventajas del biodiésel como combus-tible radican en que es biodegradable y menos tóxico que el petróleo; se produce a partir de fuentes renovables, lo que implica una inde-pendencia del abastecimiento y la variación en el costo del petróleo; igualmente, reduce las emisiones de CO, material particulado y SOx (Gazzoni, 2009).

Los combustibles fósiles que se queman en un año, equivalen a más de 400 veces de la productividad primaria neta de la biota actual del planeta; por lo cual, de ninguna manera, se pueden remplazar por biocombustibles. Debido a esto, representan una alternativa, mas no una solución a la dependencia actual de los derivados del petróleo (Dukes, 2003).

El cultivo más promisorio en Colombia para la producción de biodiésel es el de palma africana, toda vez que, actualmente, es el cuarto productor mundial de esta planta y el primero en el continente, y se tiene proyectado seguir ampliando el área cultivada en los próximos años; sin embargo representa una competencia clara con la tierra cultivable, lo que puede origi-nar un incremento en el precio de los alimentos (Programa Estratégico para la Producción de Biodiésel, 2003).

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Otros cultivos potencialmente aceptables para la producción de biodiésel, son: la soja, el girasol, la colza, la jatropha, la higuerilla, el maní y el algodón, entre otros (Dorsa, 2004; Lawson, 1994). El algodón presenta la ventaja de que su aceite pocas veces se usa con fines comestibles, y la semilla es un subproducto de la planta y, en muchas ocasiones, un desecho de la industria textil.

Los aceites vegetales utilizados para la producción de biodiésel, se obtienen a partir de las semillas o frutos que los contienen mediante extracción química con solventes (principalmente hexano) o, en menor medida, por medios físicos como la aplicación de grandes presiones.

El contenido de aceite presente en la semilla de algodón oscila entre el 18 y 25 % (Rehm & Espig, 1991; Duke, 1983), siendo la extracción típica obtenida del 15 % (Hamrock, Jacobson & Schmid, 2000). Cuando se realiza a través de un proceso mecánico, este método es menos eficiente que el método químico. No obstante, presenta la ventaja de permitir la obtención de un remanente de aceite en la masa procesada, la cual representa un alimento lleno de proteínas, y puede ser utilizado como alimento ganadero en panes, desparramados y/o mezclados con otros productos (Awareness’s blog como se citó en Journey to forever, s. f.).

La tecnología más antigua y más generalizada para extraer aceites vegetales es mediante el uso de prensas, para lo cual las materias primas se preparan antes, con el fin de aumentar la eficien-cia en la extracción; por tanto, el objetivo de este trabajo es desarrollar un equipo de extracción mecánica continua, que permita modificar la temperatura y humedad de la semilla en la tolva dosificadora e identificar cómo afectan estos parámetros el proceso de obtención de aceite a partir de semilla de algodón.

Partiendo del aceite de algodón prensado, se obtiene un 78.5 % de aceite refinado -apto para ser utilizado en el proceso de transeste-rificación-, del cual se deriva un 91.2 % de biodiésel; el porcentaje restante lo constituyen los subproductos y pérdidas en el proceso de lavado. El proceso de elaboración del biodiésel consistió en un calentamiento del aceite a 60°C, para disminuir su viscosidad; la preparación del agente esterificante (hidróxido de sodio en

presencia de metanol), en un reciente cerrado bajo condiciones de agitación y temperatura; y, por último, la mezcla del aceite con el alcóxido obtenido a una temperatura de 70 °C y un tiem-po de agitación de 30 minutos (Brachna, Díaz, Hryczyñski, López & Judis, 2006).

Las principales variables que influyen en el rendimiento, conversión y cinética de la reac-ción de transesterificación, son: la calidad de la materia prima, el tipo y la cantidad de alcohol, la transferencia de masa durante la reacción, el sistema catalítico y las condiciones de reacción: temperatura, presión y agitación (Freedman, Butterfield & Pryde, 1986; Meher, Vidya & Naik, 2006).

Para maximizar el rendimiento de la reac-ción de transesterificación y obtener biodiésel de alta pureza, lo ideal es utilizar aceites refinados. Tales aceites poseen contenidos bajos en agua, ácidos grasos libres, gomas y material insapo-nificable. Sin embargo, desde el punto de vista económico, lo más viable es procesar materias primas de baja calidad y, consecuentemente, de bajo costo, como aceites crudos o parcialmente refinados (Benjumea et al., 2009).

La acidez y la humedad son las impurezas de la materia prima que tienen el efecto más negativo en el desarrollo y la conversión de la reacción, pudiendo llegar a inhibirla completamente. El grado de tolerancia a dichas impurezas, así como el tipo de reacción secundaria que pueden ocasionar, dependen en gran medida del sistema catalítico seleccionado para acelerar la reacción (Benjumea, Agudelo & Cano, 2004).

2. Metodología

2. 1 Diseño y construcción del sistema de extracción del aceite de semilla de algodón

Se diseña un prototipo para la extracción de aceite, con una capacidad de procesamiento de 50 kg/h de semilla de algodón, a través de soft-ware SolidWorks 2008. El equipo consta de un tornillo sin fin, canastilla de compresión, tubo de transporte, cono de contrapresión, láminas y bridas de sujeción, y porta-rodamientos, como se muestra en la Figura 1 (a y b).




Figura 1. Sistema diseñado para la extracción de aceite de la semilla de algodón, con tornillo sin fin de: a) paso constante - altura variable y b) paso variable - altura constante

Fuente: elaboración propia.

El tornillo sin fin tiene como función compri-mir la semilla para separar el aceite de la torta. En este sistema se plantean dos posibilidades: un tornillo con paso constante y altura variable; y un tornillo con paso variable y altura constante; ambos utilizados en la extracción de aceite de semillas oleaginosas. La relación de compresión definida para el diseño de los tornillos fue de 2:1, la cual se determina después de las pruebas pre-liminares realizadas en el laboratorio por medio de una prensa manual.

El tornillo sin fin de paso constante y altura variable se observa en la Figura 2 (a) y se diseña como una pieza cónica en acero AISI 4140, con paso de 0.048 m y una parte roscada de 0.045 m para el ajuste del cono de contrapresión.

El tornillo sin fin de paso variable y altura constante se observa en la Figura 2 (b) y consta de tres secciones de igual longitud. La primera es de alimentación con un paso de 0,0635 m. La segunda tiene un paso de 0,0508 m; en esta

sección se inicia la compresión de la semilla, dejando interrupciones del filete para darle espacio a cuchillas raspadoras que buscan romper la homogeneidad de la torta, y faci-litar su transporte y compresión. Finalmente, la tercera sección tiene un paso de 0,0381 m; aquí es donde se realiza la mayor compresión de la semilla.

Figura 2. Tornillos sin fin diseñados para el sistema de extracción de aceite de semilla de algodón: a) paso constante y altura variable; b) paso variable y altura constante


El diseño teórico del tornillo de potencia se realiza de acuerdo con la metodología pre-sentada en el libro de elementos de máquinas de Hamrock et al. (2000), la cual se basa en el sistema inglés.

El perfil de rosca utilizado es el ACME, que tiene un ángulo de rosca de 29°, por cuanto los esfuerzos que se presentan, debido a la com-presión de la semilla, son altos; la capacidad de procesamiento del equipo se utiliza para definir el paso, el diámetro de cresta y la clase de tornillo a utilizar. Los datos de diseño son los siguientes:


• Tornillo de rosca simple, (l = p)

• Paso (p)= 1.5 in

• Diámetro de cresta (dc)= 2.95 in

• Ángulo de rosca (β)= 29°

• Motorreductor eléctrico de 4 Hp, a 43 RPM

• Coeficiente de fricción tornillo – semillas (μ) = 0.3

• Coeficiente tornillo – collarín (μc) = 0

El diámetro de paso (dp) y el ángulo de avan-ce (α), se hallan a través de las ecuaciones 1 y 2, respectivamente:

(1)

(2)

El ángulo θn que se origina por la fuerza sobre la diagonal del paralelepípedo, se calcula siguiendo la ecuación 3.

(3)

El torque que entrega el motorreductor de 4 Hp (26400lb-in/s), se obtiene mediante la ecuación 4.

(4)

Para determinar la fuerza máxima de empuje que puede entregar el tornillo, las consideracio-nes y cálculos realizados se reemplazan en la ecuación 5.

(5)

Utilizando el área anular entre el tornillo y la canastilla de compresión, se estima la presión máxima ejercida por el sistema, tomando una condición ideal, en la cual la masa de semillas se encuentra lo más compactada posible, como se representa en la Figura 3.

Figura 3. Área anular del tornillo diseñado

Fuente: López (2008).

El área anular del tornillo y la presión máxima ejercida por el sistema de extracción se determinan en concordancia con las ecuaciones 6 y 7, respectivamente:

(6)

(7)

La función de la canastilla de compresión es albergar el tomillo sin fin y brindar las condi-ciones necesarias para extraer el aceite; para el diseño se tomó como base un tubo sin costuras de acero AISI 1040, el cual se selecciona por la disponibilidad que tiene en el mercado y su diámetro interno de 0,077 m, adecuado para que el tornillo gire libremente con una tolerancia de 0,001m; además, su espesor de pared de 0,0113 m puede soportar las presiones internas origi-nadas por el proceso de extracción. Para iniciar los cálculos, se debe determinar si el tubo es un cilindro de pared delgada o gruesa, para lo cual se utiliza la relación entre el diámetro interior y el espesor de la pared, dando como resultado un valor de 6.3; como la relación es menor a 40, entonces tiene el comportamiento de un cilindro de pared gruesa. Los cálculos se realizan con una presión interna de 21.3 MPa, dado que es el valor máximo que se puede alcanzar con el motorreductor seleccionado. Los datos utilizados para el diseño son los siguientes:

• Presión interna = 21.3 MPa

• Radio externo = 0.0498 m

• Radio interno = 0.0385 m

• Módulo de elasticidad = 200 GPa

• Relación de Poisson = 0.29



• Resistencia a la fluencia = 350 MPa (Hamrock et al., 2000).

Las ecuaciones que permiten encontrar los esfuerzos radiales (σr) y circunferenciales (σθ) presentes en un cilindro de pared gruesa presu-rizado internamente, son la 8 y la 9 (Hamrock et al., 2000):

(8)

(9)

El esfuerzo circunferencial es de tensión y el esfuerzo radial de compresión. Los esfuerzos máximos ocurren en r = ri y son:

De acuerdo con los resultados anteriores, se encuentra que por medio de los esfuerzos principales presentes en el sistema, se determina el esfuerzo equivalente de Von Mises, como se muestra en la ecuación 10.

(10)

Para determinar el factor de seguridad teórico de la canastilla de compresión, se utiliza la teoría de la energía de distorsión siguiendo la ecuación 11, a partir de la cual se predice la fluencia bajo cargas combinadas con mayor exactitud que cualquier otra teoría.

(11)

La deformación radial presente en la canasti-lla es hacia afuera y se obtiene con la ecuación 12.

(12)

La configuración final de los sistemas cons-truidos se puede observar en la Figura 4 (a y b).

Figura 4. Sistema construido para la extracción de aceite de la semilla de algodón, con tornillo sin fin de: a) paso constante - altura variable y b) paso variable - altura constante


2. 2 Diseño y construcción del sistema de calenta-miento y humidificación de la semilla

El sistema de calentamiento y humidificación (Figura 5) permite establecer las condiciones de temperatura y humedad de la semilla que ingresa al sistema de extracción. En la entrada del ducto de calentamiento, se ubica un soplador encargado de suministrar un flujo de aire constante; a continua-ción, en la sección cilíndrica del ducto, se instalan dos resistencias de calentamiento que permiten elevar la temperatura de dicho fluido; por último, se coloca una boquilla de aspersión que hace parte del sistema de humidificación conectado a una válvula On/Off, a través de la cual se controla la entrada de agua al sistema, con el fin de aumentar la humedad del flujo de aire caliente. Este flujo de aire precalentado y humidificado ingresa a la tolva mediante un tubo que presenta orificios para distribuir el aire a la semilla procesada.

Figura 5. Válvula On/Off del sistema de humidificación y resistencias eléctricas del sistema de calentamiento




2. 3 Pruebas realizadas

Para determinar la influencia de la humedad y la temperatura en el proceso de extracción de aceite de la semilla de algodón, se realizaron 90 pruebas de 2000 gramos cada una. La semilla de algodón utilizada en las pruebas fue de la variedad Gossica MC-23, propia de la zona norte de Colombia y la cual fue adquirida en el departamento de Córdoba.

Se realizaron 3 ensayos para cada uno de los 6 valores de humedad diferentes (0 %, 2 %, 4 %, 6 %, 8 % y 10 % por encima de la condi-ción ambiente), y para 5 valores diferentes de temperatura.

Las condiciones de realización de las pruebas fueron:

• Velocidad de rotación: 43 RPM

• Relación Almendra – Cáscara 7: 1

• Temperatura de la semilla: 29, 50, 60, 70 y 81 °C

• Flujo de aire del soplador de 2 m3/s

La eficiencia del proceso de extracción se determina atendiendo a la relación entre la masa de la semilla a la entrada y la masa del aceite extraído al final del proceso.

Para establecer si la humedad de la semilla en el proceso de extracción influye en el uso del aceite como materia prima para la obten-ción de biodiésel, se procede a cuantificar la magnitud de este parámetro en el aceite al final del proceso.

Se realizaron 12 pruebas en el laboratorio de análisis químico, las cuales consistieron en la determinación de la masa del aceite en condi-ciones iniciales, un proceso posterior de secado a una temperatura de 85°C (por un intervalo de 4 horas) y la cuantificación del mismo parámetro al final de la prueba. La diferencia en masa se define como la cantidad de agua contenida en la muestra.

Las pruebas fueron realizadas al aceite obte-nido en las condiciones de mayor eficiencia del proceso de extracción (60, 70 y 81°C; y 2, 4, 6, 8 y 10 % de humedad relativa), valores que se com-pararon con los máximos permitidos, para que el aceite pueda ser catalogado como adecuado para el proceso de transesterificación.

3. Resultados y discusión

Los resultados del proceso de diseño de-tallado del tornillo de potencia y la carcasa de compresión, se relacionan en las Tablas 1 y 2.

Tabla 1. Resultados diseño detallado del tornillo de potencia


Tabla 2. Resultados diseño detallado de la carcasa de compresión


Antes de realizar las pruebas de extracción, se verifica el comportamiento del sistema de control que garantiza el valor de las variables de temperatura y humedad de la semilla, antes de entrar en el tornillo extrusor. Lo más impor-tante de este ensayo es determinar el tiempo requerido para alcanzar los valores definidos en cada una de las variables involucradas en el proceso.



Figura 6. Comportamiento de las variables Temperatu-ra y Humedad durante el proceso de extracción de aceite


En la Figura 6 se observa que el sistema permite alcanzar la temperatura de 81°C en un tiempo de 1820 s, y la humedad de 10 % de la semilla, en un tiempo de 225 s, los cuales son los parámetros máximos definidos para las pruebas que se van realizar. Esto indica que para empezar a procesar la semilla en condiciones controladas, se debe esperar como mínimo un tiempo aproxi-mado de 30 minutos después de encendidos los sistemas de calentamiento y humidificación.

Tomando como base la proporción entre almendra – cáscara, que permite un mejor ren-dimiento en la máquina, se procede a determinar cómo influye la temperatura y la humedad en el proceso de extracción del aceite. La Figura 7 muestra los resultados promedios de las pruebas realizadas, con temperaturas constantes de 29, 50, 60, 70 y 81°C; y humedades relativas constantes de 0%, 2%, 4%, 6%, 8% y 10 %, por encima de la condición ambiente.

Figura 7. Influencia de la Humedad de la semilla de al-godón en la cantidad de aceite extraído durante el proceso


La cantidad de almendra - cáscara utilizada en la prueba fue de 2000g, lo que da como resul-tado una eficiencia del proceso de extracción en el punto más alto de 20.9 %, con una desviación estándar de 0.1%, para una temperatura de 81°C y una humedad relativa de 4 % (por encima de las condiciones ambiente).

Figura 8. Correlación entre la Humedad de la semilla de algodón y la cantidad de aceite extraído


El valor de la eficiencia de extracción obtenido está por encima de los valores promedios relacio-nados en los trabajos de Rehm y Espig (1991), y Duke (1983), y el cual corresponde a un 15 %.

La Figura 8 muestra una dependencia po-linomial de cuarto grado entre la cantidad de aceite conseguido en los ensayos y la humedad relativa de la semilla a la entrada del tornillo sin fin. La temperatura máxima de los ensayos realizados fue de 81°C, con el fin de evitar que el sobrecalentamiento presente en el sistema de extracción -producto de la fricción entre la semilla, el tornillo sin fin y la canastilla de compresión- sometiera a la mezcla de almendra laminada y cáscara a temperaturas superiores a los 95°C constantes; derivado de ello, se origina una pérdida de propiedades del aceite obtenido y de la torta residual (demasiado seca, baja en proteínas y poca fibra).

Se pudo determinar que la temperatura y hu-medad de la semilla de algodón a la entrada del proceso, influyen en la eficiencia de extracción mecánica de aceite; comportamiento similar al que se reporta para el fruto de la palma africana (Rubiano, 1997) y la semilla de Sacha Inchi (Pascual & Mejía, 2000).

El ensayo para establecer la humedad en el aceite conseguido después del proceso de extrac-



ción -en cada una de las tres pruebas-, se realiza mediante un secado a 85 °C, por un periodo de 4 horas. Los resultados se encuentran relacionados en la Figura 9.

Figura 9. Porcentaje de Humedad presente en el aceite extraído a diferentes condiciones de entrada de humedad de la semilla


Los resultados muestran que el porcentaje de humedad máximo presente en el aceite es del 0,37 %, valor que se encuentra dentro del rango necesario para ser utilizado como materia prima en la consecución de biodiésel, ya que debe estar por debajo del 0,5 %, como se recomienda en Díaz, Brachna, Sánchez, Okulik y Mattea (2004).

Los valores de humedad obtenidos en el acei-te son independientes del porcentaje de humedad y la temperatura de la semilla en el momento de ingresar al sistema de extracción; esto, como consecuencia, principalmente, de que la presión y la fricción dentro de la canastilla de compresión elevan la temperatura hacia el final del tornillo sin fin, lo que podría evaporar parte de la humedad y dejarla dentro del rango recomendado.

4. Conclusiones

El diseño, la fabricación y las pruebas permi-tieron identificar que el tornillo de paso constante y altura variable es el más adecuado para utilizar en el proceso de extracción de aceite de semillas de algodón, por cuanto su fabricación es más sencilla, las discontinuidades del paso a lo largo del tornillo homogenizan de una mejor manera la torta, y el proceso de compresión y extracción de aceite es más eficiente.

La eficiencia en la extracción del aceite de se-milla de algodón, presentó una condición óptima de humedad relativa de 4 % -por encima de las condiciones medioambientales- a la entrada del tornillo sin fin; de este modo, se pudo conseguir una eficiencia máxima de extracción de 20.9 %, con una desviación estándar de 0.1%, a una tem-peratura de 81°C. Este valor está limitado a 95°C constantes dentro de la canastilla de compresión, debido a que temperaturas más altas originan pérdidas en las propiedades del aceite y en la torta residual del proceso.

El porcentaje de humedad influye de manera significativa en la eficiencia del proceso de con-secución de aceite; esto, en tanto expande las celdas donde se encuentra contenido el aceite y facilita su extracción. Sin embargo, no influye en su potencial para ser usado como materia prima en el proceso de transesterificación para la obtención de biodiésel.

Agradecimientos

Un agradecimiento a los ingenieros Jaime Llorente Banquez, Román Sarmiento Ferreira, Leidy Olarte y Juan José Arias, quienes, me-diante el desarrollo de sus proyectos de grado, facilitaron la construcción y automatización del sistema de extracción utilizado en las pruebas realizadas.

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