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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA
DISEÑO DE UNA PLANTA DE SAPONIFICACIÓN PARA EL
APROVECHAMIENTO DEL ACEITE VEGETAL DE DESECHO
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA
QUÍMICA
NADIA ANDREA BOMBÓN ALBÁN
DIRECTOR: ING. MARCELO ALBUJA TORRES, MSc.
Quito, enero 2014
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©Escuela Politécnica Nacional (2014) Reservados todos los derechos de reproducción.
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DECLARACIÓN
Yo, Nadia Bombón, declaro que el trabajo aquí escrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por La ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
____________________________ Nadia Andrea Bombón Albán
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CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Nadia Bombón, bajo mi supervisión.
______________________ Ing. Marcelo Albuja Torres, MSc.
DIRECTOR DEL PROYECTO
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AGRADECIMIENTOS
“Jesucristo es mi fortaleza y mi escudo; En él confió mi corazón, y fui ayudado”
Salmo 28:7
Primero quiero dar gracias a Dios, por su amor incondicional, porque sujeta de
su mano lo imposible es posible para mi.
A mi familia, a mi papi, por ser el pilar fundamental de mi hogar, por su ejemplo
de superación diaria siendo él mi motivación constante para lograr todas mis
metas, a mi mami, por siempre darme palabras de aliento en el momento
oportuno y compartir conmigo mis penas y alegrías, a mi hermana Tannia por
siempre darme consejos sabios enseñándome el camino por donde debo ir, a mi
hermano Paul por llenar mi vida de alegría, a mi hermana Paulina por ser la
hermana amorosa que cuidó siempre de mi, a mi sobrino Niquito por llenar mi
vida de un amor único e inexplicable con la capacidad de desaparecer todas mis
preocupaciones con sólo un abrazo. La bendición más grande que me pudo dar
Dios son ustedes, mi familia, sin su apoyo no pudiera estar cumpliendo hoy esta
meta que me trace.
A Edi, que ha compartido junto a mi cada momento de mi vida, ayudándome
amorosamente en los momentos difíciles y celebrando conmigo todos mis
triunfos, gracias por ser mi ángel guardián.
A Vero la hermana que yo escogí, gracias por ser mi confidente y por compartir
conmigo cada momento de mi vida, tomando mis problemas como si fueran
tuyos y mis alegrías celebrándolas a mi lado con toda sinceridad.
Quiero agradecer de manera muy especial a mi querido tutor, el Ingeniero
Marcelo Albuja Torres, el cual creyó en mi cuando yo había perdido la fe,
enseñándome a enfrentar las dificultades con alegría.
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Al laboratorio de Operaciones Unitarias en especial al Ingeniero Mario Aldás
porque sus enseñanzas fueron más allá de las académicas sino fueron también
enseñanzas de vida, así también al Tecnólogo Camilo Peñaloza por su ayuda
incondicional y desinteresada en el desarrollo de la parte experimental.
A mis queridos amigos Carlita, Taty, Eli, Crix, Mayrita, Lili, Joy, Norita, Juanpa,
Jaz y Cris P. gracias por ser más que compañeros de clases sino compañeros de
alegrías y tristezas y por supuesto de locuras, porque en ustedes siempre
encontré ayuda, comprensión, consejos y palabras de aliento. Gracias por
hacerme reír aún en los momentos de tristeza, capacidad única atribuida a
ustedes.
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DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mi padre celestial, el rey de mi vida, al cual le debo todo
lo que soy, lo que tengo y lo que tendré.
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INDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA RESUMEN……………………………………………………………………………….xiv INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ xvi 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ................................................................................ 1
1.1. Contaminación producida por aceites vegetales de desecho ............................ 1 1.1.1. Contaminación del agua por aceites vegetales de desecho .................. 2 1.1.2. Contaminación del suelo por aceites vegetales de desecho .................. 5
1.2. Métodos de purificación de aceites vegetales de desecho ................................ 7
1.2.1 Técnicas disponibles para el tratamiento de residuos........................... 7 1.2.2 Filtración de aceite vegetal de desecho .............................................. 12 1.2.3 Purificación de aceite vegetal de desecho por tratamiento con
adsorbentes ........................................................................................ 13 1.2.3.1. Mecanismo de adsorción .................................................... 13 1.2.4 Purificación de aceite vegetal de desecho por extracción a alta
presión………………………………….................................... ....... 14 1.2.4.1. Purificación de aceite vegetal de desecho por
extracción con fluidos super críticos .................................. 15 1.2.5 Desacidificación de aceite vegetal de desecho ................................... 16
1.3. Saponificación ................................................................................................ 18
1.3.1. Materias primas .................................................................................. 18 1.3.2. Composición química de aceites y grasas .......................................... 19 1.3.3. Reacción de saponificación ................................................................ 19 1.3.4. Métodos de saponificación ................................................................. 21 1.3.4.1. Proceso en frío ................................................................... 21 1.3.4.2. Proceso en caliente ............................................................. 22 1.3.5. Fabricación industrial de jabón .......................................................... 22
2. MATERIALES Y MÉTODOS................................................................................ 25
2.1. Materiales ....................................................................................................... 25
2.2. Muestreo y caracterización del aceite vegetal de desecho ............................. 26 2.2.1. Muestreo del aceite vegetal de desecho .............................................. 26 2.2.2. Caracterización del aceite vegetal de desecho .................................... 27
2.3. Purificación del aceite vegetal de desecho ..................................................... 27
2.4. Caracterización química del aceite vegetal purificado ................................... 28
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2.5. Evaluación del proceso de saponificación del aceite vegetal de desecho purificado ........................................................................................................ 28 2.5.1. Método estadístico para la determinación de las mejores
condiciones de reacción de saponificación de aceite vegetal purificado ........................................................................................... 29
2.5.1.1. Tablas de análisis de varianza de las variables de salida ................................................................................ 29
2.5.1.2. Verificación de la adecuación del modelo ......................... 31 2.5.1.3. Determinación de las mejores condiciones de
reacción de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma .................................. 32
2.6. Diseño de la planta a escala piloto ................................................................. 32
2.7. Evaluación de la rentabilidad del proyecto .................................................... 35
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................. 36
3.1. Muestreo y caracterización del aceite vegetal de desecho ............................. 36 3.1.1. Muestreo del aceite vegetal de desecho .............................................. 36 3.1.2. Características del aceite vegetal de desecho ..................................... 36
3.2. Purificación de aceite vegetal de desecho ...................................................... 38
3.3. Características del aceite vegetal purificado .................................................. 39
3.4. Evaluación del proceso de saponificación del aceite vegetal de desecho
purificado ........................................................................................................ 41 3.4.1. Método estadístico para la determinación de las mejores
condiciones de reacción de saponificación de aceite vegetal purificado ........................................................................................... 42
3.4.1.1. Tablas de análisis de varianza de las variables de salida .................................................................................. 42
3.4.1.2. Determinación de las mejores condiciones de reacción de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma .................................. 46
3.5. Diseño de la planta de saponificación a escala piloto .................................... 59 3.5.1. Diagrama de bloques para la planta de saponificación a escala
piloto ............................................................................................ 59 3.5.2. Dimensiones de los equipos diseñados para la planta de
saponificación a escala piloto ............................................................ 61 3.5.3. Dimensiones de los equipos seleccionados del mercado para la
planta de saponificación a escala piloto ............................................ 67 3.5.4. Diagramas de la planta de saponificación a escala piloto .................. 70
3.6. Evaluación de la rentabilidad del proyecto .................................................... 75
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4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 80
4.1. Conclusiones .................................................................................................. 80
4.2. Recomendaciones ........................................................................................... 81 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 82 ANEXOS ........................................................................................................................ 9393
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INDICE DE TABLAS
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Tabla 1.1 Resumen de las técnicas de tratamiento de residuos ................................. 7 Tabla 1.2 Índice de saponificación de grasas empleadas en la
saponificación ......................................................................................... 21 Tabla 2.1 Materiales ................................................................................................ 25 Tabla 2.2 Reactivos ................................................................................................. 25 Tabla 2.3 Equipos .................................................................................................... 25 Tabla 2.4 Tabla de Análisis de Varianza de un diseño factorial con dos
factores .................................................................................................... 31 Tabla 3.1 Muestra probabilística estratificada de locales comerciales de
comida rápida del sector de la Mariscal .................................................. 36 Tabla 3.2 Índice de acidez de aceite vegetal de desecho ........................................ 36 Tabla 3.3 Porcentaje de Acidez de aceite vegetal de desecho................................. 37 Tabla 3.4 Contenido de Impurezas insolubles de aceite vegetal de desecho .......... 37 Tabla 3.5 Índice de Saponificación de aceite vegetal de desecho ........................... 38 Tabla 3.6 Índice de acidez de aceite vegetal de desecho purificado ....................... 39 Tabla 3.7 Porcentaje de Acidez de aceite vegetal de desecho purificado ............... 39 Tabla 3.8 Contenido de Impurezas insolubles de aceite vegetal de desecho
purificado ................................................................................................ 40 Tabla 3.9 Índice de Saponificación de aceite vegetal de desecho purificado ......... 40
Tabla 3.10 Rendimiento obtenido en la reacción de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma............................ 41
Tabla 3.11 Materia insoluble en agua del jabón obtenido en la reacción de
saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma .................................................................................................. 41
Tabla 3.12 Alcalinidad libre del jabón obtenido en la reacción de
saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma .................................................................................................. 42
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Tabla 3.13 Acidez libre del jabón obtenido en la reacción de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma ................... 42
Tabla 3.14 Humedad del jabón obtenido en la reacción de saponificación de
la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma ........................ 42
Tabla 3.15 Análisis de varianza para el rendimiento obtenido en la reacción de saponificación de la mezla de aceite vegetal purificado y aceite de palma ........................................................................................ 43
Tabla 3.16 Análisis de varianza para la materia insoluble en agua del jabón
obtenido en la reacción de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma ....................................................... 44
Tabla 3.17 Análisis de varianza para la alcalinidad libre del jabón obtenido
en la reacción de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma ................................................................... 44
Tabla 3.18 Análisis de varianza para la acidez libre del jabón obtenido en la
reacción de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma ................................................................... 45
Tabla 3.19 Análisis de varianza para la humedad del jabón obtenido en la
reacción de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma ................................................................... 46
Tabla 3.20 Mínimos Cuadrados Medios para el rendimiento de la reacción
de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma con un grado de 95% de confianza ................................ 47
Tabla 3.21 Mínimos Cuadrados Medios para la materia insoluble en agua
del jabón obtenido en la reacción de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma con un grado de 95% de confianza .................................................................................... 49
Tabla 3.22 Mínimos Cuadrados Medios para la alcalinidad libre del jabón
obtenido en la reacción de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma con un grado de 95% de confianza ................................................................................................. 52
Tabla 3.23 Mínimos Cuadrados Medios para la acidez libre del jabón
obtenido en la reacción de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma con un grado de 95% de confianza ................................................................................................. 55
Tabla 3.24 Mínimos Cuadrados Medios para la humedad del jabón obtenido
en la reacción de saponificación de la mezcla de aceite vegetal purificado y aceite de palma con un grado de 95% de confianza ........... 57
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Tabla 3.25 Dimensiones del tanque diseñado para el almacenamiento de aceite vegetal de desecho ........................................................................ 61
Tabla 3.26 Dimensiones del tanque diseñado para el almacenamiento de
aceite vegetal de palma ........................................................................... 62 Tabla 3.27 Dimensiones del tanque agitado con chaqueta de calentamiento
diseñado para el lavado de aceite vegetal desecho con solución de salmuera .............................................................................................. 62
Tabla 3.28 Dimensiones del tanque agitado con chaqueta de calentamiento
diseñado para el blanqueo del aceite vegetal desecho............................. 63
Tabla 3.29 Dimensiones del tanque agitado con chaqueta de calentamiento diseñado para la saponificación de aceite vegetal purificado ................. 64
Tabla 3.30 Dimensiones del tanque diseñado para la preparación de la
solución de salmuera ............................................................................... 65 Tabla 3.31 Dimensiones del tanque diseñado para la preparación de la
solución de peróxido de hidrógeno ......................................................... 65 Tabla 3.32 Dimensiones del tanque diseñado para la preparación de la
solución saponificante ............................................................................. 66 Tabla 3.33 Parámetros característicos de las bombas que operan en la planta
de saponificación a escala piloto ........................................................... 677
Tabla 3.34 Especificaciones de los tanques seleccionados del mercado para almacenamiento de aceite........................................................................ 67
Tabla 3.35 Especificaciones de los tanques seleccionados del mercado para
preparación de soluciones ....................................................................... 67 Tabla 3.36 Especificaciones del filtro seleccionado del mercado para la
purificación de aceite vegetal de desecho ............................................... 68 Tabla 3.37 Especificaciones de los tanques seleccionados del mercado con
agitación y chaqueta de calentamiento .................................................... 68 Tabla 3.38 Equipos seleccionados del mercado para el acabado del jabón .............. 69 Tabla 3.39 Especificaciones de la banda transportadora seleccionada del
mercado para el acabado del jabón ......................................................... 69 Tabla 3.40 Diagrama de Gantt para el funcionamiento de la planta de
saponificación a escala piloto .................................................................. 71
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Tabla 3.41 Inversión de equipos para la planta de saponificación a escala piloto ....................................................................................................... 75
Tabla 3.42 Terrenos y Construcciones ...................................................................... 76
Tabla 3.43 Equipos de Inspección y Prueba ............................................................. 76 Tabla 3.44 Otros Activos .......................................................................................... 77 Tabla 3.45 Capital fijo para la planta de saponificación a escala piloto ................... 77 Tabla 3.46 Nómina de personal administrativo y fuerza laboral .............................. 77 Tabla 3.47 Costos de materia prima, reactivos y suministros ................................... 78 Tabla 3.48 Capital de trabajo para la planta de saponificación de aceite
vegetal purificado .................................................................................... 78 Tabla 3.49 Inversión Total ........................................................................................ 78 Tabla 3.50 Indicadores Económicos ......................................................................... 79
Tabla A II.1 Masa de la muestra de ensayo ................................................................. 99 Tabla A II.2 Elección de ácido graso para la expresión de la acidez......................... 108 Tabla A XI.1 Especificaciones del jabón en barra ...................................................... 148 Tabla A XII.1 Propiedades químicas empleadas para el desarrollo del balance
de masa .................................................................................................. 150 Tabla A XII.2 Relaciones importantes para el desarrollo del balance de masa ........... 150 Tabla A XIII.1 Resistencia de trabajo del acero inoxidable 304 a las
temperaturas de operación de los tanques involucrados en el proceso de purificación y saponificación de aceite vegetal de desecho .................................................................................................. 162
Tabla A XIII.2 Listado de tuberías ................................................................................ 174 Tabla A XV.1 Parámetros de entrada para la determinación de los indicadores
económicos ............................................................................................ 194 Tabla A XV.2 Tabla de Flujo de Fondos ...................................................................... 195
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ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1.1 Contaminación de ríos por aceite vegetal de desecho ............................... 4 Figura 1.2 Contaminación de ríos por aceite vegetal de desecho ............................... 5 Figura 1.3 Diagrama de flujo de la fabricación industrial de jabón de ropa y
de tocador ................................................................................................ 24 Figura 3.1 Gráfico de medias del rendimiento alcanzado en la reacción de
saponificación para cada uno de los niveles de temperatura ................... 48 Figura 3.2 Gráfico de medias del rendimiento alcanzado en la reacción de
saponificación para cada uno de los niveles de % de aceite de palma ....................................................................................................... 48
Figura 3.3 Gráfico de medias de la materia insoluble en agua del jabón
obtenido en la reacción de saponificación para cada uno de los niveles de temperatura ............................................................................. 50
Figura 3.4 Gráfico de medias de la materia insoluble en agua del jabón
obtenido en la reacción de saponificación para cada uno de los niveles de % de aceite de palma .............................................................. 51
Figura 3.5 Gráfico de medias de la alcalinidad libre del jabón obtenido en
la reacción de saponificación para cada uno de los niveles de temperatura .............................................................................................. 53
Figura 3.6 Gráfico de medias de la alcalinidad libre del jabón obtenido en
la reacción de saponificación para cada uno de los niveles de % de aceite de palma ................................................................................... 54
Figura 3.7 Gráfico de medias de la acidez libre del jabón obtenido en la
reacción de saponificación para cada uno de los niveles de temperatura .............................................................................................. 55
Figura 3.8 Gráfico de medias de la acidez libre del jabón obtenido en la
reacción de saponificación para cada uno de los niveles de % de aceite de palma ........................................................................................ 56
Figura 3.9 Gráfico de medias de la humedad del jabón obtenido en la
reacción de saponificación para cada uno de los niveles de temperatura .............................................................................................. 57
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Figura 3.10 Gráfico de medias de la humedad del jabón obtenido en la reacción de saponificación para cada uno de los niveles de % de aceite de palma ........................................................................................ 58
Figura 3.11 Diagrama de bloques para la saponificación de la mezcla de
aceite vegetal purificado y aceite de palma ............................................. 60 Figura 3.12 Distribución de los equipos en planta para la saponificación de
aceite vegetal purificado ......................................................................... 72 Figura 3.13 Diagrama de flujo de la planta de saponificación de aceite
vegetal purificado .................................................................................... 73 Figura 3.14 Diagrama de eliminación de residuos y efluentes para la planta
de saponificación a escala piloto ........................................................... 734 Figura A V.1 Aceite vegetal de desecho ..................................................................... 119 Figura A V.2 Aceite vegetal purificado ...................................................................... 119 Figura A X.1 Probabilidad normal de los residuales del rendimiento de la
reacción de saponificación de aceite vegetal purificado ....................... 133 Figura A X.2 Residuos vs predichos para el rendimiento de la reacción de
saponificación de aceite vegetal purificado .......................................... 134 Figura A X.3 Residuos vs número de corrida para el rendimiento de la
reacción de saponificación de aceite vegetal purificado ....................... 134 Figura A X.4 Probabilidad normal de los residuales de la materia insoluble en
agua del jabón obtenido de la reacción de saponificación de aceite vegetal purificado ....................................................................... 135
Figura A X.5 Residuos vs predichos de la materia insoluble en agua del jabón
obtenido en la reacción de saponificación de aceite vegetal purificado .............................................................................................. 136
Figura A X.6 Residuos vs número de corrida para la materia insoluble en agua
del jabón obtenido en la reacción de saponificación de aceite vegetal purificado .................................................................................. 136
Figura A X.7 Probabilidad normal de los residuales de la alcalinidad libre del
jabón obtenido en la reacción de saponificación de aceite vegetal purificado .............................................................................................. 137
Figura A X.8 Residuos vs predichos de la alcalinidad libre del jabón obtenido
en la reacción de saponificación de aceite vegetal purificado .............. 138
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Figura A X.9 Residuos vs número de corrida para la alcalinidad libre del jabón obtenido en la reacción de saponificación de aceite vegetal purificado .............................................................................................. 139
Figura A X.10 Probabilidad normal de los residuales de la acidez libre del
jabón obtenido en la reacción de saponificación de aceite vegetal purificado .............................................................................................. 140
Figura A X.11 Residuos vs predichos de la acidez libre del jabón obtenido en la
reacción de saponificación de aceite vegetal purificado ....................... 141 Figura A X.12 Residuos vs número de corrida para la acidez libe del jabón
obtenido en la reacción de saponificación de aceite vegetal purificado .............................................................................................. 142
Figura A X.13 Probabilidad normal de los residuales de la humedad del jabón
obtenido en la reacción de saponificación de aceite vegetal purificado .............................................................................................. 143
Figura A X.14 Residuos vs predichos de la humedad del jabón obtenido en la
reacción de saponificación de aceite vegetal purificado ....................... 144 Figura A X.15 Residuos vs número de corrida para la humedad del jabón
obtenido en la reacción de saponificación de aceite vegetal purificado .............................................................................................. 145
Figura A XIII.1 Parámetros de diseño de un tanque ....................................................... 159 Figura A XIII.2 Esfuerzo vs elongación para diferentes materiales ............................... 163 Figura A XIII.3 Dimensiones sedimentador ................................................................... 165 Figura A XIII.4 Agitador de turbina estándar ................................................................. 167 Figura A XIII.5 Factores de forma para agitadores de turbina........................................ 169 Figura A XIII.6 Gráfica del Número de potencia en función del número de
Reynolds para sistemas de agitación ..................................................... 169 Figura A XIII.7 Número de potencia frente a número de Reynolds para rodetes
de tres palas ........................................................................................... 170 Figura A XIII.8 Carta de cobertura de bombas basada en rangos normales de
operación de bombas comercialmente disponibles ............................... 174 Figura A XIII.9 Gráfica de altura vs flujo volumétrico para selección del tipo de
bomba centrífuga ................................................................................... 175 Figura A XIV.1 Especificación de construcción del tanque sedimentador ..................... 178
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Figura A XIV.2 Ilustración del tanque de almacenamiento ............................................ 180 Figura A XIV.3 Especificaciones de construcción del tanque agitado ........................... 181 Figura A XIV.4 Ilustración del filtro al vacío ................................................................. 182 Figura A XIV.5 Ilustración del tanque agitado con chaqueta de calentamiento ............. 184 Figura A XIV.6 Ilustración del atomizador ..................................................................... 185 Figura A XIV.7 Especificaciones de construcción del atomizador ................................. 186 Figura A XIV.8 Ilustración del compresor ...................................................................... 187 Figura A XIV.9 Ilustración de la cortadora...................................................................... 188 Figura A XIV.10 Ilustración de la empaquetadora .......................................................... 189 Figura A XIV.11 Ilustración de la banda transportadora ................................................. 191 Figura A XIV.12 Curva característica de la bomba centrífuga ........................................ 193
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ÍNDICE DE ANEXOS
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ANEXO I Determinación de la Muestra Probabilística Estratificada…… .......................... ………..994
ANEXO II Norma ISO 660 (2003): Grasas y Aceites Animales y Vegetales. Determinación del Índice de Acidez y Acidez ............................................................................................. 96
ANEXO III Norma INEN 40 (1973): Grasas y Aceites Comestibles. Determinación del Índice de Saponificación ................................................................................................... 110
ANEXO IV Norma INEN 180 (1999): Aceites y Grasas Vegetales y Animales. Determinación del Contenido de Impurezas Insolubles .................................................... 114
ANEXO V Aceite vegetal de desecho y aceite vegetal purificado ...................................................... 119
ANEXO VI Norma INEN 816 (1982): Agentes Tensoactivos Determinación de la Materia Insoluble en Agua .............................................................................................................. 120
ANEXO VII Norma INEN 821 (1982): Agentes Tensoactivos Determinación de Alcalinidades Libre y Total ............................................................................................... 123 ANEXO VIII Norma INEN 818 (1982): Agentes Tensoactivos Determinación de Humedad y Materia Volátil ................................................................................................................... 127
ANEXO IX Norma INEN 822 (1982): Agentes Tensoactivos Determinación de la Acidez Libre .................................................................................................................................. 130
ANEXO X Verificación de la adecuación del modelo ......................................................................... 133 ANEXO XI Norma INEN 839 (1981): Agentes Tensoactivos Jabón en Barra Requisitos ................... 146 ANEXO XII Balance de masa ................................................................................................................ 150
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ANEXO XIII Ejemplo de cálculo del diseño de los tanques ................................................................... 159 ANEXO XIV Hojas de especificación de los equipos que conforman la planta de saponificación a escala piloto ............................................................................................ 178 ANEXO XV Tabla de flujo de fondos .................................................................................................... 194
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RESUMEN
En el presente proyecto de titulación se diseñó una planta de saponificación para
el aprovechamiento de aceite vegetal de desecho (AVD). Como primer punto se
determinó el tipo de muestreo a emplearse, estableciendo un muestreo aleatorio
estratificado, por lo que se determinó la muestra aleatoria estratificada para la
recolección del AVD para su posterior caracterización, a través de la
determinación de ciertas características químicas como acidez, índice de acidez,
porcentaje de impurezas insolubles e índice de saponificación.
La purificación del AVD consistió en un lavado del mismo con solución de
salmuera al 5 % y del blanqueo del aceite con solución de peróxido de hidrógeno
al 2 %, después del lavado y del blanqueo se realizó filtraciones para reducir las
impurezas insolubles en el aceite.
Posterior a la purificación del AVD se caracterizó, para de esta manera cuantificar
las mejoras en las características químicas del aceite determinándose que el
aceite vegetal purificado presenta una disminución del 7,53 % en la acidez e
índice de acidez, 53,67 % en el contenido de impurezas insolubles y 2,33 % en el
índice de saponificación con respecto al aceite vegetal de desecho.
Una evaluación de la reacción de saponificación se realizó a través de un diseño
experimental factorial 32, variando diferentes temperaturas de reacción y
porcentajes de aceite de palma que conforma la mezcla de aceite a saponificar,
encontrándose que las mejores condiciones de reacción de saponificación de la
mezcla aceite vegetal purificado y aceite de palma es de 75 ºC y 15 % de aceite
de palma, debido a que se obtiene un mayor rendimiento y el producto obtenido
cumple con la norma INEN 839 (1981).
Para el diseño de la planta se determinó la capacidad de la misma, estableciendo
una capacidad a procesar de AVD de 43 200 L/año, con las mejores condiciones
de reacción, se realizó un balance de masa calculando que la planta tiene una
producción de 208 800 jabones/año.
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Posteriormente se diseñaron los equipos que conforman la planta, con las
dimensiones de los equipos determinados en el diseño se seleccionaron los
equipos que se encuentran ofertados en el mercado que cumplen con los
requerimientos de esta planta.
Se realizó la distribución de los equipos en planta (Lay out) y el diagrama de flujo.
Se analizó la rentabilidad del proyecto a través de los indicadores económicos
valor actual neto (VAN) y tasa interna de retorno (TIR), determinándose para este
proyecto valores de $ -70 208,44 y 4,76 % respectivamente.
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INTRODUCCIÓN
Los avances tecnológicos y el aumento de la población han producido un cambio
en la forma de vida, por lo cual la alimentación en la actualidad ha cambiado a tal
punto que la mayoría dependemos de la comida rápida y frituras, aumentando el
uso de los aceites comestibles.
El consumo de aceite vegetal aumentó rápidamente, en un 3,5 %, casi dos veces
más que la población mundial, la cual aumentó en 1,6 % entre los años 1980 y
2000 (Alade, Jameel y Muyubi, 2011, p. 162), por consiguiente aumentó la
generación de aceite vegetal de desecho. Se estima que más de 10 millones de
toneladas de aceite vegetal de desecho se generan en el mundo cada año.
Los aceites vegetales de desecho, son aquellos que han sido utilizados en los
procesos de cocción en restaurantes, comedores colectivos, industrias
alimenticias, etc. Un restaurante puede llegar a originar 50 litros o más al mes de
aceite vegetal de desecho; por cada litro de aceite comestible usado que es
vertido indiscriminadamente se contamina alrededor de 1000 litros de agua
(López, 2012, p.7; Ruiz, 2006, p. 11).
Durante el proceso de fritura el aceite presenta un gran número de reacciones
químicas complejas, por lo que el aceite empieza a degradarse; es de suma
importancia la purificación del aceite vegetal de desecho para eliminar los
potenciales contaminantes del mismo y así obtener un producto de suficiente
calidad como para ser fuente de materias primas en procesos de transformación
que permitan obtener nuevos productos.
La falta de una legislación específica para los aceites procedentes de usos
alimenticios, junto con el hecho de que la población en general produce los
aceites vegetales de desecho, provoca que la mayor parte de éstos tengan como
destino la red de alcantarillas.
Según el INEC (2010) el 73,14 % de la población no trata el aceite vegetal de
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xvii
desecho y lo descarga al desagüe con las debidas consecuencias como malos
olores, suciedad, sirve como alimento de ratas, cucarachas y otros insectos,
obstrucciones en las alcantarillas, disminución de la cantidad de oxígeno disuelto
afectando negativamente a la supervivencia de la vida acuática, además produce
una interferencia con el tratamiento aeróbico biológico que recibe el agua en las
diferentes plantas de tratamiento debido a problemas de sabor, olor desagradable
y turbidez necesitando métodos más eficaces para su tratamiento, generando un
incremento en los costos de tratamiento, es por esto que surge la necesidad de
plantear una alternativa para el aprovechamiento de aceites vegetales de desecho
como materias primas en la elaboración de jabones para así contribuir al medio
ambiente minimizando los vertidos incontrolados de los mismos (Alade, Jameel y
Muyubi, 2011, p. 163; INEC, 2010, p.1).
Las grasas y aceites más comunes utilizados para la producción de jabón son:
sebo animal, aceite de coco, aceite de palma, aceite de semilla de palma y aceite
de linaza. La demanda de estos materiales para diversas aplicaciones industriales
da como resultado un incremento en sus costos por lo que existe la necesidad de
explorar fuentes no convencionales de aceites para la producción de jabón que
aseguren que estén dentro de las especificaciones de normas establecidas
(Girgis, 2004, p. 264; Mak y Firempong, 2011, p. 1).
Con el funcionamiento de una planta con capacidad a tratar 120 L/día de aceite
vegetal de desecho, se estaría retirando de circulación, en esta ciudad, alrededor
de 43 200 L/año de aceite vegetal de desecho.
Con este proyecto se contribuye a cuidar el medio ambiente, además que los
datos obtenidos en este estudio pueden resultar de interés para empresas
dedicadas a la elaboración de jabones para lavar ropa, debido a que se puede
abaratar costos en el proceso productivo.
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1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1. CONTAMINACIÓN PRODUCIDA POR ACEITES
VEGETALES DE DESECHO
El desarrollo que ha experimentado la sociedad en el ámbito industrial y
tecnológico, promoviendo el bienestar humano ha traído importantes beneficios
que han mejorado la calidad de vida de las personas, pero también acarrea una
serie de consecuencias como la generación de grandes cantidades de residuos. A
medida que ha aumentado la población y se ha desarrollado, ha crecido con ella
la problemática referente a los residuos.
En un inicio, las soluciones al problema de los residuos consistieron básicamente
en la dispersión y dilución de los mismos al medio ambiente, basándose en una
supuesta capacidad indefinida del entorno para asimilar cualquier tipo de
contaminante (Elías, 2012a, p. 47).
Al surgir los problemas de espacio y al darse a conocer las características
persistentes, bioacumulativas y tóxicas de los componentes de los residuos, surge
la necesidad de controlar la generación y disposición de los mismos, generándose
así una concienciación pública dando lugar a la búsqueda de soluciones a los
problemas ambientales existentes.
Varias propuestas existen para la disposición de los desechos, entre las más
importantes se encuentran la minimización, que fomenta la reducción y
suspensión de la generación de residuos en los procesos productivos que los
crean y la valorización la cual recurre a una serie de técnicas para la reutilización
del desecho, a través de la recuperación de todas las materias que puedan volver
a emplearse; el aceite vegetal de desecho puede tener una valorización
energética como combustible y reutilizarse previo a un tratamiento en la
producción de jabón o como aditivo en la industria cerámica y química (Elías,
2012a, p. 222; Elías, 2012b, p. 127).
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2
1.1.1. CONTAMINACIÓN DEL AGUA POR ACEITES VEGETALES DE
DESECHO
El agua es fundamental para todas las formas de vida, lo que la convierte en uno
de los recursos esenciales de la naturaleza, desafortunadamente uno de los
problemas más críticos que presenta el agua, aparte de su disponibilidad en
algunas regiones, es su contaminación.
El agua ha sido siempre el principal vehículo empleado por el hombre para la
eliminación de los residuos generados por su actividad. El desarrollo económico
descontrolado y el aumento de la población han incrementado de tal manera el
impacto del hombre sobre la hidrósfera que ha superado ampliamente su
capacidad de autodepuración y ha traído como consecuencia la pérdida de
calidad y, por lo tanto, la disminución del agua como recurso.
Los aceites vegetales de desecho, son aquellos que han sido utilizados en los
procesos de cocción en restaurantes, comedores colectivos, industrias
alimenticias, etc. El aceite vegetal que se vierte en las fuentes de agua proviene
principalmente de las industrias, mientras que la segunda fuente más importante
de este contaminante proviene de las casas (Pérez, 2007, pp. 79).
A pesar de no ser tóxicos, en la actualidad son un problema ambiental importante;
la falta de una legislación específica para los aceites procedentes de usos
alimenticios, junto con el hecho de que la población en general los produce,
provoca que la mayor parte de éstos tengan como destino la red de alcantarillas
(Elías, 2012a, p. 218).
Según el INEC (2010) el 73,14 % de la población ecuatoriana no trata el aceite
vegetal de desecho y lo descarga directamente al desagüe siendo su principal
destino los ríos, mares y el medio ambiente en general, a los que llegan
principalmente a través de la red de alcantarillado (INEC, 2010, p.1).
Por un lado, los aceites vegetales de desecho pueden causar la obstrucción de
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las tuberías del alcantarillado debido a que se adhieren a las paredes internas y
reduce el diámetro efectivo de las tuberías; si esta capa se vuelve más gruesa,
puede causar derrames de aguas negras.
Los avances tecnológicos y el aumento de la población han producido un cambio
en la forma de vida, por lo cual la alimentación en la actualidad ha cambiado a tal
punto que la mayoría de personas depende de la comida rápida y frituras,
aumentando el uso de los aceites comestibles.
El consumo de aceite vegetal aumentó rápidamente, en un 3,5 %, casi dos veces
más que la población mundial, la cual aumentó en 1,6 % entre los años 1980 y
2000 (Alade, Jameel y Muyubi, 2011, p. 162), por consiguiente aumentó la
generación de aceite vegetal de desecho. Se estima que más de 10 millones de
toneladas de aceite vegetal de desecho se generan en el mundo cada año.
El aceite debido a su densidad menor que la del agua y al tratarse de sustancias
no polares de naturaleza hidrófoba, flotan en la superficie del agua, formando una
capa de aceite, lo que provoca problemas de contaminación como:
v Reducción de penetración de la luz hacia la fase acuosa
v Obstaculiza la transferencia de oxígeno de la atmósfera al medio acuático
v Incrementa el crecimiento de microorganismos
v Disminuye la cantidad de oxígeno disuelto en el fondo del agua
v Dificulta la vida de los peces y demás seres acuáticos provocando una
alteración en el ecosistema (Alade, Jameel y Muyubi, 2011, p. 163; Elías,
2012a, p. 218).
Esta capa de aceite afecta a la flora y fauna, también a los animales ya que se
adhiere a la piel y también a las plantas impidiendo de esta manera su
respiración, así como a las aves y animales que se acercan a beber de estas
fuentes de agua que se encuentran contaminadas (Pérez, 2007, pp. 79-80).
En la Figura 1.1 se puede observar la capa de aceite persistente en los cuerpos
hídricos, como en este caso en un río.
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Figura 1.1 Contaminación de ríos por aceite vegetal de desecho
Además, la capa de aceite debido a su naturaleza impermeable, interfiere con los
procesos de tratamiento aeróbico biológico de aguas residuales reduciendo las
tasas de transferencia de oxígeno, lo que provoca la muerte por asfixia de los
microorganismos que depuran las aguas residuales, disminuyéndose así el
rendimiento de las instalaciones depuradoras ya que se necesita más tiempo y
mucha más energía para terminar de sanear la capa oleosa (Alade, Jameel y
Muyubi, 2011, p. 163).
El aceite vegetal de desecho en el agua complica los procesos de depuración
debido a que dificulta el funcionamiento de los depósitos de aireación, lo que
provoca una disminución de la vida media de estas instalaciones. Se estima que
el gasto energético adicional que provocan los aceites vegetales de desecho es
del 25 % (Elías, 2012a, p. 218). Del mismo modo, en las plantas municipales de
tratamiento de agua, la presencia de aceite vegetal causa problemas de sabor y
olor desagradable y turbidez, haciendo el tratamiento de filtración más difícil.
A su vez la existencia de aceite en las aguas residuales provoca malos olores por
su descomposición, sirve como alimento de ratas, cucarachas y otros insectos
(Alade, Jameel y Muyubi, 2011, p. 164). Se solidifica y se queda adherida a los
desagües de las casas y a la red general con el peligro de embotellamiento y
atascos en tuberías, como se puede observar en la Figura 1.2.
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Figura 1.2 Contaminación de ríos por aceite vegetal de desecho
Cuerpos hídricos a nivel global están cada vez más contaminados con agua
aceitosa, sus efectos pueden ser irreversibles para los organismos acuáticos
vivos y las consecuencias de estos efectos se transfieren directa o indirectamente
a los seres humanos ya que también se incluyen en la cadena alimentaria del
ecosistema (Alade, Jameel y Muyubi, 2011, p. 164; López, 2012, p.7).
En análisis de agua subterránea y superficial se ha detectado valores de
concentración de aceite muy por encima de los valores estándares, además de
los problemas en las plantas de tratamiento de agua municipales, lleva a
plantearse la necesidad de purificar el aceite vegetal de desecho para su posterior
reutilización; se debe tener en cuenta que la reutilización de este desecho no sólo
trae beneficios ambientales sino también económicos (López, 2012, p.7).
1.1.2. CONTAMINACIÓN DEL SUELO POR ACEITES VEGETALES DE
DESECHO
Aceites vegetales de desecho son vertidos al suelo agrícola para deshacerse de
este desecho basándose en que el suelo descompone fácilmente el aceite vegetal
debido a los microorganismos existentes en el mismo, siendo esta una idea
errónea.
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La remediación de suelos contaminados con aceite vegetal de desecho, el cual
está constituido por moléculas hidrófobas, es siempre un reto para científicos del
suelo y del medio ambiente, porque las moléculas hidrofóbicas del aceite vegetal
de desecho a menudo se unen fuertemente a las partículas del suelo,
destruyendo el humus vegetal y disminuyendo la fertilidad del mismo, haciéndolos
inaccesibles para soluciones de remediación de bajo costo, por lo que suelos con
esta clase de contaminantes requiere tratamiento químico (Jaramillo, 2006, pp.
216; López, 2012, p.7).
Entre una de las técnicas empleadas para la recuperación de suelos
contaminados con compuestos hidrofóbicos como es el caso del aceite vegetal de
desecho, es el tratamiento químico, el cual se basa en el aumento del pH del
suelo contaminado con el propósito de remover los componentes hidrofóbicos y
de esta manera disminuir la repelencia del suelo al agua (Jaramillo, 2006, pp.
229).
Los aceites vegetales de desecho no son tan agudamente tóxicos como el
petróleo, pero los derrames no controlados de los mismos provocan daños
ambientalmente significativos, ya que debido a la presencia de estos el suministro
de oxígeno se agota, además se forma un revestimiento duro y pegajoso que
puede persistir durante varios años (Marjadi y Dharaiya, 2010, p. 290).
Al verterse en el suelo sustancias no polares como es el caso del aceite vegetal
de desecho produce una serie de problemas como: el cambio en las propiedades
hídricas del suelo, es decir se presenta una disminución significativa en la
capacidad de infiltración y disponibilidad de agua para las plantas por lo que se da
un aumento de la susceptibilidad del suelo a la erosión, entre otras consecuencias
tenemos al deterioro de su estructura, grandes pérdidas en la producción
agropecuaria y forestal, generación de vías de flujo preferencial que activa el
movimiento de agua y de contaminantes a través del mismo (Jaramillo, 2006, pp.
223-226). Así también los valores de carbón orgánico disminuyen, con lo que se
disminuye la fertilidad, la capacidad de retención de nutrientes y el crecimiento de
plantas (Cuevas, 2006, p. 14).
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1.2. MÉTODOS DE PURIFICACIÓN DE ACEITES VEGETALES
DE DESECHO
1.2.1 TÉCNICAS DISPONIBLES PARA EL TRATAMIENTO DE RESIDUOS
La agencia del medio ambiente de Estados Unidos (EU), define por tratamiento de
residuos, cualquier método o procedimiento que transforme el carácter químico,
físico y/o biológico de un residuo con el fin de disminuir o anular la toxicidad y
otras características peligrosas para la salud humana, recursos naturales y medio
ambiente, a manera de facilitar el transporte, almacenamiento, eliminación y
recuperación de los recursos contenidos (Elías, 2000, p. 59).
La Tabla 1.1 presenta una breve descripción de las más usuales tecnologías
aplicables a la gestión de residuos.
Tabla 1.1 Resumen de las técnicas de tratamiento de residuos
Técnicas Denominación Principio de funcionamiento
Físicas
Decantación Separación por gravedad de materiales decantables
Flotación Separación por gravedad debido a la unión de burbujas de aire a ciertas sustancias para producir un cambio densidad
Centrifugación Separación por acción de la fuerza centrífuga
Filtración Separación de sólidos suspendidos en líquidos
Destilación Evaporación de cierto componente de un líquido
Ósmosis Inversa Separación a través de membrana semipermeable
Intercambio Iónico Intercambio reversible de cationes metálicos por medio de una zeolita o una resina
Adsorción Fijación física de una sustancia de elevada superficie
Arrastre por vapor Flujo de vapor o aire a contracorriente por el fluido
Extracción con disolventes
Transferencia de un medio a un disolvente
Fotólisis Descomposición mediante radiación luminosa (rayos ultravioleta)
Químicas
Neutralización Adición de ácido o base para lograr un pH final entre 6 y 9
Precipitación química
Modificación del contaminante en sólido insoluble
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Tabla 1.1 Resumen de las técnicas de tratamiento de residuos (continuación…)
Técnicas Denominación Principio de funcionamiento
Químicas
Oxidación química Oxidación de contaminantes para lograr otros menos peligrosos
Reducción química Transformación de contaminantes a formas menos oxidadas para obtener otros menos peligrosos
Clorólisis Valorización de residuos orgánicos con Cl2 a alta temperatura y presión
Decloración Eliminación de cloro o cambio de su estructura con el uso de reactivos
Oxidación por agua supercrítica
Desintegración de compuestos orgánicos de difícil tratamiento
Biológicas
Fangos activados Desintegración de sustancias orgánicas biodegradables: DBO
Tratamiento por bacterias Digestión, dispersión de metales por bacterias
Compostaje Mineralización de materiales orgánicos
Metanización Conversión de compuestos orgánicos en CH4
Físico-Químicas
Estabilización Enfatización de la carga tóxica por reacción química
Solidificación Mezcla con aditivos para dar solidez
Encapsulación Aislamientos en el interior de un medio protector
Ceramización Implantación en matriz silicatada
Vitrificación Disolución e integración en matriz vítrea
Energéticas
Pirólisis Degradación térmica en ausencia de oxígeno
Gasificación Transformación en gases combustibles
Incineración Combustión con exceso de aire
Evaporación Calentamiento para la eliminación de alguna fase evaporable. En este tratamiento se debe incluir el secado
(Elías, 2000, p. 61)
Los parámetros a tener en cuenta para la selección del proceso de tratamiento de
residuos, pueden ser:
v Naturaleza del residuo
v Objetivo del tratamiento
v Adecuación técnica de las diversas alternativas
v Consideraciones económicas
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En las últimas décadas, la gestión de residuos ha evolucionado desde simples a
complejos sistemas integrados por lo que los desechos no sólo son transportados
y eliminados, sino también reutilizados y reciclados para producir valiosos
subproductos (Elías, 2012a, p. 47).
Un ejemplo de la evolución de la gestión de residuos que se da en la actualidad,
es el caso de las empresas dedicadas a la curtición de pieles cuyas cargas
ambientales principales son el elevado consumo de agua y el empleo de
sustancias químicas como sulfuro sódico empleado en la fase de pelambre,
sulfato amónico utilizado en el desencalado, y las sales básicas de cromo (III)
usadas en la etapa de curtición, dándose así a la búsqueda de varias propuestas
que contribuyan a la reducción de los residuos o a su valorización, como es el
caso de realizar baños mas cortos del cuero a mayores temperaturas para dar
lugar al agotamiento del cromo del baño, reduciendo de esta manera el contenido
de cromo en el agua residual de esta etapa (Elías, 2012a, pp. 193 - 195).
Así también surge la idea de la valorización del cromo a través de la precipitación
por homogenización de las aguas residuales de las fases de ribera y curtición en
las cuales se encuentra el cromo precipitado en forma de hidróxido de cromo
hidratado, el cual es diluido con agua y ácido sulfúrico para ser reutilizado en la
misma empresa (Elías, 2012a, pp. 195 - 196).
Esquemas de gestión integral de residuos que incluye la recogida, tratamiento
previo, reutilización y reciclaje de residuos, se diseñaron inicialmente para el
papel, vidrio, aluminio, acero, plástico y sustancias nocivas. La introducción del
metabolismo industrial y la ecología industrial han motivado la investigación para
identificar otros residuos que se pudieron recuperar, actualizar, y volver a utilizar
como materias primas alternativas para la industria, cerrando de este modo el
ciclo de los materiales, tal es el caso del aceite vegetal de desecho (Talens,
Villalba y Gabarrell, 2008, p. 4977).
Durante el proceso de fritura el aceite presenta un gran número de reacciones
químicas complejas, por lo que el aceite empieza a degradarse, la molécula de
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triglicérido se descompone en compuestos volátiles y no volátiles, que son
solubles en el aceite.
Considerando que el aceite de triglicérido es un material no polar, los productos
de degradación del aceite, son materiales polares. La fracción polar del aceite
vegetal de desecho se compone de ácidos grasos libres, mono y diglicéridos,
triglicéridos oxidados, y triglicéridos oligoméricos (polímeros) (Yates y Caldwell,
1993, p. 507).
Las reacciones principales que tienen lugar durante el proceso de fritura son:
v Hidrólisis: Causada por el agua, los triglicéridos al reaccionar con humedad o
agua se transforman en diglicéridos y monoglicéridos, liberando una o dos
cadenas de ácidos grasos; como consecuencia de esta reacción, la acidez
del aceite aumenta, y en menor cantidad la formación de metilcetonas y
lactosas, produciéndose así olores desagradables. Impurezas orgánicas que
incluyen compuestos polares de bajo peso molecular, dienos conjugados,
ácidos y compuestos de alto peso molecular polimerizados pueden ser
fácilmente formadas por la hidrólisis del aceite (Elías, 2012a, pp. 221).
v Termooxidativas. Caracterizada por la oxidación de los ácidos grasos en
presencia del oxígeno del aire, dando lugar a compuestos intermedios
inestables denominados hidroperóxidos o peróxidos, los cuales dan lugar a
la formación de radicales libres. La oxidación y las alteraciones en el aceite
causadas por las altas temperaturas utilizadas en la fritura producen la
degradación del aceite y la aparición de compuestos que reducen su calidad
organoléptica y nutritiva, como ácidos carboxílicos volátiles, compuestos
polares y polímeros (Elías, 2012a, pp. 221-222; Suaterna, 2009, p. 42).
La oxidación del aceite no depende únicamente de la temperatura sino
también del tipo y calidad del aceite, por la superficie de exposición al aire y
por la presencia de pro oxidantes (hierro, cobre), antioxidantes (alfa-
tocoferol) y antiespumantes (siliconas). Las grasas que han sufrido un
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proceso de oxidación tienden a oscurecerse, aumentar la viscosidad,
incrementar la formación de espuma y desarrollar sabor y olor extraños. En
las fases más avanzadas de la oxidación, se produce gran cantidad de
polímeros, aún a bajas temperaturas (Elías, 2012a, pp. 221-222; Suaterna,
2009, p. 42).
v Isomerización. Los radicales libres que aparecen durante la termooxidación
tienden a combinarse entre ellos o con otros ácidos grasos y forman
compuestos lineares, más o menos largos y ramificados, o compuestos
cíclicos, especialmente en caso de que existan dobles enlaces. Estos
polímeros, al ser de mayor tamaño y peso molecular, tienden a aumentar la
viscosidad del aceite lo que favorece la formación de espuma y, por lo tanto
la oxidación (Elías, 2012a, pp. 221-222).
El número de ácidos grasos y la presencia de espuma por los compuestos
polares, monómeros cíclicos, dímeros, trímeros, hidrocarburos aromáticos
policíclicos (HAP), dioxinas y polímeros, aumentan a medida que aumenta el
número de procesos de fritura; este residuo no puede ser reutilizado en la
alimentación humana debido a su alto contenido de contaminantes (Sesti, Caputo,
Gracia y Reverchon, 2004, p. 879).
El uso de aceite de vegetal de desecho en alimentos balanceados para la
producción animal representa riesgo para los animales y para la salud humana
debido a la bioacumulación de polímeros, HAP y dioxinas en los tejidos del cuerpo
(Sesti, Caputo, Gracia y Reverchon, 2004, p. 879).
La importancia de la purificación de aceites vegetales de desecho radica en poder
eliminar el potencial contaminante de estos aceites y obtener así un producto de
suficiente calidad como para ser fuente de materias primas para ser sometidas a
procesos de transformación que permitan obtener nuevos productos.
Varios métodos de purificación de aceite vegetal de desecho han sido
investigados, algunas de estas técnicas han producido buenos resultados,
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mientras que otros han presentado mejoras mínimas. Estos métodos de
purificación son:
v Filtración
v Tratamiento con adsorbentes
v Extracción a alta presión
v Desacidificación
1.2.2 FILTRACIÓN DE ACEITE VEGETAL DE DESECHO
Filtración simple de aceite vegetal de desecho ha sido empleada por muchos
años, filtros de metal o de tela se han utilizado para remover el material
suspendido acumulado en el aceite durante el proceso de fritura; este proceso
puede eliminar los materiales suspendidos más gruesos, pero no es capaz de
remover los materiales suspendidos muy pequeños (Miyagi y Nakajima, 2003, p.
91).
La causa primaria de la degradación del aceite durante la fritura es por la
acumulación de materia micro particulada, los productos de la descomposición del
aceite (moléculas de peso molecular grande y ácidos grasos libres de cadena
larga) pueden ser solubles en el aceite y no pueden ser removidos sólo por
filtración (Miyagi y Nakajima, 2003, p. 91).
En los últimos años se ha investigado métodos para mejorar la calidad del aceite
vegetal de desecho, como es el caso de la filtración activa, este es el método más
empleado para la eliminación de los productos de la descomposición térmica del
aceite, la filtración activa consiste en mezclar el aceite con varios adsorbentes y
después filtrarlo (Miyagi y Nakajima, 2003, p. 91; Turan y Yalcuk, 2013, p. 1761).
Arcilla activada es conocida como un buen agente de blanqueo de aceite vegetal,
mientras que el gel de hidróxido de aluminio resulta muy efectivo para la
eliminación de ácidos grasos libres; así también adsorbentes como zeolita, carbón
activado, oxido de calcio, oxido de magnesio se han determinado como buenos
componentes para realizar la filtración activa (Miyagi y Nakajima, 2003, p. 91).
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1.2.3 PURIFICACIÓN DE ACEITE VEGETAL DE DESECHO POR
TRATAMIENTO CON ADSORBENTES
1.2.3.1 Mecanismo de adsorción
Adsorción es un proceso de separación en el cual las especies acuosas
establecen enlaces químicos con átomos de la superficie de un sólido,
concentrándose dicho soluto en la superficie del sólido debido al desequilibrio de
las fuerzas superficiales (Foust, Wenzel, Clump, Maus, y Andersen, 1990, p. 34;
McCabe, Smith y Harriott, 2002, p. 795).
La adsorción es un fenómeno de superficie, rápido y reversible, que tiene lugar
cuando se coloca dicha superficie en contacto con una solución, siendo
significativa cuando en el medio poroso hay minerales con una gran superficie
específica; dicha superficie es inversamente proporcional al tamaño del grano, por
tanto la adsorción se da de una manera muy conveniente en minerales de tamaño
de grano muy fino, como óxidos de hierro y manganeso, minerales de las arcillas
y materia orgánica (Ayora, 2004, p. 97).
En los últimos años varios intentos se han hecho para purificar el aceite vegetal
de desecho, por lo que surge la necesidad de utilizar materiales adsorbentes.
Estos métodos tienen la ventaja que los disolventes no son necesarios, pero la
eficacia de estos procesos es baja.
Blanqueado de aceites vegetales de desecho por adsorción consiste en la
eliminación de pigmentos que pueden estar disueltos en el aceite o pueden estar
presentes en forma de partículas dispersas coloidalmente, para lo cual cierta
cantidad de adsorbente es añadido al aceite vegetal de desecho y mezclado por
algún tiempo, entonces el aceite es filtrado, de esta manera se remueven los
materiales suspendidos, algunos cuerpos de color y también algunos ácidos
grasos libres.
Experimentalmente se ha comprobado que varios materiales adsorbentes
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disminuyen los productos de degradación polares del aceite vegetal usado,
incluyendo adsorbentes naturales y sintéticos; los más usados son las formas
activas de carbono, calcio, sílice, alúmina y magnesio (Lin, Akoh y Reynolds,
1999, p. 739).
Silicato de calcio y magnesio sintético se utilizan para reducir los ácidos grasos
libres y color, respectivamente. El silicato de magnesio tiene la capacidad de
adsorber los materiales de degradación debido a que tiene una mayor superficie y
los sitios más activos (Lin, Akoh y Reynolds, 1999, p. 739).
Adsorbentes naturales como el bagazo de la caña de azúcar han sido utilizados
debido a que su componente estructural es carbono, utilizado para reducir los
problemas de eliminación de residuos (Wannahari y Mad, 2012, p. 59).
A escala laboratorio se ha determinado que un adsorbente a base de bagazo es
viable en el proceso de recuperación de aceite vegetal usado, debido a que se ha
obtenido una disminución de ácidos grasos libres de hasta el 82,14 % y de color
de hasta 75,67 %, en un tiempo efectivo de tratamiento de aproximadamente 60
minutos (Wannahari y Mad, 2012, p. 62).
1.2.4 PURIFICACIÓN DE ACEITE VEGETAL DE DESECHO POR
EXTRACCIÓN A ALTA PRESIÓN
El disolvente de extracción más recomendado es el CO2 debido a que tiene
ventajas sobre otros disolventes, ya que no es tóxico y puede ser fácil y
completamente eliminado de los productos y además, no es inflamable, no
corrosivo y fácilmente disponible en grandes cantidades (Kim, Young, Ah, Woo y
Kim, 2013, p. 2).
Dióxido de carbono, líquido y supercrítico es utilizado selectivamente para separar
compuestos polares presentes en el aceite vegetal de desecho a partir de una
mezcla de triglicéridos.
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En la extracción con CO2, el porcentaje de compuestos polares en el aceite
disminuye a medida que progresa la extracción, la selectividad de un disolvente
no polar como el CO2 para la fracción polar del aceite usado, se puede explicar si
los pesos moleculares de los compuestos polares extraídos son más pequeños
que de los triglicéridos.
Al agotarse los compuestos polares de bajo peso molecular en el aceite vegetal
de desecho, la extracción de componentes polares disminuye debido a que
también disminuye la capacidad del disolvente supercrítico para disolver los
restantes compuestos polares, es decir aquellos con un peso molecular más
grande.
La extracción a alta presión presenta varias ventajas sobre los procesos de
adsorción como por ejemplo:
v Operación de forma continua
v Separación a baja temperatura
v Buena selectividad y fácilmente ajustable.
1.2.4.1 Purificación de aceite vegetal de desecho por extracción con fluidos
supercríticos
Extracción con fluidos supercríticos puede ser una alternativa para la purificación
de aceites vegetales usados, a través de la separación de triglicéridos poliméricos
y diméricos e impurezas de bajo peso molecular de los triglicéridos que
constituyen químicamente al aceite, basándose en que la solubilidad de un
compuesto de una familia química en un fluido supercrítico depende de su masa
molecular cuando la presión, temperatura y composición son fijas (Kim, Young,
Ah, Woo y Kim, 2013, p. 3).
Los parámetros principales en la purificación de aceite vegetal de desecho por
extracción con fluidos supercríticos es la relación de disolvente a alimentación,
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presión y temperatura. A medida que se aumenta la presión la solubilidad
aumenta, mientras que disminuye con la temperatura; el diseño de un
procedimiento de extracción de aceite vegetal de desecho con fluidos
supercríticos requiere el conocimiento de la solubilidad de los diversos
compuestos que están presentes en el aceite en lugar de la solubilidad del aceite
en conjunto.
Experimentalmente se determinó que los triglicéridos del aceite vegetal de
desecho tienen una solubilidad intermedia entre las impurezas de bajo y alto peso
molecular, así también que el coeficiente de partición de las impurezas de alto
peso molecular es insignificante a presiones inferiores a 15 MPa, aumenta
rápidamente a mayores presiones y disminuye con el aumento de la temperatura;
para las impurezas de bajo peso molecular y triglicéridos sucede lo contrario,
disminuye con la presión y aumenta con la temperatura, mientras que el
coeficiente de partición de los triglicéridos es relativamente alto a partir de 5 MPa
y aumenta ligeramente a medida que se aumenta la presión (Sesti, Caputo,
Gracia y Reverchon, 2004, p. 882).
En la extracción con fluidos supercríticos la acidez del aceite vegetal usado
disminuye a medida que se aumenta la presión, esto significa que la mayor parte
de impurezas de peso molecular bajo, que son los responsables de la acidez del
aceite vegetal usado, se extrajeron.
1.2.5 DESACIDIFICACIÓN DE ACEITE VEGETAL DE DESECHO
La desacidificación de aceites vegetales de desecho puede realizarse ya sea por
métodos químicos, utilizando sosa cáustica o mediante métodos físicos, donde se
emplea la destilación del aceite con alto contenido de ácidos grasos libres a una
temperatura alta y presión baja.
La desacidificación química consiste en neutralizar los ácidos grasos libres a
través de álcalis mediante procesos batch o continuo, como resultado de la
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reacción entre los ácidos grasos libres y el álcali se produce un semi sólido de
color negro, el cual posteriormente es separado del aceite; la concentración de la
solución de sosa utilizada dependerá del tipo y calidad del aceite.
Este método tiene ciertos inconvenientes como considerables pérdidas de aceite,
debido tanto por la saponificación del aceite neutro por el álcali y la inclusión del
aceite en la pasta de neutralización. Grandes volúmenes de consumo de agua y
cantidades considerables de aguas residuales son las otras desventajas de la
desacidificación química (Fatma, Gurbuz y Zeynep, 2010, p. 195).
Por lo tanto, un método de desacidificación química no es el mejor método para
los aceite vegetales de desecho con alta acidez; una alternativa prometedora es
la extracción líquido – líquido la cual se basa en la diferencia de solubilidades de
los ácidos grasos libres y el aceite neutro. Extracción de ácidos grasos libres de
aceites vegetales pueden llevarse a cabo utilizando diversos disolventes
selectivos tales como acetona, furfural, acetato de etilo, propanol, 2-propanol,
butanol, etanol, metanol y metil etil cetona (Fatma, Gurbuz y Zeynep, 2010, p.
196).
Este método se puede realizar en condiciones leves de temperatura y presión
reduciendo así el consumo de energía; el consumo de agua y la cantidad de
corrientes de efluentes también se reducen en comparación con la
desacidificación química. A un proceso de extracción líquido-líquido para la
desacidificación de los aceites vegetales de desecho puede ser añadida una
etapa de recuperación del solvente, la cual reduce los costos de operación
(Fatma, Gurbuz y Zeynep, 2010, p. 196).
Cualquier método no-evaporativo para la recuperación del solvente de la corriente
del extracto se puede esperar para disminuir el uso de energía. Muchos
investigadores han combinado la tecnología de membranas con extracción por
solvente para la desacidificación de los aceites vegetales crudos. En estos
métodos, la corriente del extracto (mezcla de ácidos grasos libres y solvente) se
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18
procesó a través de las membranas apropiadas para recuperar el solvente y los
ácidos grasos.
Las posibilidades tecnológicas del uso de aceite vegetal de desecho pasan por su
reciclaje y su valorización energética, pues su reutilización para la alimentación
animal y humana representaría muchos inconvenientes, por lo que surge la
necesidad de una alternativa para el reciclaje del aceite vegetal de desecho, como
es la saponificación.
1.3. SAPONIFICACIÓN
1.3.1. MATERIAS PRIMAS
Se puede realizar jabón con cualquier combinación de aceites y grasas, pero su
elección dependerá de la calidad del jabón que se espera obtener. Algunos
aceites producen grandes burbujas, otros tienen un tacto cremoso, así mismo la
clase de aceite influirá en algunas condiciones del proceso como tiempo de
solidificación y consistencia del producto.
El factor que más influye en las características físicas de las barras de jabón, es la
composición química de la materia prima grasa, como por ejemplo, la dureza del
jabón depende principalmente del grado de insaturación del aceite o grasa,
mientras que la solubilidad depende no sólo de la insaturación sino también del
peso molecular medio de la grasa (Bailey, 1984, p.295 - 296).
Las materias primas mas empleadas para la saponificación son:
v Sebo. El material graso primordialmente utilizado en la saponificación
v Aceites. Los más usualmente empleados en la saponificación son, aceite de
almendra, de ricino, de coco, de palma, de oliva, de aguacate, girasol, soja,
semilla de algodón, etc.
v Ácidos grasos libres
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19
Las materias grasas con ácidos saturados de 12 a 18 átomos de carbono como
los ácidos láurico, mirístico, palmítico, esteárico y oléico, son los más usados,
debido a que los ácidos con menos de 12 átomos de carbono tienen un peso
molecular insuficiente para que el jabón tenga una buena actividad superficial
(Bailey, 1984, p.289).
1.3.2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE ACEITES Y GRASAS
Es de gran importancia, definir y explicar la composición de los elementos que
intervienen en la reacción de saponificación, como es el caso del aceite o grasa.
Los aceites y las grasas son substancias de origen vegetal o animal que están
constituidos principalmente por triglicéridos o triacilgliceroles, así también como
de fosfolípidos, glicolípidos, ésteres de ácidos grasos y ácidos grasos libres en
menor proporción (Bailey, 1984, p.4; Morales, 2012, p. 519).
Los triglicéridos son formados por la condensación de una molécula de glicerol
con tres de ácidos grasos, para dar tres moléculas de agua y una de un
triglicérido (Bailey, 1984, p.4). A continuación se observa la reacción de
formación de un triglicérido.
OH
H
H
OHH
OH
H
H
+ H OOC R2H OOC R3
H OOC R1 OH2
OH2
OH2
+OOC
H
H
OOCH
OOC
H
H
R1
R3
R2
Glicerol Acido Graso Agua Trigl icérido
[1.1]
1.3.3. REACCIÓN DE SAPONIFICACIÓN
La saponificación es la hidrólisis alcalina de glicéridos la cual produce sales de
ácidos carboxílicos (jabón) y glicerol.
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20
Cuando el aceite o grasa es saponificado con hidróxido de sodio, la reacción de
saponificación es como se muestra a continuación:
OOC
H
H
OOCH
OOC
H
H
R
R
R
Trigl icérido
+ 3NaOH 3NaCOOROH
H
H
OHH
OH
H
H
Glicerina
+
Solución Alcalina Jabón
[1.2]
Las sales de los ácidos grasos pueden ser de sodio o de potasio, dependiendo
del álcali utilizado; la hidrólisis con solución de NaOH producen jabones duros,
mientras que con KOH se producen jabones blandos.
Para que la reacción de saponificación se efectúe de manera completa es
necesario conocer el índice de saponificación del aceite o grasa debido a que si
en la reacción hay un exceso de sosa, el producto resultante será una masa
cáustica inservible; mientras que si por el contrario, la cantidad de sosa es
insuficiente, el producto resultante será una mezcla grumosa de aceites, que en
nada se parecerá al jabón.
El índice de saponificación es una medida de los grupos reactivos alcalinos en
aceites y ácidos grasos que se expresa como el número de miligramos de
hidróxido de potasio necesario para saponificar 1 gramo de aceite o grasa.
Molecularmente, un mol de grasa o de aceite necesita tres moles de KOH para
dar lugar a una saponificación completa, debido a que existen tres enlaces de
éster en una molécula de un aceite o grasa (Bailey, 1984, p.4; Bailey y Bailey,
1998, p. 485).
Así mismo el índice de saponificación sirve para determinar la clasificación de
aceites y grasas, puesto que el mismo está inversamente relacionado con el peso
molecular medio o longitud de la cadena de los ácidos grasos (Bailey y Bailey,
1998, p. 485).
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21
A continuación se muestra los índices de saponificación de algunos de los aceites
y grasas frecuentemente empleados en la fabricación de jabones.
Tabla 1.2 Índice de saponificación de grasas empleadas en la saponificación
Grasa Índice de saponificación (mg KOH/ g grasa)
Aceite de aguacate 187
Aceite de colza 186
Aceite de coco 268
Aceite de lino 190
Aceite de maíz 192
Aceite de nuez de macadamia 195
Aceite de oliva 189
Aceite de palma 199
Aceite de ricino 180
Aceite de semilla de algodón 194
Aceite de girasol 188
Aceite de soja 191
Manteca de cacao 193
Aceite de arroz 179
1.3.4. MÉTODOS DE SAPONIFICACIÓN
Existen varios métodos para la elaboración de jabones. Básicamente pueden
resumirse en dos tipos de procesos:
v Proceso en Frío
v Proceso en Caliente
1.3.4.1. Proceso en Frío
En el proceso en frío se mezcla la grasa y la solución fuerte de álcali, dando lugar
a la reacción de saponificación con desprendimiento de calor para formar una
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emulsión a una temperatura relativamente baja; la temperatura a la cual se trabaja
varía entre 38 y 48 ºC; en el proceso en frío la saponificación es incompleta por lo
que se coloca la emulsión en moldes para que se complete la saponificación
(Bailey, 1984, p.295).
Con esta clase de proceso el jabón es opaco, aunque haya sido muy preciso en
las cantidades de álcalis y aceites, esto se debe a que el calor que se produce en
la reacción de saponificación no es suficiente para neutralizar por completo los
ácidos grasos, además que el jabón obtenido en este tipo de proceso no contiene
glicerina (Bailey, 1984, p.295; Vincent, Álvarez y Zaragoza, 2006, p. 142).
1.3.4.2. Proceso en Caliente
El proceso en caliente es una técnica sencilla, en la cual la reacción de
saponificación se da a temperaturas altas, entre 82 ºC y 93 ºC, de esta manera se
añade calor a la reacción de saponificación la cual es exotérmica; las elevadas
temperaturas aseguran que todos los ácidos grasos libres queden neutralizados.
El proceso en caliente también es necesario para producir otras variedades
especiales de jabones, como las cremas, pastas y pastillas translúcidas, así
mismo el proceso en caliente es el único método que proporciona un jabón
realmente transparente (Failor, 2001, pp. 30-31).
Este método presenta ciertas ventajas como: disminución del tiempo de reacción,
recuperación de la glicerina y se obtiene un producto totalmente libre de grasas
sin saponificar con un contenido de álcali libre menor 0,1 % (Bailey, 1984, p.294).
1.3.5. FABRICACIÓN INDUSTRIAL DE JABÓN
Saponificación directa de grasas y aceites mediante el proceso en caliente es el
procedimiento tradicional utilizado para la fabricación industrial de jabón.
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23
El proceso general de la fabricación de jabón consiste básicamente en la
saponificación de grasas en una solución de hidróxido de sodio en un reactor
cilíndrico con sección cónica en el fondo, equipado con sistema de calentamiento
y salidas para el jabón y la lejía; además cuenta con un sistema de agitación que
puede ser mecánico o con vapor directo, el cual es de suma importancia debido a
las bajas miscibilidades entre el aceite o grasa y la lejía.
Posteriormente se añade solución de cloruro de sodio cuando la reacción de
saponificación se ha completado, dándose lugar a la precipitación de los coágulos
gruesos de jabón; con este lavado se reduce la solubilidad del jabón en la fase
acuosa, debido a que la solución de salmuera actúa como electrolito causando la
separación de fases (Fieser, 1981, p. 304).
La glicerina que se forma en la reacción de saponificación se encuentra en la
capa acuosa, se purifica por destilación al vacío. Para separar las impurezas que
contiene el jabón crudo como glicerina, álcali y sal, se hierve con suficiente
cantidad de agua para que se forme un líquido homogéneo, con la adición de sal
precipita nuevamente el jabón.
En las plantas de saponificación actuales se ha buscado la manera de ahorrar
recursos y mejorar el proceso, por lo que se ha investigado la recirculación de
lejía gastada en la etapa de saponificación, obteniéndose como resultados una
saponificación completa del aceite; determinándose que en una proporción del 13
al 25 % de recirculación de lejía gastada es suficiente para mejorar resultados en
la saponificación (Chupa, Misner, Sachdev, Wisniewski y Smith, 2012, p. 1435)
Finalmente, se hierve con agua suficiente para que se forme una mezcla blanda
que al dejarla en reposo forma dos capas, la superior es jabón de caldera, la cual
contiene 70 % de jabón, 0,2 - 0,5 % de sal y alrededor de un 30 % de agua
(Fieser, 1981, p. 304).
En la Figura 1.3 se presenta el diagrama de flujo de la fabricación industrial tanto
para el jabón de ropa como el jabón de tocador.
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Aceites y
grasas
Blanqueo
Deodorizado
Soda
caustica
Solución
Saponificación
Tratamiento
con agua salada
Jabón
Líquido
Llenado
Homogeneizado
Secado
Refinación
Estrujado
Corte
Acondicionado
Estampado
Empaque
Jabón para
lavar
Secado
Producción de
comprimidos
Pesado
Mezcla
Laminado
Refinación
Estrujado
Corte
Acondicionado
Estampado
Empaque
Jabón para
aseo
Rellenos
(silicato de
sodio)
Perfumes,
tintes
adicionales
Lejía
Neutralizado
Filtrado
Evaporado
Glicerina
cruda (80% de
pureza)
Evaporado
Deodorizado
Blanqueo
Glicerina
Figura 1.3 Diagrama de flujo de la fabricación industrial de jabón de ropa y de tocador
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2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. MATERIALES
Tabla 2.1 Materiales
Material Capacidad (mL)
Bureta