ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL · Tabla 3.27 Dimensiones del tanque agitado con chaqueta de...

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

[email protected]

DIRECTOR: ING. MARCELO ALBUJA TORRES, MSc.

[email protected]

Quito, enero 2014

©Escuela Politécnica Nacional (2014) Reservados todos los derechos de reproducción.

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

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Nadia Bombón, bajo mi supervisión.

______________________ Ing. Marcelo Albuja Torres, MSc.

DIRECTOR DEL PROYECTO

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.

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.

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.

i

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

ii

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

iii

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 80

4.1. Conclusiones .................................................................................................. 80

4.2. Recomendaciones ........................................................................................... 81 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 82 ANEXOS ........................................................................................................................ 9393

iv

INDICE DE TABLAS

PÁGINA

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

v

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

vi

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

vii

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

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

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

ix

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

x

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


Figura A X.13 Probabilidad normal de los residuales de la humedad del jabón


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


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

xi

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

xii

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

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

xiii

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

xiv

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.

xv

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.

xvi

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

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.

1

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).

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

3

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.

4

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.

5

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.

6

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).

7

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

8

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

9

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

10

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

11

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,

12

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).

13

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

14

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.

15

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,

16

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

17

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

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

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.

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).

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

22

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.

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.

24

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

25

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. MATERIALES

Tabla 2.1 Materiales

Material Capacidad (mL)

Bureta

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