Optimización del proceso de extracción de aceite rojo de palma africana en la empresa “Hermanos Muñoz”

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA. OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN DE ACEITE ROJO DE PALMA AFRICANA EN LA EMPRESA “HERMANOS MUÑOZ”. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO. GABRIELA ESTEFANÍA MUÑOZ PARREÑO [email protected]. DIRECTOR: ING. EDWIN VERA PhD. [email protected]. Quito, Marzo 2016.

(2) © Escuela Politécnica Nacional (2016) Reservados todos los derechos de reproducción.

(3) DECLARACIÓN. Yo, Gabriela Estefanía Muñoz Parreño, declaro que el trabajo aquí descrito 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.. _______________________________ Gabriela Estefanía Muñoz Parreño.

(4) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por la Srta. Gabriela Estefanía Muñoz Parreño.. _________________________ Ing. Edwin Vera Calle, PhD. DIRECTOR DE PROYECTO.

(5) AGRADECIMIENTO Agradezco a Dios porque me ha dado todo en esta vida y por darme la capacidad para realizar y culminar este trabajo. Él me ha guiado en mi camino y ha sido un pilar fundamental en mi vida. A mis padres Luis y Nancy por su paciencia, su amor incondicional y por sus palabras de apoyo que me brindaron en cada paso que he dado en mi vida, cada uno ha sabido darme su ayuda de manera diferente para la realización de este trabajo. Les agradezco por todo el esfuerzo que hacen día a día por cada uno de sus hijos, sin ustedes no seríamos nada.. Al Ing. Edwin Vera, un gran ejemplo. Agradezco su apoyo, su guía y saber aconsejarme en la realización este trabajo. Agradezco su esfuerzo y su colaboración. A Daniel qué ha sido un apoyo. Le agradezco por sus palabras cuando fueron necesarias y por toda su ayuda durante la elaboración de este proyecto. Finalmente a todas esas personas que en pequeñas cosas han ayudado en la realización de este trabajo. A mi tío Marcelo y todos los colaboradores del laboratorio de operaciones unitarias, su contribución fue muy significativa para la culminación de este proyecto..

(6) i. ÍNDICE DE CONTENIDOS. ABREVIATURAS RESUMEN INTRODUCCIÓN. PÁGINA xi xii xiii. 1.. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.1.. Extracción de aceite de palma africana 1.1.1. Generalidades 1.1.2. Aceite de palma africana 1.1.3. Extracción de aceite rojo de palma 1.1.3.1. Recepción de fruta 1.1.3.2. Esterilización 1.1.3.3. Desgranado 1.1.3.4. Digestión 1.1.3.5. Prensado 1.1.3.6. Decantación y secado 1.1.3.7. Separación de fibra 1.1.4. Plantas de pequeña escala 1.1.4.1. Plantas de pequeña escala 1.1.4.2. Proceso tradicional en África 1.1.5. Operación de la planta extractora 1.1.6. Desechos de la industria de aceite de palma 1.1.6.1. Desechos sólidos 1.1.6.2. Desechos líquidos 1.1.6.3. Emisiones gaseosas 1.1.7. Tratamiento de desechos en la industria de aceite de palma 1.1.8. Usos del aceite de palma. 1 1 6 8 8 9 11 12 13 15 17 17 17 18 19 21 22 23 24 24 25. 1.2.. Mejoras en la extracción de aceites 1.2.1. Extracción con solventes 1.2.2. Ruptura mecánica 1.2.3. Nanotecnología 1.2.4. Reacción in situ 1.2.5. Mejoras en la esterilización 1.1.5.1. Esterilización continua 1.1.5.2. Esterilización con microonda 1.1.5.3. Esterilización acuosa con enzimas. 26 27 28 29 29 30 30 31 32. 2.. PARTE EXPERIMENTAL. 33. 2.1.. Evaluación de la situación actual de las operaciones unitarias de la extractora de aceite rojo de palma africana 2.1.1. Esterilización y desgranado 2.1.2. Digestión 2.1.3. Prensado. 33 33 35 36. 1.

(7) ii. 2.1.4. 2.1.5. 2.1.6. 2.1.7. 2.1.8. 2.1.9. 2.2.. 2.3.. Decantación Secado Tamizado Centrifugado Análisis de producto terminado Balance de masa. Determinación de los parámetros óptimos de operación de esterilización y de digestión 2.2.1. Ensayos a escala de laboratorio 2.2.2. Análisis de la fibra del proceso de prensado y del aceite obtenido. 36 37 37 38 38 38. 39 40 40. Evaluación teórica del rendimiento del proceso con los cambios propuestos. 41. Evaluación económica antes y después de la optimización del proceso. 44. 3.. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 46. 3.1.. Evaluación de la situación actual de las operaciones unitarias de la extractora de aceite rojo de palma africana 3.1.1. Esterilización y desgranado 3.1.2. Digestión 3.1.3. Prensado 3.1.4. Decantación 3.1.5. Secado 3.1.6. Tamizado 3.1.7. Centrifugado 3.1.8. Análisis de producto terminado 3.1.9. Balance de masa. 46 52 55 55 57 58 60 62 63 64. 2.4.. 3.2.. Determinación de los parámetros óptimos de operación de esterilización y de digestión. 3.3.. Evaluación teórica del rendimiento del proceso con los cambios propuestos 3.3.1. Prensado 3.3.2. Decantación 3.3.3. Secado 3.3.4. Sistema de recuperación 3.3.5. Balance de masa. 82 83 84 87 88 90. Evaluación económica de la planta antes y después de la optimización del proceso. 98. 3.4.. 4.. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 72. 103.

(8) iii. 4.1.. Conclusiones. 103. 4.2.. Recomendaciones. 104. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 106. ANEXOS. 113.

(9) iv. ÍNDICE DE TABLAS PÁGINA Tabla 1.1.. Promedio de producción anual del total de aceites y grasas, y grasas de animales. Tabla 3.1.. 2. Nomenclatura utilizada en los equipos del diagrama PFD y en el diseño de la planta. 48. Tabla 3.2.. Determinación de la composición de los racimos de fruta. 53. Tabla 3.3.. Determinación de humedad de las corrientes del esterilizador. 53. Tabla 3.4.. Determinación de extracto etéreo de la corriente de entrada al. 53. esterilizador Tabla 3.5.. Datos bibliográficos de composición del racimo de palma africana. Tabla 3.6.. Determinación de humedad de la corriente de entrada del digestor. Tabla 3.7.. 57. Determinación de la humedad de la corriente de la purga de la decantación. Tabla 3.11.. 56. Determinación de la humedad de la corriente de entrada de la decantación. Tabla 3.10.. 56. Determinación de humedad y extracto etéreo de la corriente de fibra de la prensa. Tabla 3.9.. 55. Determinación de humedad de la corriente de entrada del prensado. Tabla 3.8.. 54. 57. Determinación de aceite de la corriente de la purga de la decantación. 58. Tabla 3.12.. Determinación de humedad de las corrientes del secador. 59. Tabla 3.13.. Determinación de aceite de la corriente de la purga del secador. 59. Tabla 3.14.. Determinación de granulometría de la corriente de entrada al. 60. tamiz Tabla 3.15.. Determinación de humedad y extracto etéreo de la corriente de desecho sólido del tamizado. Tabla 3.16.. 61. Determinación de la humedad de las corrientes de entrada y salida del centrifugado. 62.

(10) v. Tabla 3.17.. Determinación de humedad y aceite de la corriente de desecho líquido del centrifugado. 63. Tabla 3.18.. Parámetros de calidad del aceite de palma africana. 64. Tabla 3.19.. Cantidad y composición de la corriente F. 66. Tabla 3.20.. Metodología utilizada para el balance de masa. 66. Tabla 3.21.. Rendimiento del proceso de extracción. 70. Tabla 3.22.. Eficiencia teórica del proceso de extracción. 70. Tabla 3.23.. Pérdidas de aceite en las operaciones unitarias. 71. Tabla 3.24.. Relación entre el extracto etéreo del aceite obtenido en laboratorio y el de la fibra de extractora. Tabla 3.25.. 73. Extracto etéreo y porcentaje de pérdida de aceite de la prensa obtenido del diseño experimental 22 compuesto 2. Tabla 3.26.. Puntos óptimos del diseño experimental 2 compuesto. Tabla 3.27.. Parámetros de calidad del aceite de palma africana obtenido del. 74 76. diseño experimental 22 compuesto. 79. Tabla 3.28.. Composición de las corrientes del prensado actuales. 83. Tabla 3.29.. Composición de las corrientes del prensado optimizadas. 84. Tabla 3.30.. Dimensionamiento de los diferentes sedimentadores considerados para la optimización. 85. Tabla 3.31.. Composición de las corrientes de decantación actuales. 86. Tabla 3.32.. Composición de las corrientes de decantación optimizada. 86. Tabla 3.33.. Composición de las corrientes del secador actuales. 87. Tabla 3.34.. Composición de las corrientes del secador optimizadas. 88. Tabla 3.35.. Composición de las corrientes de entrada y salida del sistema de recuperación. Tabla 3.36.. Composición de las corrientes de entrada y salida del sistema de recuperación optimizado. Tabla 3.37.. 91. Pérdidas de aceite en las operaciones unitarias sin y con la optimización del proceso. Tabla 3.39.. 90. Eficiencia global del proceso de extracción actual y optimizada, respecto a los racimos frescos y respecto al aceite. Tabla 3.38.. 89. 92. Costo de producción mensual de aceite de palma africana antes de la optimización del proceso. 99.

(11) vi. Tabla 3.40.. Ingresos mensuales por venta del proceso y subproducto antes de la optimización. Tabla 3.41.. Índices financieros del proceso de extracción de aceite de palma actualmente realizado. Tabla 3.42.. 102. Índices financieros del proceso de extracción de aceite de palma actualmente realizado. Tabla AII.1.. 101. Ingresos mensuales por venta del proceso y subproducto después de la optimización. Tabla 3.44.. 100. Costo de producción mensual de aceite de palma africana después de la optimización del proceso. Tabla 3.43.. 100. 102. Requisitos del aceite de palma africana especificados en la norma INEN 30. 119. Tabla AIII.1.. Pesos inicial y final para la determinación de humedad. 120. Tabla AIII.2.. Humedades de las muestras y el promedio de cada corriente. 121. Tabla AIV.1.. Pesos total y de las fracciones de cada muestra. 122. Tabla AIV.2.. Porcentaje de aceite en las muestras H e I. 123. Tabla AV.1.. Pesos total retenido en los tamices. 124. Tabla AV.2.. Porcentaje retenido acumulado y pasado acumulado. 125. Tabla AVI.1.. Análisis de varianza del porcentaje de extracto etéreo. 126. Tabla AVI.2.. Análisis de varianza del índice de yodo. 126. Tabla AVI.3.. Análisis de varianza del índice de peróxido. 127. Tabla AVI.4.. Análisis de varianza de la acidez. 128. Tabla AVIII.1.. Estado de pérdidas y ganancias de la producción actual de aceite de palma africana. Tabla AVIII.2.. Flujo de caja de 10 años para la producción actual de aceite de palma. Tabla AVIII.3.. 134. Flujo de caja de 10 años para la producción optimizada de aceite de palma africana. Tabla AIX.3.. 133. Estado de pérdidas y ganancias de la producción optimizada de aceite de palma africana. Tabla AIX.2.. 132. Datos utilizados para la realización de la gráfica de punto de equilibrio del proceso actual. Tabla AIX.1.. 131. Datos utilizados para la realización de la gráfica de punto de. 135.

(12) vii. equilibrio del proceso optimizado. 136.

(13) viii. ÍNDICE DE FIGURAS PÁGINA Figura 1.1.. Tipos de palma aceitera Elaeis guineenssi. Dura, Pisifera y Tenera. Figura 1.2.. 3. Partes de palma aceitera Elaeis guineenssi. 1. Estigma. 2. Exocarpio. 3. Mesocarpio. 4. Endocarpio. 5. Almendra. 6. Embrión. 4. Figura 1.3.. Racimo de palma africana. 5. Figura 1.4.. Producción de aceite de palma (millones de toneladas) desde 1970 a 2010. Figura 1.5.. 7. Esterilizador horizontal de plantas extractoras de aceite de palma. 10. Figura 1.6.. Desgranado de la industria de palma africana. 12. Figura 1.7.. Prensa de doble tornillo de extracción de aceite de palma. 14. Figura 1.8.. Desgranado manual. 18. Figura 1.9.. Desechos sólidos de las plantas extractoras de aceite. (A) Racimos vacíos (B) Fibra (C) Cascara de palmiste. 22. Figura 1.10.. Sistema experimental de esterilización continua. 30. Figura 2.1.. Diagrama de flujo y lugar de toma de muestras de las operaciones unitarias de la extracción de aceite en la empresa “Hermanos Muñoz”. 34. Figura 2.2.. Esquema del decantador trifásico. 44. Figura 3.1.. Diseño general de la planta. 49. Figura 3.2.. Diseño del área de producción de la planta extractora. 50. Figura 3.3.. Vista isométrica del área de producción de la planta extractora. 51. Figura 3.4.. Granulometría de la corriente de entrada al tamiz. 61. Figura 3.5.. Resultados obtenidos de los análisis de cada operación unitaria. 65. Figura 3.6.. Diagrama de bloques del proceso de extracción de aceite crudo de palma actualmente utilizado en la Extractora “Hermanos Muñoz”. Figura 3.7.. Diagrama de flujo del proceso de extracción de aceite crudo de. 68.

(14) ix. palma actualmente utilizado en la Extractora “Hermanos Muñoz” Figura 3.8.. Diagrama de Pareto estandarizado para el parámetro de extracto etéreo diseño experimental 22 compuesto. Figura 3.9.. 81. Diagrama de Bloques del proceso de extracción de aceite crudo de palma optimizado. Figura 3.14.. 81. Líneas de contorno para el parámetro del extracto etéreo del diseño experimental 22 compuesto. Figura 3.13.. 80. Líneas de contorno para el parámetro de índice de peróxido del diseño experimental 22 compuesto. Figura 3.12.. 77. Líneas de contorno para el parámetro de índice de yodo del diseño experimental 22 compuesto. Figura 3.11.. 75. Líneas de contorno para el parámetro del extracto etéreo del diseño experimental 22 compuesto. Figura 3.10.. 69. 94. Diagrama de Flujo del proceso de extracción de aceite crudo de palma optimizado. 95. Figura 3.15.. Diseño de los equipos optimizado. 96. Figura 3.16.. Vista isométrica del área de producción optimizado. 97. Figura AVI.1.. Superficie de respuesta del porcentaje de extracto etéreo. 126. Figura AVI.2.. Superficie de respuesta del índice de yodo. 127. Figura AVI.3.. Superficie de respuesta del índice de peróxido. 127. Figura AVI.4.. Superficie de respuesta de la acidez. 128. Figura AVIII.1.. Punto de equilibrio de la producción de aceite de palma africana. 133. Figura AIX.2.. Punto de equilibrio de la producción optimizada de aceite de palma africana. 136.

(15) x. ÍNDICE DE ANEXOS PÁGINA. ANEXO I Normas para la evaluación de las corrientes de la planta extractora. 114. ANEXO II Requisitos del aceite de palma africana descritos en la norma INEN 30. 119. ANEXO III Datos y ejemplo de cálculo para determinación de humedad. 120. ANEXO IV Datos y ejemplo de cálculo de composición de aceite en las purgas. 122. ANEXO V Datos para la determinación granulométrica del tamiz. 124. ANEXO VI Análisis estadístico del diseño experimental. 126. ANEXO VII Hojas de especificación de los equipos para la optimización. 129. ANEXO VIII Datos de la evaluación económica actual. 131. ANEXO IX Datos de la evaluación económica con la optimización del proceso. 134.

(16) xi. ABREVIATURAS °C:. Grados centígrados. BFD:. Diagrama de bloques. cg:. Centigramos. g:. Gramos. h:. Horas. kg:. Kilogramos. m:. Metros. meq:. Miliequivalentes. mt:. Millones de toneladas. PFD:. Diagrama de flujo. psi:. Libra por pulgada cuadrada. t:. Toneladas. um:. micras.

(17) xii. RESUMEN En el presente proyecto se optimizó el proceso de extracción de aceite de palma de la empresa “Hermanos Muñoz”. Para la optimización del proceso se determinó el estado actual de la extractora, para lo cual se analizó las corrientes de entrada y salida de cada operación unitaria. Se determinó que las operaciones unitarias de decantación, secado y el proceso de recuperación no se realizan adecuadamente en la extractora. En base a este análisis se propone aumentar un decantador para la separación adecuada en esta operación unitaria, el cambio de las condiciones del secado y el remplazó de un decantador trifásico en lugar del tamiz y la centrífuga, que actúan como sistema de recuperación. Por otra parte, se determinó mediante un diseño experimental 2 2 compuesto con tres puntos centrales las condiciones óptimas de extracción en la esterilización y en la digestión. En el diseño experimental las variables controladas fueron la presión de la esterilización y la temperatura de la digestión. Como variable de respuesta se midió el extracto etéreo en la fibra del prensado. Para el diseño experimental se realizó en laboratorio la obtención del aceite de palma, con las diferentes condiciones de extracción. Las condiciones óptimas de extracción son 54 psi para la presión de esterilización y 97 °C para la temperatura de digestión. La cantidad de aceite que se pierde en el prensado disminuye de 0,5 t/día a 0,4 t/día, representa 1,6 toneladas al mes más de aceite extraído. Mediante balance de masa con los datos obtenidos de la extractora se determinó que la eficiencia actual de extracción es de 17,70 %. Al realizar los cambios propuestos en las operaciones unitarias antes mencionadas y con las condiciones óptimas de extracción determinadas se calculó la eficiencia de extracción optimizada que corresponde a 18,85 %. En la evaluación económica realizada al estado actual de la extractora se encontró un TIR de 11 %. Con la optimización del proceso se obtuvo un TIR de 54 %. Por lo cual la optimización del proceso es rentable económicamente..

(18) xiii. INTRODUCCIÓN El cultivo de palma africana posee la mayor eficiencia de producción de los cultivos de aceites vegetales. De la palma africana se obtiene dos importantes aceites: el aceite rojo de palma, proveniente del mesocarpio de la fruta, y el aceite de palmiste, que se obtiene de la nuez de la fruta (Corley y Tinker, 2003, p. 1). En Ecuador, la plantación de palma africana se fomentó desde el año 1961. La principal región del Ecuador donde se instaló este cultivo fue en Santo Domingo de los Tsachilas. En la misma se instalaron plantas para la producción del aceite de palma (FLACSO Y MIPRO, 2012, p. 1). Actualmente la producción de palma africana en Ecuador se ha expandido a zonas como Quinindé, La Unión, La Concordia, Quevedo, Los Ríos, Sucumbíos y Orellana. La zona de mayor producción se encuentra entre Quinindé y La Concordia (Pro Ecuador, 2014, p. 6; Potter, 2011, p. 40). En el año de 1975 existía 13 plantas extractoras de aceite de palma y de palmiste, para el año de 1984 se registraron 27 plantas de extracción (FLACSO, 1985, p. 51). Actualmente se registran 51 empresas de elaboración de aceite, según el censo económico realizado en 2010 (FLACSO Y MIPRO, 2012, p. 2). Mundialmente los países de mayor producción de aceite de palma son Malasia e Indonesia. Ecuador es el segundo productor de aceite de palma de Sudamérica después de Colombia (Pro Ecuador, 2014, p. 5). En el 2009 Malasia fue responsable del 45 % e Indonesia del 47 % de las exportaciones a nivel mundial (Gustone, 2011, p. 8), mientras que Ecuador tuvo un aporte a la exportación mundial de aceite de palma del 1 % (Lai, Tan, y Akoh, 2012, p. 254). Dado que el sector de extracción de palma africana es grande en Ecuador, existe competitividad entre las empresas de producción. Por este motivo es importante buscar la mayor eficiencia de producción. Para lo cual las empresas buscan mayor productividad y eficiencia. Se debe entender que la productividad engloba muchas cosas, no solo el volumen de producción sino el rendimiento del proceso..

(19) xiv. La eficiencia busca la menor pérdida de materia prima, insumos y esfuerzo (Hamblin, 1991, p. 74; Yánez y García, 2004, p. 450). El aceite de palma es el aceite vegetal más comercializado en el mundo, de igual manera tiene un mercado muy competitivo por lo que la calidad es fundamental. Sin embargo, en la producción industrial siempre se tendrán pérdidas, las cuales pueden cambiar al optimizar un proceso (Choong y McKay, 2013, p. 1). El prensado es la operación unitaria principal en la planta, en este se obtiene el aceite a partir de la fruta fresca (Harun et. al, 2015, p. 3). Por esta razón es importante tomar en cuenta las operaciones unitarias y los factores que influyen en la eficiencia del prensado. La esterilización permite el acondicionamiento de la fruta para la extracción de aceite, esta operación ablanda el mesocarpio de la fruta para la digestión y el prensado (Alfaro y Ortiz, 2006, p. 2; Corley y Tinker, 2003, p. 454). La digestión ayuda a la separación de las células para la liberación del aceite en el prensado (Corley y Tinker, 2003, p. 454). La digestión es un proceso crítico para la recuperación de aceite (Lai, et. al, 2012, p. 310).. La extractora de aceite crudo de palma africana “Hermanos Muñoz” fue fundada en el año 1980 por el Sr. Luis Muñoz Bolaños. En el año 2002 paso a manos de los hijos como parte de herencia. Actualmente es administrada por 4 hijos del fundador. La extractora presenta varios problemas en el área de producción. En la extractora no se ha realizado mantenimientos programados de los equipos. Por lo mencionado anteriormente se ve la necesidad de realizar una optimización del proceso de extracción de planta. Para la determinación del estado actual de la planta extractora se realizaron varios análisis en cada una de las operaciones unitarias. Además se evaluó las condiciones óptimas de extracción del aceite en la esterilización y el prensado mediante un diseño experimental. Con los resultados obtenidos se propusieron cambios en las operaciones unitarias que no cumplan adecuadamente el requerimiento de la planta. Finalmente se realizó una evaluación del nuevo rendimiento y una evaluación económica de la propuesta..

(20) 1. 1.. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.1. EXTRACCIÓN DEL ACEITE DE PALMA AFRICANA 1.1.1. GENERALIDADES La mayoría de aceites vegetales son obtenidos mediante semillas procedentes de plantas. El aceite vegetal se obtiene mediante prensado o extracción con hexano. Los aceites de palma y de oliva son obtenidos mediante el prensado del mesocarpio de la fruta (Gustone, 2011, p. 1). La producción mundial de aceite y grasas es dominada por los aceites vegetales con un porcentaje de 55 %, seguido por las grasas animales con 40 % y finalmente los aceites de origen marino con 5 % (Thomas, 2012, p. 19). Del 2008 al 2009 el rendimiento de producción mundial promedio de los aceites fueron de soya 18 %, canola 39 %, girasol 41 %, maní 32 %, algodón 14 %, coco 62 %, palmiste 44 %, palma 45 – 50 %, oliva 25 – 30 % y maíz 5 %. Se observa que el de mayor rendimiento es el de aceite de palma (Gustone, 2011, p. 1). Tabla 1.1. Promedio de producción anual del total de aceites y grasas, y grasas de animales Año. 1909/ 1913. 1936/ 1939. 1958/ 1962. 1976/ 1980. 1986/ 1990. 1996/ 2000. Aceites y grasas vegetales (mt). 13,1. 20,2. 29,8. 52,6. 75,7. 105,1. Grasas animales (mt). 6,5. 8,5. 11,8. 17,2. 19,8. 21,3. Grasas animales (%). 50. 42. 40. 33. 26. 20. Fuente: Gunstone (2011) p. 3. Los aceites vegetales han aumentado su producción en los últimos años, al nivel de dominar el mercado de aceites y grasas sobre los procedentes de animales..

(21) 2. Se puede observar la producción de los aceites y grasas vegetales y animales del siglo veintiuno en la tabla 1.1 (Gustone, 2011, p. 3). Existen nueve tipos de aceite vegetal los cuales pueden ser clasificados de diferentes maneras. Una clasificación incluye los cuatro aceites de mayor producción: aceite de palma, soya, canola y girasol. Dos aceites láuricos de coco y palmiste y los restantes: algodón, maní y oliva (Gustone, 2011, p. 3). El clima influye en el rendimiento de producción de las plantaciones de semillas para la obtención de aceites, los fertilizantes, pesticidas, herbicidas y la irrigación ayudan a mejorar la producción. Hay cultivos que duran varios años, como por ejemplo la palma africana de 25 a 35 años y el de oliva alrededor de 100 años (Gustone, 2011, p. 4). La influencia del clima en la producción de las semillas determina la cosecha de estas. Pero existe plantaciones como la palma africana y el coco las cuales son cosechadas en todo el año, pero la calidad y el rendimiento del aceite cambia con las estaciones (Gustone, 2011, p. 4). Como se mencionó la producción de los aceites y grasas vegetales han aumentado. La producción de aceite de palma entre 1995/96 al 2008/09 ha aumentado un 167 %, seguido de la producción de soya de 76 % (Gustone, 2011, p. 6). La planta de aceite de palma es un cultivo tropical y es uno de los de mayor producción a nivel mundial. La producción industrial de esta plantación se ha incrementado en muchos países de la zona tropical que poseen clima caliente y húmedo (Corley y Tinker, 2003, p. 7; Hansen, et. al, 2015, p. 2). Las plantaciones de aceite de palma presentan mayor eficiencia por hectárea que cualquier otro cultivo para obtención de aceite y grasa vegetal. Esta planta genera dos tipos de aceite: el aceite rojo de palma proveniente de mesocarpio de la fruta.

(22) 3. y el aceite de palmiste que se obtiene de la nuez (Corley y Tinker, 2003, p. 1; Gunstone, 2011 p. 25). Los países de mayor producción plantan y procesan principalmente el tipo de palma denominada tenera, ya que produce mayor rendimiento de aceite por racimo de fruta el cual es alrededor de 22,5 – 25,5 %. El aceite de palma africana representa el 30 % de la producción mundial de aceites y grasas vegetales. Las plantas de aceite de palma son las más eficientes en producción dado un rendimiento de 3,6 – 3,7 toneladas/ha/año, además de aceite de palmiste con un rendimiento de 0,42 toneladas/ha (Corley y Tinker 2003, p. 7; Gunstone, 2011, p. 25). Actualmente la palma africana se produce en las áreas tropicales de la línea ecuatorial. Se da en lugares como África, Sur-este de Asia y, Sur y Centro América. Este cultivo se da en esta zona debido a las condiciones climáticas del lugar (Corley y Tinker, 2003, p. 53).. Figura 1.1. Tipos de palma aceitera Elaeis guineenssi. Dura, Pisifera y Tenera (Corley y Tinker, 2003, 563).

(23) 4. Una variación de palma africana es denominada Elaeis guineenssi esta variedad se divide en tres: Dura la cual posee un mesocarpio delgado, por lo que no existe mucho aceite en esta variedad; Tenera es una mezcla entre Dura y Pisifera la cual tiene un mesocarpio denso y un endocarpio delgado; y la variedad Pisifera la cual posee un denso mesocarpio y la ausencia de endocarpio. En la figura 1.1 se puede observar los tipos de fruta de palma aceitera (Corley y Tinker, 2003, p. 6; Lai, et. al. 2012, p. 3). La fruta de palma aceitera pesa alrededor de 6 – 20 mg. La fruta contiene una membrana exterior, exocarpio; la pulpa de la fruta, mesocarpio de donde se obtiene el aceite rojo de palma; y en endocarpio que es la nuez de la fruta que contiene el palmiste, de donde se obtiene también aceite. Las partes de la fruta de palma africana se observan en la figura 1.2. (Corley y Tinker, 2003, p. 28).. Figura 1.2. Partes de palma aceitera Elaeis guineenssi. 1. Estigma. 2. Exocarpio. 3. Mesocarpio. 4. Endocarpio. 5. Almendra. 6. Embrión (Corley y Tinker, 2003, 3). La palma africana tiene mayor rendimiento por área que cualquier otro cultivo. Una hectárea de palma africana produce diez veces más que cualquier otra semilla de producción de aceite (Mba, Dumont y Ngadi, 2015, p. 2). El cultivo de palma africana es productiva después de 3 años de ser plantada y produce 25 años consecutivos. Si la planta tiene las condiciones adecuadas.

(24) 5. puede producir hasta 5 toneladas de aceite por hectárea al año, esta producción representa aproximadamente 10 veces más que la producción de soya (Gunstone, 2011, p. 25; Lai, Tan, y Akoh, 2012, p. 251).. Figura 1.3. Racimo de palma africana (Corley y Tinker, 2003, 563). La semilla de la fruta de palma aceitera es la nuez que queda después de eliminar el mesocarpio. La fruta de palma africana consta del mesocarpio, de donde se obtiene el aceite de palma y una, dos o tres nueces o endocarpio; generalmente solo poseen una nuez. La nuez de la variedad tenera por lo general mide 2 cm o menos de largo. La fruta tiene una longitud mayor o igual 5 cm, y un peso de 3 a 30 g. La fruta generalmente tiene un color violeta en la base y amarillo en el apéndice. El peso del racimo de fruta aumenta con la edad de la palma, con un peso de 5 kg para palmas jóvenes de 3 años y de más de 25 kg para palmas de 15 años o más. El racimo de la fruta de palma se observa en la figura 1.3. (Corley y Tinker, 2003, p. 28; Lai, et. al., 2012, p. 252). El cultivo de palma aceitera crece en clima tropical, a altas temperaturas de alrededor de 24 – 28 °C. A temperaturas de 15 °C el cultivo no crece. La variación de la temperatura entre estaciones no debe ser mayor a 6 °C. Además de la temperatura la palma aceitera necesita niveles adecuados de agua. Si no se planta en lugares con suficiente agua, la planta sufre estrés por falta de agua (Corley y Tinker, 2003, p. 53, 63, 64). Los lugares adecuados para la plantación.

(25) 6. son lugares húmedos cálidos. Este cultivo se da en zonas tropicales y requiere 2000 mm de lluvia anual y 2000 horas de sol (Lai, et. al., 2012, p. 254).. 1.1.2. ACEITE DE PALMA AFRICANA El aceite de palma domina el mercado de aceites vegetales, la producción de este ha aumentado más del doble en la última década (Boucher, et. al., 2011, p. 51). El aceite de palma africana es el que más se negocia con 31 millones de toneladas al año entre importaciones y exportaciones. También es el aceite que se produce en mayor cantidad (43 millones de toneladas) (Gustone, 2011, p. 8). La Unión Europea importa el 11 % de la producción mundial (Boucher et. al., 2011, p. 52). La mayor producción y exportación de este aceite es dominada por Malasia e Indonesia, en consecuencia estos países son los que regulan el precio de venta (Boucher et. al., 2011, p. 53). En el 2008/09 Indonesia produjo el 46 % de aceite de palma global y Malasia el 41 %. En exportaciones Indonesia fue el responsable de 47 % y Malasia del 45 %. Otros países con menor producción de aceite de palma son, en orden decreciente: Tailandia, Nigeria, Colombia, Ecuador y Nueva Guinea. Estos países producen entre 1,4 y 0,4 millones de toneladas (Gustone, 2011, p. 8). La industria de aceite de palma es una de las más importantes en Malasia e Indonesia. Esta industria se ha incrementado en áreas de plantación en un 28 % en Malasia y 101 % en Indonesia en el periodo de 2000 a 2009 (Lai, et. al., 2012, p. 235). Malasia tiene 395 plantas de extracción de aceite. La capacidad total de las plantas es de 89,8 millones de toneladas de fruta fresca por año. En 2010 se produjo 15,4 millones de toneladas de aceite crudo de palma y se procesó 74,5 millones de toneladas de racimos de fruta fresca (Lai, et. al., 2012, p. 235)..

(26) 7. En América Latina los países con mayor producción de aceite de palma son Colombia en primer lugar, siendo responsable de 2 % de la producción mundial, seguida por Ecuador con 1 % y Brasil se encuentra en el tercer lugar con 0,5 % (Lai, et. al., 2012, p. 254). La producción de aceite de palma es abarcada por Malasia e Indonesia, los cuales en el 2013 produjeron el 85 % de la producción mundial. Este año Ecuador tuvo una participación del 0,9 % obteniendo el octavo puesto de la producción mundial (Pro Ecuador, 2014, p. 5). La producción de aceite de palma en Ecuador está destinada al consumo interno, el cual en el 2013 fueron 0,22 millones de toneladas, y la exportación de aceite de palma fue de 0,29 millones de toneladas (Pro Ecuador, 2014, p. 5). En Ecuador también se ha incrementado la producción de aceite de palma alrededor de 10,7 % durante los últimos cinco años. En el año 2014 se produjo 0,54 millones de toneladas de aceite crudo de palma (Pro Ecuador, 2014, p. 6). En el 2002 Ecuador tuvó una producción de aceite de palma de 240 000 toneladas al año (Corley y Tinker, 2003, p. 21).. Figura 1.4. Producción de aceite de palma (millones de toneladas) desde 1970 a 2010 (Fedapal, 2015).

(27) 8. En Sudamérica la palma africana ha desarrollado diferentes enfermedades, los que disminuye el tamaño de plantaciones comparadas con las de Asia y África. Desde 1973 al 2005 la producción de aceite de palma se ha incrementado en Malasia e Indonesia significativamente, mientras que el aumento de producción en el resto del mundo ha sido menor. Este incremento de producción se puede observar en la figura 1.4. (Corley y Tinker, 2003, p. 11). El incremento en la producción de aceite de palma tiene relación con la expansión de producción de biodiesel. El aceite palma se utiliza para la elaboración de biodiesel en varios países (Jaimes, Rocha, Vesga, y Kafarov, 2012, p. 62).. 1.1.3. EXTRACCIÓN DE ACEITE ROJO DE PALMA. Los racimos de fruta recién cosechados deben ser procesados en la planta de extracción inmediatamente para minimizar el aumento de ácidos grasos libres, los cuales determinan la calidad del aceite de palma (Lai, et. al., 2012, p. 238). El rango de ácidos grasos libres en el aceite de palma es de 2,3-6,7 % (Tan, et. al. 2009, p. 645). La eficiencia general de las plantas extractoras de aceite es de 90 – 93 % respecto a la recuperación de aceite. Esta eficiencia depende de la maquinaria de la planta y del proceso de control. Respecto al peso de fruta fresca que ingresa al proceso se obtiene un rendimiento de 18 – 23 % (Lai, et. al., 2012, p. 238). El aceite de palma se obtiene generalmente mediante método mecánico como es el prensado, también se obtiene mediante solventes. De estos dos métodos se obtiene aceite de palma con componentes deseados y no deseados (Mba et. al., 2015, p. 2).. El vapor utilizado en la extracción de aceite proviene del caldero, el cual utiliza como combustible la fibra que se obtiene del prensado. Para la industria de extracción de aceite es fundamental la utilización de vapor. Este es utilizado en la mayor parte del proceso (Corley y Tinker, 2003, p. 455)..

(28) 9. 1.1.3.1.. Recepción de fruta. La fruta de palma llega a la planta y normalmente es entregada en rampas elevadas. La fruta suele estar por varias horas en el área de recepción antes de que la planta esté lista para el proceso. El proceso de transportación de la fruta se debe realizar diariamente y el proceso de producción por lo general funciona 24 horas al día (Corley y Tinker, 2003, p. 453).. 1.1.3.2.. Esterilización. El proceso de extracción consta de la esterilización de los racimos de palma para detener el incremento de ácidos grasos libres, para facilitar y ayudar al desgranado de la fruta y el acondicionamiento de la fruta para la extracción del aceite. La esterilización sirve para inhibir las enzimas que degradan la fruta y aumentan la acidez de esta. Además sirve para el ablandamiento del mesocarpio, para la realización de la digestión y del prensado, y finalmente al ablandamiento de la nuez (Alfaro y Ortiz, 2006, p. 2; Corley y Tinker, 2003, p. 454). La generación de ácidos grasos libres se da gracias a la enzima lipasa. La inactivación de esta enzima se obtiene con la esterilización. La baja temperatura es un factor de la activación de la enzima lipasa (Vincent, Shamsudin, Baharuddin, 2014, p. 124). La esterilización es un pre-tratamiento de la palma para el proceso de extracción. Un pre-tratamiento se refiere a un proceso que permite separar o solubilizar uno o más de los componentes principales: hemicelulosa, celulosa, lignina y extractos (Vincent, et. al., 2014, p. 123). La esterilización actualmente se realiza en esterilizadores horizontales, los cuales se encuentran estandarizados. En plantas de pequeña escala se utiliza esterilizadores. verticales.. Los. esterilizadores. son. recipientes. cilíndricos. presurizados como se observa en la figura 1.5. (Corley y Tinker, 2003, p. 453)..

(29) 10. Figura 1.5. Esterilizador horizontal de plantas extractoras de aceite de palma La fruta ingresa a los esterilizadores mediante cajones. Los cajones tienen aproximadamente una capacidad de 1,5 – 2,5 toneladas. La capacidad de los esterilizadores depende de la longitud de estos (Corley y Tinker, 2003, p. 453). Cuando la fruta ingresa a los esterilizadores estos se cierran e ingresa vapor de agua a 3 kg/cm2, que corresponde a una temperatura de 130 °C. Llegada a la presión, se mantiene de 60 a 90 minutos (Corley y Tinker, 2003, p. 453-454; Lai, et. al., 2012, p. 238). En algunas empresas la fruta es esterilizada por 12 – 15 minutos separada del racimo, de esta manera se disminuye las pérdidas de aceite en la esterilización (Corley y Tinker, 2003, p. 454). Existen investigaciones de esterilización a menor presión, de esta manera se prevée disminuir las pérdidas de aceite. Pero la esterilización a menor presión no suaviza lo suficiente la fruta para la digestión (Corley y Tinker, 2003, p. 454). La esterilización es el primer pretratamiento de los racimos frescos de palma. La esterilización utiliza vapor y a pequeña escala los frutos son cocinados en las autoclaves y no existe inyección de vapor. La utilización de los diferentes tipos de esterilizadores depende de cada planta, pero esta normalizado la utilización de esterilizadores horizontales en plantas de gran escala (Lai, et. al., 2012, p. 307)..

(30) 11. El vapor que es adicionado en la esterilización actúa químicamente para romper gomas, resinas y almidones que generan espuma con el aumento de la temperatura, esto sucede ya que son solubles en agua (Lai, et. al., 2012, p. 309). Las pérdidas de aceite que suceden en la esterilización se dan por la condensación del vapor después de la esterilización. Estas pérdidas están relacionadas con la transportación de los racimos a la planta. Para disminuir estas pérdidas se debe tomar precauciones en el transporte para disminuir los moretones en la fruta (Lai, et. al., 2012, p. 310).. 1.1.3.3.. Desgranado. Los racimos esterilizados pasan al desgranador, el cual es un tambor giratorio a manera de jaula con barrotes longitudinales que separa la fruta del racimo. Los racimos vacíos son llevados a las plantaciones de palma como fertilizante (Corley y Tinker, 2003, p. 454; Jaimes, et. al., 2012, 63). En la figura 1.6 se observa el equipo de desgranado. El desgranador sirve para la separación de la fruta de los racimos vacíos. Actualmente este proceso se realiza en desgranadores tipo tambor estandarizado. En plantas de pequeña escala utilizan desgranadores tipo batidora (Corley y Tinker, 2003, p. 254; Lai, et. al., 2012, p. 310). En algunas extractoras se utiliza el desgranador con una recirculación de los racimos para garantizar la separación de la fruta. El tambor del desgranador rota a una velocidad aproximada de 22 rpm. Si se agrega brazos al desgranador se aumenta la eficiencia (Corley y Tinker, 2003, p. 454)..

(31) 12. Figura 1.6. Desgranado de la industria de palma africana. 1.1.3.4.. Digestión. La fruta desgranada pasa a la digestión donde se inyecta vapor de agua, en el digestor la fruta es agitada para soltar el mesocarpio de la fruta y liberar la nuez. La digestión ayuda a que el mesocarpio de la fruta abra las células para liberar el aceite antes del prensado (Corley y Tinker, 2003, p. 454). Los digestores son recipientes cilíndricos verticales con agitadores, los cuales trituran la fruta y mueven la fruta que se encuentra en las paredes del digestor. En este proceso se inyecta vapor o agua caliente. Este proceso es importante para la realización del prensado, ya que separa la nuez del mesocarpio de la fruta (Corley y Tinker, 2003, p. 454). La digestión es un proceso continuo, por lo que la alimentación mediante el elevador debe ser continua al igual que la descarga (Lai, et. al., p. 310)..

(32) 13. El proceso de digestión es crítico para la recuperación de aceite de palma. Este proceso es considerado el corazón de la extracción ya que influye de gran manera en la eficiencia. La eficiencia de la digestión se realiza de mejor manera si el digestor se llena adecuadamente. Esto se debe a que este proceso es influido por el movimiento de fricción mecánico que se da con el agitador, la fruta y las paredes del digestor (Lai, et. al., 2012, p. 310).. 1.1.3.5.. Prensado. En esta operación unitaria se obtiene el aceite de palma, por esta razón es considerada la operación más importante del proceso. Esta operación sirve para la separación de los componentes de la fruta de palma africana. Generalmente la capacidad de la planta está dada por la capacidad de la prensa (Harun et. al., 2015, p. 3). Esta operación unitaria fue realizada mediante centrifugación en las primeras plantas existentes, el prensado hidráulico se introdujo alrededor del año 1920. Posteriormente en 1950 se utilizó la prensa de tornillo. Actualmente las prensas de tornillo son utilizadas universalmente. La extracción mediante prensado es más eficiente. El cambio de la prensa hidráulica por la de tornillo tiene significativas ventajas para la extracción (Corley y Tinker, 2003, p. 454). Una ventaja de la prensa de tornillo es su funcionamiento continuo, mientras que la prensa hidráulica tiene funcionamiento batch por lo que se requiere menos fuerza laboral. Tiene mayor rendimiento que la prensa hidráulica. La prensa de tornillo requiere menos energía que la prensa hidráulica por un alto rendimiento. La prensa de tornillo permite obtener la fibra con menos cantidad de aceite, lo cual permite una separación más fácil de la fibra con la nuez (Corley y Tinker, 2003, p. 454). En las plantas extractoras se utiliza prensas de doble tornillo, estas permiten procesar más materia prima que las de un solo tornillo. En las plantas industriales.

(33) 14. por lo general se utiliza dos prensas que trabajan en paralelo (Harun et. al., 2015, p. 5). En la figura 1.7 se observa una prensa de extracción de aceite de palma.. Figura 1.7. Prensa de doble tornillo de extracción de aceite de palma La mezcla obtenida de la digestión ingresa a la prensa, la cual mediante rotación del cilindro permite la obtención del aceite y la separación de este con la fibra. Algunas prensas de tornillo el diámetro de este disminuye, esto ayuda a incrementar la presión de la prensa (Corley y Tinker, 2003, p. 455). La eficiencia del prensado depende de la presión adecuada la cual extraiga la mayor cantidad de aceite con mínimas pérdidas en la fibra. Además depende de la digestión, si se ha realizado adecuadamente (Alfaro y Ortiz, 2006, p. 2). El prensado ha sido investigado a lo largo de los años para mejorar esta operación unitaria. Una opción que se ha evaluado es un proceso húmedo, en el cual se utiliza agua caliente después de la digestión. Esta operación ha dado resultados favorables para empresas de pequeña escala. Esta extracción opera funcionalmente para una capacidad de 0,7 – 2 toneladas de racimo por hora (Corley y Tinker, 2003, p. 455). Otra alternativa al sistema de prensado es un proceso basado en la extracción de aceite de oliva. Este proceso genera una mezcla de aceite de palma y aceite de palmiste, lo cual es una desventaja dependiendo del uso del aceite. Este método de extracción consiste en la esterilización de la fruta y la trituración de esta.

(34) 15. incluida la nuez en un molino de martillos, seguida por la separación del aceite en un decantador trifásico (Corley y Tinker, 2003, p. 455). Se ha investigado la extracción de aceite mediante solventes, esta extracción genera mayor eficiencia que la extracción mediante prensado pero no funciona a nivel industrial. También se ha investigado la extracción del aceite sobrante de la fibra después de la extracción por prensa. Sin embargo, el solvente utilizado y las características de este aceite recuperado presentan diferencias como gran cantidad de carotenoides y componentes como la cera (Corley y Tinker, 2003, p. 455). Las pérdidas de aceite en el prensado están en la fibra. Las pérdidas en este proceso se deben a una digestión incompleta o inapropiada. La presión de la prensa puede ser aumentada con el objetivo de disminuir las pérdidas, pero esto puede comprometer la ruptura de la nuez y por lo tanto la calidad del aceite (Lai, et. al., 2012, p. 312).. 1.1.3.6.. Decantación y secado. Después de la liberación del aceite mediante las prensas de tornillo, este pasa al decantador donde se separa el aceite del agua y los sólidos. Después del decantador el aceite pasa al secado el cual en algunas plantas se realiza al vacío. En el secado se elimina la humedad sobrante para que el aceite pueda ser almacenado (Corley y Tinker, 2003, p. 455). El aceite proveniente del prensado está constituido por aceite, agua y sólidos. La composición de la corriente depende de la cantidad de agua que se agrega previo al prensado (Corley y Tinker, 2003, p. 455)..

(35) 16. Para la separación de los componentes de interés, que es el aceite, se utiliza la decantación, la cual es una clarificación donde el componente de interés es el líquido en la mezcla (Corley y Tinker, 2003, p. 455). Los tanques de sedimentación son alimentados por la mezcla por la mitad de estos, el aceite es recuperado por la parte de arriba y el lodo (sólidos, agua y pequeñas cantidad de aceite) es obtenida por la parte de abajo del tanque. La composición del aceite al salir del decantador debe reducir la cantidad de sólidos a 0,01 % (Corley y Tinker, 2003, p. 455). La composición de la corriente de salida del decantador se busca que sea mayormente aceite (90 %) y en menor cantidad agua (10 %). Este proceso es crítico para la calidad del aceite, en este se eliminan las impurezas de este (Lai, et. al., 2012, p. 313). El proceso de sedimentación para la extracción de aceite se realiza de 1,5 a 5 horas. El proceso puede ser mejorado mediante la utilización de paneles vibratorios. Después del tiempo de sedimentación existen dos fracciones: la de arriba es el aceite y la de abajo los sólidos y el agua (Lai, et. al., 2012, p. 314). La fracción de agua y sólidos contienen restos de aceite los cuales deben ser recuperados mediante la centrifugación. La eficiencia de la recuperación puede ser mejorada mediante el uso de decantadores (Lai, et. al., 2012, p. 314). El aceite debe contener 0,1 % de agua, para esta especificación el aceite debe ser secado mediante unidades de secado con vapor o por secados al vacío a 0,93 bar (Jaimes, et. al., 2012, p. 63). El aceite obtenido con la humedad requerida es almacenado a temperaturas entre 50 y 55 °C. Esta temperatura no deteriora al mínimo posible la calidad de aceite (Corley y Tinker, 2003, p. 455). El lodo que sale del decantador como purga aun contiene aceite, por este motivo esta corriente pasa a un sistema de recuperación como centrifugación o decantadores (Corley y Tinker, 2003, p. 455)..

(36) 17. 1.1.3.7.. Separación de la fibra. La fibra obtenida del prensado se encuentra mezclada con la nuez (palmiste). La nuez debe ser separada de la fibra ya que tienen diferente funcionalidad. La fibra es utilizada en el caldero para la generación de vapor indispensable para la planta. La nuez es utilizada para la obtención del aceite de palmiste (Corley y Tinker, 2003, p. 455). En algunas empresas se realiza la obtención de este aceite también, pero es otro proceso de extracción diferente al de aceite de palma (Corley y Tinker, 2003, p. 455). Para la separación de la nuez con la fibra se utiliza ciclones los cuales mediante flujo de aire y diferencia de densidades se logra separar esta corriente.. 1.1.4. PLANTAS DE PEQUEÑA ESCALA. 1.1.4.1.. Plantas de pequeña escala. Las plantas a pequeña escala utilizan procesos no mecánicos o procesos mecánicos pero con menor rendimiento y diseño más simple para la obtención del aceite de palma. En América las plantas de pequeña escala se han vuelto comunes, con una capacidad de procesamiento de 1 a 3 toneladas de racimos frescos por hora (Corley y Tinker, 2003, p. 456). El proceso a pequeña escala no mecánico utiliza alta fuerza laboral, varios procesos son realizados manualmente. El proceso requiere desgranado manual al igual que el prensado manual. Además se recalienta la masa que se obtiene de la fruta (Corley y Tinker, 2003, p. 457). En la figura 1.8 se observa el proceso de desgranado manual en una extractora de pequeña escala. Otro proceso no mecánico utilizado incluía un digestor horizontal y una prensa hidráulica manual. La fibra se separaba de la nuez manualmente, y se realizaba un segundo prensado. Este proceso no utilizaba mucha agua por lo que no se.

(37) 18. tenía efluentes. Este proceso era barato pero no daba gran eficiencia (Corley y Tinker, 2003, p. 457).. Figura 1.8. Desgranado manual (Corley y Tinker, 2003, 457). El principal problema con las plantas de pequeña escala es el control de estas, muchas plantas de este tipo no se controlan adecuadamente o no se conoce la eficiencia de la planta y las pérdidas de esta (Corley y Tinker, 2003, p. 458).. 1.1.4.2. PROCESO TRADICIONAL EN ÁFRICA. La esterilización se realiza después del desgranado de la fruta, este proceso se realiza así ya que los racimos son cuarteados antes de entrar al proceso. En este proceso los racimos no son esterilizados inmediatamente llegados a la planta, sino que se espera algunos días antes de empezar la extracción. La esterilización se realiza en tambores los cuales son llevados a ebullición por 1 a 2 horas. El objetivo de esta operación es el mismo que en plantas de gran escala (Lai, et. al., 2012, p. 317). La digestión se realiza en un mortero donde se tritura la fruta. Después es separado la nuez de la masa de fibra manualmente. Para la extracción de aceite se realiza en una prensa hueca la cual mediante una llave se realiza la extración del aceite. El aceite sale por huecos de la prensa y es dirigido a un recipiente..

(38) 19. Este proceso debe ser repetido hasta obtener todo el aceite posible (Lai, et. al., 2012, p. 318). La decantación y el secado no se realizan como en las plantas industriales, en la industria tradicional se deja sedimentar el aceite en el recipiente que se recolectó el aceite de la extracción. Después de sedimentado se recupera el aceite y está listo para el uso. En el efluente del decantado se encuentran pérdidas de aceite que no son consideradas (Lai, et. al., 2012, p. 318).. 1.1.5. OPERACIÓN DE LA PLANTA EXTRACTORA Existen dos procesos de extracción del aceite de palma: el proceso seco y húmedo. El proceso húmedo utiliza agua en la digestión para la extracción de aceite, mientas que en el proceso seco se extrae el aceite del prensado hidráulico o de tornillo (Lai, et. al., 2012, p. 238). Para mejorar la eficiencia de extracción del aceite de palma es importante conocer donde suceden las pérdidas en el proceso. Además se importante minimizar estas pérdidas al máximo para mejorar la eficiencia (Hamblin, 1991, p. 74; Lai, et. al., 2012, p. 238). Para la operación de las plantas extractoras se debe tomar en cuenta dos factores principales: la ubicación de esta y el control del proceso (Corley y Tinker, 2003, p. 459). Para la ubicación de la planta es importante tener cerca disponibilidad de agua pura para el proceso. Asimismo, se debe tener espacio suficiente para los efluentes líquidos y sólidos del proceso. Además, la planta debe estar cerca de las plantaciones de palma (Corley y Tinker, 2003, p. 459). Para el control del proceso se debe considerar la eficiencia de producción la cual debe tomar en cuenta las pérdidas del proceso, la producción de aceite y la.

(39) 20. cantidad de racimos frescos que ingresan al proceso (Corley y Tinker, 2003, p. 459).. Las pérdidas “conocidas” de aceite que se tiene en el proceso son en la fibra, los tallos de los racimos y los efluentes líquidos. Las pérdidas “conocidas pero no registradas” de aceite son el condensado de esterilización, los racimos sin desgranar, aceite impregnado en los racimos y los derrames de fruta. Y las pérdidas “no conocidas” son errores en el pesaje de la materia prima o del aceite producido y fraudes (Corley y Tinker, 2003, p. 459; Yánez, García y Fuentes, 2000, p. 313). Para controlar la producción de aceite y el peso de fruta que ingresa al proceso se debe pesar la materia prima antes de que se descargue. Generalmente el peso del aceite se mide con el volumen del tanque de almacenamiento y con la conversión de la densidad de este a la temperatura adecuada (Corley y Tinker, 2003, p. 459). El condensado de la esterilización puede ser medido con la toma de muestras a intervalos determinados y analizando el contenido de aceite. Con esto se puede estimar la pérdida de aceite en este proceso. Esta pérdida de aceite es pequeña y muchas plantas no la consideran para el cálculo de eficiencia. Sin embargo, la pérdida de aceite varía con los ciclos de esterilización (Corley y Tinker, 2003, p. 459). El peso de los racimos vacíos del proceso pueden ser estimados mediante el pesaje de estos al salir del proceso, o con muestras ponderadas de los racimos en los incineradores o que regresan al campo. Estos racimos pueden ser analizados por la cantidad de aceite que absorben esto y por la cantidad de fruta que no es desgranada. La cantidad de fruta que no es desgranada en la realidad es difícil de medir. La pérdida que se obtiene de los racimos si no son reciclados al proceso es de 1 % del peso de los racimos frescos o 5 % del aceite total (Corley y Tinker, 2003, p. 460)..

(40) 21. La pérdida de aceite en la fibra del prensado es la que más se ha analizado y se ha mejorado en los últimos años reduciendo de 20 % a menos de 6 % de pérdida de aceite. El cálculo de esta pérdida es fácil de estimar para lo cual mediante una muestra de fibra se analiza mediante extracción la cantidad de aceite en esta (Corley y Tinker, 2003, p. 460). El lodo proveniente de la decantación se estima mediante el análisis del efluente a la salida de la centrífuga y la determinación de aceite en la decantación. La pérdida de aceite en los efluentes es significativa (Corley y Tinker, 2003, p. 460). Algo importante de la operación de las plantas extractoras es la economía de estas. Se ha incrementado la productividad de extracción a través de los años mediante la adición de prensas de tornillo en lugar de las centrífugas. También se ha aumentado la productividad con la utilización de ciclos de esterilización de tres picos, la automatización de las rampas, del caldero y del digestor (Corley y Tinker, 2003, p. 460). El aceite que se recupera de los efluentes líquidos no es de la misma calidad que el aceite que se obtiene en el proceso. Los equipos utilizados, los métodos y el número de procesos influyen en la calidad del aceite (Lai, et. al., 2012, p. 238, 2012, p. 302). La baja eficiencia en algunas extractoras se debe a métodos ineficientes de extracción, generalmente se da en plantas de pequeña o mediana escala (Lai, et. al., 2012, p. 302).. 1.1.6. DESECHOS DE LA INDUSTRIA DE ACEITE DE PALMA La industria de palma africana genera gran cantidad de desechos desde el proceso de cosecha hasta el proceso de producción de aceite, los desechos incluyen la generación de biogás y biomasa (Lai, et. al., 2012, p. 694). Los desechos de la extracción de aceite son altos en fibra a excepción del efluente.

(41) 22. líquido. La mayoría de los desechos que se tienen en la industria son utilizados para la fertilización de la misma plantación y para la generación de vapor para el funcionamiento de la planta (Awalludin, Sulaiman, Rokiah, y Nadhari, 2015, p. 1470).. 1.1.6.1.. Desechos sólidos. Los desechos sólidos del proceso de producción de aceite de palma africana incluyen los troncos de palma, las frondas de la planta, los racimos vacíos, la fibra y la cascara de la nuez (Lai, et. al., 2012, p. 694). En la figura 1.9 se presenta los desechos sólidos que se obtiene en las plantas extractoras. El aumento de producción de aceite de palma involucra por sí el aumento de desechos de la industria de extracción (Simarani, et. al., 2009, p. 57). De los desechos sólidos que se genera, el 40 % corresponde a la fibra y la cascara del palmiste y el 60 % a los racimos vacíos (Salomón, Gomez y Matin, 2013, p 41).. Figura 1.9. Desechos sólidos de las plantas extractoras de aceite. (A) Racimos vacíos (B) Fibra (C) Cascara de palmiste (Awalludin et. al, 2015, 1473). Los racimos vacíos que se generan en la extracción de aceite son ricos en nutrientes y además ayudan a mejorar las propiedades físicas y químicas del suelo, por estas razones se utiliza en el suelo de las plantaciones de palma aceitera (Corley y Tinker, 2003, p. 463). Los racimos vacíos son utilizados como fertilizantes orgánicos (Simarani, et. al., 2009, p. 58)..

(42) 23. La fibra que se obtiene después del prensado y la cascara de la nuez son utilizadas como combustible para la generación de vapor (Lai, et. al., 2012, p. 697). La nuez se rompe y se obtiene el palmiste y la cascara de la nuez. El palmiste es vendido para la obtención del aceite de este (Vijaya, Choo, y Nik, 2008, p. 488). Los racimos vacíos tienen alto contenido de fibra y son utilizados para la extracción de fibra comercialmente. La fibra que se obtiene en el proceso presenta algunas características críticas como son la cantidad de aceite, la humedad y las impurezas que poseen (Lai, et. al., 2012, p. 697).. 1.1.6.2.. Desechos líquidos. Los efluentes líquidos del proceso de extracción de aceite de palma son denominados POME por sus siglas en inglés (palm oil mil effluent), estos son producidos en las últimas operaciones unitarias del proceso de extracción. Por lo general, por una tonelada de aceite extraído se genera 2,5 toneladas de POME (Corley y Tinker, 2003, p. 462; Lai, et. al., 2012, p. 698). El POME consiste de varios materiales suspendidos. Tiene alto contenido de material orgánico, nitrógeno y fosforo (Kamyab, et. al., 2015, p. 2401). El efluente de la extracción es un coloide que contiene 95 – 96 % de agua, 0,6 – 0,7 % de aceite, 4 – 5 % de sólidos (Lai, et. al., 2012, p. 694). Uno de los mayores contribuyentes a los gases de efecto invernadero es el POME. El tratamiento de efluentes se realiza generalmente con piscinas abiertas para un tratamiento anaeróbico, mediante los cuales se genera los gases de invernadero (Yoshizaki, et. al., 2013, p. 1). En el proceso de extracción se estima que se utiliza 5 – 7,5 toneladas de agua por cada tonelada de aceite producido. Aproximadamente el 50 % del agua se elimina en el POME (Kasivisvanathan, Ng, Tay, y Ng, 2012, p. 696)..

(43) 24. 1.1.6.3.. Emisiones gaseosas. Los principales problemas de las emisiones gaseosas son las cenizas y las emisiones del caldero y el biogás que se libera en la digestión anaeróbica de las piscinas de tratamiento (Lai, et. al., 2012, p. 698). Para la generación de vapor en el proceso se utiliza la fibra como combustible del caldero, esto hace que el proceso sea económicamente eficiente. Pero esto genera emisiones y material particulado (Lai, et. al., 2012, p. 698). Las emisiones atmosféricas que se tiene en la producción de aceite de palma hacen que el proceso no sea amigable ambientalmente, y además que se deba regular todas las emisiones que genera (Lai, et. al., 2012, p. 698).. 1.1.7. TRATAMIENTO DE DESECHOS EN LA INDUSTRIA DE ACEITE PALMA El tratamiento que se realiza actualmente a los efluentes líquidos de la extracción de aceite de palma es un proceso anaeróbico, facultativo y aeróbico. En el proceso anaeróbico que se realiza se libera metano y se reduce la contaminación del efluente (Lai, et. al., 2012, p. 700). El tratamiento biológico con aplicación a la tierra permite realizar el agua obtenida para irrigación de las plantaciones y como líquido de fertilización. El tratamiento biológico con aplicación en la tierra se utiliza generalmente en las plantas de extracción. El tratamiento biológico esta constituido por una digestión anaeróbia (Lai, et. al., 2012, p. 702). Existe también el tratamiento biológico que no es aplicable a la tierra, en este se realiza una digestión anaeróbica, después de una piscina facultativa, una piscina aeróbica y algunas veces se utiliza un filtro de arena. Para este sistema se requiere bastante energía (Lai, et. al., 2012, p. 702)..

(44) 25. El aceite de palma africana tiene gran contenido de carotenos, por lo que los desechos líquidos también. Existen estudios para la recuperación de aceite y de los carotenoides. Esta extracción se realiza mediante solventes n-hexano. La extracción se realiza en sistema batch (Ahmad, Chan, Abd, y Don, 2008, p. 384). En la actualidad, por la gran producción de desecho en la industria de palma, existen estudios para la realización de plantas productoras de biogás y compost asociadas a las extractoras de aceite. Al instalar estas plantas conjuntamente son más rentables que la instalación individual de estas (Yoshizaki, et. al., 2013, p. 3).. 1.1.8. USOS DEL ACEITE DE PALMA El aceite de palma africana tiene varios usos y su aplicación incrementa con el desarrollo de la tecnología. Los usos generales del aceite de palma en varios países son aceite de cocina, el uso de vitaminas para medicamentos, para producir vino de palma y para alimentación (Corley y Tinker, 2003, p. 464). El aceite de palma es destinado a la producción de jabones y velas, antioxidante en plantaciones de estaño, cosméticos y lubricantes (Boucher et. al., 2011, p. 52). El uso no alimenticio de aceite de palma ha incrementado en los últimos años. Uno de los principales usos no alimenticio de aceite de palma es en biodiesel y varios oleo químicos (Corley y Tinker, 2003, p. 464). La producción de aceite de palma ha aumentado gracias a la necesidad de producir biodiesel a partir de este. La producción de biodiesel se debe a decisiones políticas y los subsidios que existen alrededor del precio de la gasolina (Biermann, et. al. 2011, p. 3857)..

(45) 26. El 90 % de la producción mundial de aceite de palma africana está destinada a la industria alimenticia. Se utiliza para la fabricación de margarinas, grasa para elaboración de panes, aceite de cocina y para la industrialización de comida frita. El 10 % de la producción de aceite es destinado a la industria no alimenticia, como es la fabricación de velas, jabones, cosméticos, detergentes, sustitutos del diésel, la industria de acero y metal, también para la industrialización de vitaminas como la A y la E (Lai, et. al., 2012, p. 11). En la industria de alimentación de animales, se utiliza principalmente para la generación de balanceados. En esta industria se utiliza la mezcla de subproductos de la extracción de aceite de palma (Lai, et. al., 2012, p. 11). El uso de aceite de palma en la elaboración de biodiesel se ha incrementado últimamente, ya que presenta una solución a varios problemas actuales acerca de combustibles de origen fósil. La utilización del aceite con este propósito genera oportunidad para incrementar la industria de aceite de palma ya que presenta mayor demanda de esta materia prima (Lai, et. al., 2012, p. 11).. 1.2. MEJORAS EN LA EXTRACCIÓN DE ACEITES Para el mejoramiento de la esterilización se investiga la utilización de esterilizadores verticales, inclinados y. esféricos. Esta investigación incluye el. cambio del proceso de batch a continuo. También la realización de la esterilización a presión atmosférica. Todo esto se investiga para mejorar la eficiencia del esterilizado. Existen estudios del uso de esterilización mediante microondas (Corley y Tinker, 2003, p. 463). En la extracción de aceite se investiga la utilización de solventes para la recuperación de aceite remanente en la fibra del prensado. Después de este tratamiento la fibra aún sigue siendo utilizada para la generación de vapor. El aceite que se obtiene de este proceso es utilizado para la alimentación de.

(46) 27. animales y no para el consumo humano, esto es por los solventes que se utilizan (Corley y Tinker, 2003, p. 462). En la separación del aceite se desarrolla el uso de decantadores de dos fases en lugar de los decantadores verticales que se utilizan. Con el uso de los decantadores de dos fases se reduce un 50 % la generación de efluentes líquidos (POME) (Corley y Tinker, 2003, p. 463). En el tratamiento de efluentes se investiga el uso de tanque de digestión anaeróbica con las plantas de producción de biogás. Procesos de tratamiento terciario para llegar a los estándares de los desechos. El tratamiento actual de los efluentes es muy largo (Corley y Tinker, 2003, p. 462). El proceso de extracción de aceite está siendo investigado para su desarrollo con diferentes estudios y con la utilización de tecnología de otras industrias adaptadas a la extracción de aceite de palma. La mayoría de la mejoras del proceso se enfocan en el rendimiento del proceso y la tasa de recuperación de aceite, como la productividad de las plantas (Corley y Tinker, 2003, p. 463).. 1.2.1. EXTRACCIÓN CON SOLVENTES Se puede extraer con solventes como hexano de grado alimenticio o con éter de petróleo, el aceite de los efluentes líquidos. La extracción se realiza mediante método soxhlet. Para la realizar la extracción de aceite se requiere la filtración y el secado del efluente. Esta extracción tiene alto rendimiento de obtención de aceite, pero por los requerimientos de este, como son maquinaria e infraestructura, no es un método rentable para la recuperación de aceite (Lai, et. al., 2012, p. 320). Un método más rentable para la recuperación de aceite de los efluentes líquidos es la extracción mediante fluidos supercríticos como el dióxido de carbono. Métodos como este se utilizan en otras industrias como el café descafeinado, o la obtención de diferentes sabores para el lúpulo de cerveza. Para este proceso se.

(47) 28. utiliza una presión mayor a 350 bares donde se incrementa la solubilidad del aceite. Con este método se puede recuperar el fluido supercrítico, por esta razón es un método que para esta aplicación es rentable y presenta gran eficiencia (Lai, et. al., 2012, p. 320). La aplicación de fluidos supercríticos también es aplicable para la separación de aceite crudo de palma con el aceite de palmiste. La utilización de fluidos supercríticos genera grandes ventajas como son: un proceso a menores temperaturas, obtención de productos de buena calidad y productos nuevos que se mejoren la calidad y los nutrientes (Lai, et. al., 2012, p. 321). La extracción de solventes también se aplica al aceite que se encentra adherido a la fibra. Existen estudios para tratar la fibra del prensado con fluidos supercríticos como el dióxido de carbono (Norulaini, et. al. 2008, p. 273). Estos estudios se realizan ya que en la fibra de palma existe un 3 a 6 % de aceite. La extracción con dióxido de carbono permite la recuperación del aceite a temperaturas moderas (Norulaini, et. al. 2008, p. 273, 274). Los procesos de extracción con solvente por lo general se enfocan en la utilización de dióxido de carbono. Existen estudios para la extracción de aceite de palma mediante el refrigerante R134a (Mustapa, et. al. 2009, p. 606, 615). En los estudios de utilización de R134a se revela que la eficiencia de extracción es dependiente de la temperatura y presión a la que se realiza el proceso. El proceso de extracción se realiza en un horno donde se puede controlar la temperatura (Mustapa, et. al. 2009, p. 607). Para la extracción de aceite de la fibra de prensado se investiga la utilización de solventes como propano, etanol y la mezcla de estos. La investigación se realizó a escala de laboratorio con un proceso semi-batch. El rendimiento máximo obtenido resulto de la mezcla de etano y propano, se obtuvo 70 % de.

(48) 29. recuperación de aceite. La cantidad de carotenos en el aceite depende del solvente utilizado (Jesus, et. al. 2013, p. 246, 252).. 1.2.2. RUPTURA MECÁNICA La extracción del aceite de la fibra con solventes no es un proceso amigable con el ambiente. En la actualidad se requiere que los procesos de extracción sean limpios y amigables con el ambiente (Mercer y Armenta, 2011, p. 540). Para este proceso se utiliza un molino de bolas, mediante el cual la biomasa tritura y permite la extracción del aceite de la biomasa. Este proceso permite la mínima contaminación de fuentes externas. La extracción de aceite con un molino de bolas se realiza de mejor manera con la extracción de solventes conjuntamente. El rendimiento del proceso depende del contacto de las bolas con la biomasa (Mercer y Armenta, 2011, p. 541). Para la extracción de aceite de la fibra de la prensa también se utiliza este mecanismo. Para esta extracción se utiliza un molino de bolas conjuntamente con una hidrolisis enzimática (Zakaria, Hirata y Hassan, 2014, p. 237).. 1.2.3. NANOTECNOLOGÍA El proceso de esterilización genera una emulsión entre el agua y el aceite la cual no se puede separar mediante métodos mecánicos. Por este motivo se ha investigado la utilización de nanotecnología surfactante. El uso de soluciones biosurfactantes ayuda a la ruptura de la emulsión y permite que el aceite fluya hacia arriba de la mezcla. Esto ayuda a que la pérdida de aceite sea menor por lo que genera la disminución de la demanda biológica de oxígeno (Lai, et. al., 2012, p. 322)..