Recuperación de ácidos grasos de calidad comercial a partir de residuos de la refinación de aceites comestibles

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(1)RECUPERACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS DE CALIDAD COMERCIAL A PARTIR DE RESIDUOS DE LA REFINACIÓN DE ACEITES COMESTIBLES.. ALEJANDRA MERINO VILLEGAS Ingeniería Química. Asesor NESTOR Y. ROJAS. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ING. QUIMICA BOGOTA 2005. 1.

(2) RESUMEN ................................................................................................................................ 7 1. PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO ............................................................................ 8 1.1 OBJETIVOS ................................................................................................................. 8 1.1.1 Objetivo General .............................................................................................. 8 1.1.2 Objetivos Específicos ...................................................................................... 8 1.2 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................... 9 2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA....................................................................................... 12 2.1 ORIGEN DE LOS SUBPRODUCTOS: PROCESOS DE REFINACIÓN DE ACEITES VEGETALES.................................................................................................... 12 2.1.1 Generalidades.................................................................................................. 12 2.1.2 Refinación cáustica de aceite de algodón y obtención del soap stock................................................................................................................................ 15 2.1.2.1 Generalidades.......................................................................................... 15 2.1.2.2 Pretratamiento “desgomado”............................................................ 17 2.1.2.2.1 Eliminación de fosfátidos hidratables..................................... 17 2.1.2.2.2 Eliminación de fosfátidos no hidratables .............................. 18 2.1.2.3 Eliminación de las impurezas solubles en las grasas: Proceso de Refinación Cáustica......................................................................................... 18 2.1.2.4 El Soapstock ............................................................................................ 20 2.1.3 Refinación física de aceite crudo de palma africana y obtención de ácidos grasos de palma crudos...................................................................... 22 2.1.3.1 Pretratamiento con ácido fosfórico o cítrico................................ 23 2.1.3.2 Eliminación de acidez libre e impurezas solubles: Refinación física............................................................................................................................ 23 2.1.3.3 Ácidos grasos de aceite crudo de palma africana..................... 24 2.2 PROCESOS PARA LA RECUPERACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS PROCEDENTES DE RESIDUOS DE REFINACIÓN ................................................ 25 2.2.1 Generalidades.................................................................................................. 25 2.2.2 Purificación y recuperación de ácidos grasos a partir del Soapstock de algodón.............................................................................................. 26 2.2.2.1 Saponificación y concentración ........................................................ 26 2.2.2.2 Acidulación y desdoblamiento de ácidos grasos........................ 27 2.2.2.2.1 Acidulación industrial.................................................................... 28 2.2.2.2.2 Tipos de separación ...................................................................... 30 2.2.2.2.3 Tecnologías....................................................................................... 31 2.2.2.3 Destilación de los ácidos grasos ...................................................... 32 2.2.2.3.1 Equipos utilizados .......................................................................... 33 2.2.3 Purificación y recuperación de ácidos grasos a partir de ácidos grasos crudos de palma africana. ....................................................................... 34 2.2.3.1 Destilación de los ácidos grasos ...................................................... 34 3. METODOLOGÍA .............................................................................................................. 35 3.1 EXPERIMENTACIÓN............................................................................................... 36 3.1.1 Introducción ..................................................................................................... 36 2.

(3) 3.1.2 Metodología: recuperación de ácidos grasos a partir de Soapstock ..................................................................................................................... 38 3.1.3 Metodología: recuperación de ácidos grasos a partir de ácidos grasos crudos de palma africana. ....................................................................... 39 3.1.4 Sensibilidad a la tasa de calentamiento ............................................... 40 3.2 EQUIPOS DE LABORATORIO PROPUESTO Y UTILIZADO PARA LA SIMULACIÓN DE LOS PROCESOS DE RECUPERACIÓN................................... 41 3.2.1 Equipos para ensayos .................................................................................. 41 3.2.1.1 Equipos utilizados en la Destilación:.............................................. 41 3.2.1.2 Equipos para análisis............................................................................ 42 4. RESULTADOS EXPERIMENTALES DE LA RECUPERACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS................................................................................................................................. 43 4.1 RESULTADOS EXPERIMENTALES DE LA RECUPERACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS DE SOAPSTOCK.......................................................................... 43 4.1.1 Resultados experimentales de la recuperación de ácidos grasos de Soapstock, acidulado con ácido sulfúrico al 50%................................... 43 4.1.1.1 Destilación fraccionada ensayos 1A y 2A ..................................... 43 4.1.1.1.4 Variación de las temperaturas respecto al tiempo para destilación de Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 50%. .................................................................................................................. 44 4.1.1.1.5 Análisis de fracciones recuperadas ......................................... 46 4.1.1.1.6 Título °C (consistencia y dureza) para recuperados de Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 50%........... 46 4.1.1.1.7 Color para recuperados de Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 50%. ....................................................... 46 4.1.1.1.8 Rendimientos para recuperados Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 50%. ....................................................... 48 4.1.1.1.9 Cromatografía de gases de las fracciones obtenidas (perfil de ácidos grasos) de Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 50%. .................................................................................... 49 4.1.1.1.10 Análisis del residuo de destilación ........................................ 52 4.1.2 Resultados experimentales de la recuperación de ácidos grasos de Soapstock acidulado con ácido sulfúrico al 10% .................................... 56 4.1.2.1 Destilación fraccionada ensayos 3A y 4A ..................................... 56 4.1.2.1.4 Variación de las temperaturas respecto al tiempo para recuperados de Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 10%................................................................................................ 56 4.1.2.1.5 Análisis de fracciones recuperadas para Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 10%. .................................... 58 4.1.2.1.6 Título °C (consistencia y dureza) para recuperados de Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 10%. ........ 58 4.1.2.1.7 Color para recuperados de Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 10%....................................................... 59 4.1.2.1.8 Rendimientos para recuperados de Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 10%. .................................... 60 3.

(4) 4.1.2.1.9 Cromatografía de gases de las fracciones obtenidas (perfil de ácidos grasos) para Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 10%.(Análisis efectuados en Cromatógrafo de gases marca Varian, modelo 6400, columna capilar) ......................... 61 4.1.2.1.10 Análisis del residuo de destilación ........................................ 64 4.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES DE LA RECUPERACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS CRUDOS DE PALMA AFRICANA.............................................................. 69 4.2.1 DESTILACIÓN FRACCIONADA ENSAYOS 1 Y 2 .................................. 69 4.2.1.4 Variación de las temperaturas respecto al tiempo en la destilación de ácidos grasos crudos de palma Africana. ........................ 69 4.2.1.5 Análisis de fracciones recuperadas en la destilación de ácidos grasos crudos de palma africana....................................................... 71 4.2.1.6 Título °C (consistencia y dureza) de ácidos grasos de palma africana recuperados ............................................................................................ 71 4.2.1.7 Color de ácidos grasos de palma africana recuperados ......... 72 4.2.1.8 Rendimientos obtenidos de ácidos grasos de palma africana recuperados ............................................................................................................. 73 4.2.1.9 Cromatografía de gases de las fracciones obtenidas (perfil de ácidos grasos) para ácidos grasos de aceite de palma africana recuperados. ............................................................................................................ 74 4.2.1.10 Análisis del residuo de destilación ................................................ 77 4.3 SENSIBILIDAD DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES DE LA RECUPERACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS A LA TASA DE CALENTAMIENTO EN LA DESTILACIÓN..................................................................................................... 80 4.3.1 Sensibilidad de los resultados experimentales de la recuperación de ácidos grasos de Soapstock acidulados con ácido sulfúrico al 50% a la tasa de calentamiento en la destilación. ..................................................... 80 4.3.1.1 Variación de las temperaturas respecto al tiempo para destilación de Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 50% tasa rápida. ................................................................................................... 81 4.3.1.4 Resultados de recuperados de Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 50%, tasa rápida de calentamiento. ...................................................................................................................................... 82 4.3.1.5 Rendimientos de ácidos grasos de recuperados de Soapstock de algodón acidulado con ácido sulfúrico al 50% con tasa de calentamiento rápida. .......................................................................................... 84 4.3.2 Sensibilidad de los resultados experimentales de la recuperación de ácidos grasos de aceite de palma africana a la tasa de calentamiento en la destilación. .......................................................................... 84 4.3.2.1 Variación de las temperaturas respecto al tiempo para destilación de ácidos grasos de palma con tasa rápida de calentamiento. ........................................................................................................ 85 4.3.2.3 Resultados de ácidos grasos de palma recuperados con tasa rápida de calentamiento. .................................................................................... 86 4.4 APLICACIONES DE LAS FRACCIONES RECUPERADAS ............................ 89 4.4.1 Muestra de aplicación jabón base # 1:................................................. 89 4.

(5) 4.4.2 Muestra de aplicación jabón base # 2:................................................. 90 4.4.3 Muestra de aplicación jabón base # 3:................................................. 90 4.4.4 Muestra de aplicación jabón base # 4:................................................. 91 4.4.5 Comparación visual entre aplicaciones 3 y 4 (la mejor fracción vs la sumatoria de las fracciones recuperadas para los recuperados de Soapstock acidulado con ácido sulfúrico al 50%) ...................................... 91 4.4.6 Muestra de aplicación jabón base #5: .................................................. 92 4.4.7 Muestra de aplicación jabón base #6: .................................................. 92 4.4.8 Comparación visual entre aplicaciones 5 y 6. (La mejor fracción vs la sumatoria de las fracciones recuperadas para los recuperados de Soapstock acidulado con ácido al 10%)........................................................... 93 4.4.9 Muestra de aplicación jabón base # 7:................................................. 93 4.4.10 Muestra de aplicación jabón base # 8: .............................................. 93 4.4.11 Comparación visual entre aplicaciones 7 y 8. (las fracciones recuperadas destilados vs ácidos grasos de palma crudos sin destilar). .......................................................................................................................................... 93 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................................................... 96 5.1 COLOR DE LA FRACCIONES RECUPERADAS ............................................... 96 5.1.1 COLOR VS CONCENTRACIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO EN LA ACIDULACIÓN: ........................................................................................................... 97 5.1.2 COLOR VS TASA DE CALENTAMIENTO EN LA DESTILACIÓN: ..... 98 5.1.2.1 Color vs. tasa de calentamiento en la destilación para Soapstock de algodón acidulado al 50%...................................................... 98 5.1.2.2 Color vs. tasa de calentamiento en la destilación para ácidos grasos de palma..................................................................................................... 99 5.2 RENDIMIENTO DE LA FRACCIONES RECUPERADAS ................................ 99 5.2.1 RENDIMIENTO VS. CONCENTRACIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO EN LA ACIDULACIÓN..................................................................................................... 100 5.2.2 RENDIMIENTO VS. TASA DE CALENTAMIENTO EN LA DESTILACIÓN ............................................................................................................ 101 5.2.2.1 Rendimiento vs. Tasa de calentamiento en la destilación para Soapstock de algodón acidulado al 50% ......................................... 101 5.2.2.2 Rendimiento vs. Tasa de calentamiento en la destilación para ácidos grasos de palma .......................................................................... 103 5.3 TÍTULO (°C) DE LA FRACCIONES RECUPERADAS. ................................. 104 5.3.1 TÍTULO (°C) VS CONCENTRACIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO EN LA ACIDULACIÓN: ......................................................................................................... 104 5.3.2 TÍTULO (°C) VS TASA DE CALENTAMIENTO EN LA DESTILACIÓN: .......................................................................................................... 105 5.3.2.1 Titulo (°C) vs. Tasa de calentamiento en la destilación para Soapstock de algodón acidulado al 50%.................................................... 105 5.3.2.2 Título vs. Tasa de calentamiento en la destilación para ácidos grasos de palma..................................................................................... 106 6. ESCALAMIENTO A PLANTA PILOTO ..................................................................... 107 6.1 DIMENSIONAMIENTO DE PLANTA PILOTO ................................................ 107 6.1.1 Equipos ............................................................................................................ 108 5.

(6) 6.1.1.1 Dimensionamiento del tanque de acidulación .......................... 109 6.1.1.2 Dimensionamiento del condensador ............................................ 111 7. CONCLUSIONES .......................................................................................................... 113 8. RECOMENDACIONES .................................................................................................... 116 9.ANEXOS ........................................................................................................................... 118 ANEXO 1.MONTAJE ......................................................................................................... 118 ANEXO 2. PUNTOS DE EBULLICIÓN ÁCIDOS GRASOS..................................... 119 ANEXO 3.DATOS TEMPERATURA Vs TIEMPO EN DESTILACIÓN.................... 120 ANEXO 4. AOCS (TÍTULO)............................................................................................ 124 ANEXO 5. AOCS (color lovibond)............................................................................... 125 ANEXO 6.PROCEDIMIENTO PARA ELABORACIÓN DE UNA MUESTRA DE PASTA DE JABÓN BASE EN LABORATORIO........................................................... 126 ANEXO 7. PERFILES DE ÁCIDOS GRASOS............................................................. 127 ANEXO 8. BALANCE DE MATERIA.............................................................................. 128 ANEXO 9. EQUIPOS PILOTO EXISTENTES EN LLOREDA S.A. ........................ 129 ANEXO 10. HOJA DE CÁLCULO DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS PILOTO ................................................................................................................................................ 132 ANEXO 11. COTIZACIÓN EQUIPOS PLANTA PILOTO. ....................................... 135 10. REFERENCIAS............................................................................................................ 136. 6.

(7) RESUMEN. En el proceso de refinación cáustica de aceites crudos vegetales de soya, algodón y girasol para uso comestible, se genera un subproducto que se conoce como Soapstock. Este residuo de poco o ningún valor comercial, ha sido empleado principalmente en un bajo porcentaje como materia prima en la fabricación de jabones de lavar de bajo costo y de poca calidad debido a su coloración oscura y olor desagradable. Sin embargo, en los últimos años, la demanda de este tipo de jabones ha disminuido, al ser sustituidos por otros de mejor calidad en el mercado, los cuales requieren materias primas de mejor calidad para su fabricación tales como sebos animales y estearinas de palma, generando excedentes de Soapstock, los cuales de no encontrarse una aplicación viable para su consumo, tendrían que ser desechados como residuos líquidos, o requerir tratamientos especiales y costosos para su disposición a cuerpos de agua. Igualmente, hay un segundo subproducto de la refinación física del aceite de palma africana, llamado Ácido graso de palma crudo, el cual genera similares inconvenientes en su utilización aunque de menor gravedad que el Soapstock, dado que aún conserva cierto valor en el mercado. En este trabajo se presenta un estudio para efectuar la recuperación de los ácidos grasos presentes en los residuos de Soapstock de algodón y en los ácidos grasos de palma crudos con el fin de lograr una buena purificación de estos residuos y darles un mayor valor comercial, ampliando su posibilidad de uso reemplazando materias primas de mayor costo y calidad, planteando una solución al problema de disposición de residuos en cuerpos de agua.. 7.

(8) 1. PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO 1.1 OBJETIVOS. 1.1.1 Objetivo General. Recuperar ácidos grasos de calidad comercial a partir del Soapstock de algodón y de ácidos grasos de palma crudos, provenientes de la refinación cáustica del aceite crudo de algodón y de la refinación física del aceite crudo de palma. para uso comestible, obteniendo productos de mayor. valor en el mercado y con mayores posibilidades de uso, especialmente en la industria de jabones.. 1.1.2 Objetivos Específicos. •. Documentar y diseñar un proceso para la recuperación de ácidos grasos a partir de los residuos Soapstock y Ácidos grasos de palma crudos.. •. Mediante pruebas de laboratorio explorar el efecto de un grupo reducido de variables que pueden afectar el rendimiento y la calidad de los ácidos grasos recuperados.. • Verificar la capacidad de uso de los ácidos grasos recuperados en la fabricación de jabones de buena calidad. •. Realizar un diseño preliminar de una planta piloto, reutilizando algunos equipos existentes en la planta donde se efectuaron los ensayos de experimentación en que se basa este proyecto de grado. 8.

(9) 1.2 JUSTIFICACIÓN La semilla de algodón y el fruto de palma africana representan unas de las materias primas más usadas en el proceso de producción de aceites vegetales comestibles. Con el fin de obtener un producto de buena calidad y de condiciones óptimas para su consumo humano, los aceites crudos provenientes de la extracción de aceite de las semillas deben ser refinados, blanqueados y desodorizados. En el caso del aceite crudo de algodón, debido a su alto contenido de fosfátidos y su bajo nivel de acidez, se lleva a cabo una refinación cáustica, poniendo en contacto el aceite crudo de algodón con soda cáustica, produciendo un aceite refinado con un mínimo índice de impurezas y un producto jabonoso impuro conocido como Soapstock. El Soapstock es muy alcalino, está compuesto en su mayor parte por agua y ácidos grasos saponificados (jabón de ácidos grasos), gomas, fosfátidos, impurezas, que le dan un olor fuerte, color oscuro y baja consistencia con un título cercano a 20°C . Por esta razón, este residuo de ningún o poco valor comercial (0-50 pesos/Kg), ha venido siendo utilizado principalmente en cantidades limitadas para la fabricación de jabones de lavar de bajo precio y color oscuro. Actualmente, la demanda de este tipo de jabones ha venido decreciendo, dejando este subproducto sin un uso especifico, haciendo cada vez más necesario encontrar algún otro tipo aplicación, para evitar tener que buscar alternativas de disposición de desechos que puedan generar impactos ambientales. Los ácidos grasos de palma forman parte de otro tipo de residuo, proveniente de la refinación física del aceite crudo de palma. Este aceite, a diferencia del aceite de algodón, contiene un alto nivel de acidez y un bajo 9.

(10) nivel de fosfátidos, por ello después de un pretratamiento con ácido cítrico y un blanqueo con tierras diatomáceas activadas, se realiza una refinación física en condiciones de alta temperatura y vacío utilizando vapor directo y cámaras de flasheo. Durante la refinación física se eliminan algunas impurezas y la acidez en exceso del aceite, obteniendo un aceite refinado y desodorizado con un bajo nivel de acidez libre, óptimo para el consumo humano y como subproducto ácidos. grasos libres con impurezas. Estos. ácidos grasos libres con impurezas tienen un valor comercial entre aproximadamente 600-800 pesos/Kg aproximadamente, pero al ser recuperados pueden sustituir materias primas de buena calidad tales como sebos animales y estearinas de palma, los cuales tienen un valor de 1100-1400 pesos/Kg. En este proyecto se analizaran las variables necesarias para realizar un proceso de extracción de los ácidos grasos presentes en el Soapstock de algodón de manera económica. Se busca que los ácidos recuperados tengan características de mayor pureza, un color más claro y olor agradable, para que puedan ser utilizados en procesos industriales posteriores, como por ejemplo en la fabricación de jabones de lavar finos y de tocador, sustituyendo materias primas de mayor valor, tales como sebos de buena calidad o estearinas de palma. Igualmente, se analizarán las variables necesarias para la purificación de ácidos. grasos. crudos. de. palma. africana,. para. obtener. mejores. características cualitativas que permitan sustituir al igual que los ácidos grasos de algodón, materias primas de mayor valor comercial. Este proyecto gracias al préstamo de las instalaciones, capital humano y recursos disponibles por Lloreda S.A., ubicada en la ciudad de Cali, hizo posible llevar a cabo esta investigación para este proyecto de grado de Ingeniería Química, que permita plantear un nuevo uso de este tipo de. 10.

(11) residuos de bajo o ningún valor comercial permitiendo reemplazar materias primas de mayor calidad y costo. Además con este proyecto se le encuentra un uso a estos residuos, generando beneficios económicos para esta empresa una vez pueda ser aplicado a nivel industrial, obteniendo una potencial materia prima para la industria de jabones, con solución a su vez un problema ambiental de disposición de desechos. Este proyecto surgió del problema que representa la acumulación de estos subproductos para la empresa, ya que anualmente se producen entre 1000 a 1500 toneladas de Soapstock (entre soya, algodón y girasol) y 2000 a 2500 toneladas de ácidos grasos de palma. Por esta razón esta investigación en la cuál se estudia inicialmente la purificación del Soapstock de algodón y los ácidos grasos de palma, podría extenderse a otros subproductos como el Soapstock de girasol y soya, que presentan problemas similares a los tratados en este proyecto. Por otra parte no tenemos conocimiento que empresas colombianas refinadoras de aceites vegetales, realicen procesos similares de recuperación de ácidos grasos a partir de subproductos de la refinación, por lo cuál se espera que presenten problemas similares a los de esta empresa, haciendo que el proyecto sea aplicable a la mayor parte de estas industrias y en caso de que alguna de ellas tuviera algún proceso distinto o similar, el valor de este proyecto de grado es darle parámetros de conocimiento para una posible optimización de sus actuales procesos. Finalmente, a nivel académico es de gran interés tener un soporte bibliográfico acerca de este tema, ya que gracias a la disponibilidad de libros especializados, revistas y accesibilidad a la información por parte de la empresa con la cuál se llevó a cabo el proyecto, logramos tener información acerca de un tema en el cuál hay pocas referencias. 11.

(12) 2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 2.1 ORIGEN DE LOS SUBPRODUCTOS: PROCESOS DE REFINACIÓN DE ACEITES VEGETALES 2.1.1 Generalidades. En este proyecto de grado se estudiará la purificación para la recuperación de ácidos grasos de calidad comercial para dos tipos de residuos: Soapstock de algodón y ácidos grasos de palma, los cuales son subproductos de la refinación de aceites vegetales comestibles. El Soapstock de algodón, proviene de la refinación cáustica del aceite crudo de algodón. Este tipo de aceite con alto contenido de fosfátidos y un bajo nivel de acidez, tiene impurezas que deben ser eliminadas por refinación para poder comercializar un producto de buena calidad y de óptimas características para su consumo posterior. Los ácidos grasos de palma, el segundo subproducto a tratar, proviene de la refinación física del aceite crudo de palma. Este aceite contrario al de algodón tiene un alto nivel de acidez y un bajo contenido de fosfátidos que deben ser eliminados por procesos de refinación para obtener un producto de buena calidad y con las características necesarias para su consumo.. Con el fin de comprender y situar la procedencia de estos subproductos se explicará inicialmente donde se ubica la refinación en el proceso de producción de aceites vegetales crudos, tanto para el caso de algodón como de palma ya que durante este proceso se generan los subproductos que se trataran en el proyecto. 12.

(13) Almacenamiento de materias primas. Limpieza de las semillas oleaginosas. Molienda de las semillas oleaginosas y extracción mecánica del aceite. Torta de residuos de la molienda. Aceite crudo Con impurezas. Extracción y separación de aceites residuales. Torta Refinado del aceite. Ilustración 1. Diagrama de bloques general del proceso de extracción y refinación de aceite procedente semillas oleaginosas.. Después de extraer el aceite de las semillas oleaginosas, el aceite crudo vegetal contiene un gran porcentaje de impurezas solubles e insolubles en el aceite que deben ser eliminadas antes de su consumo. 13.

(14) Entre las impurezas insolubles y solubles presentes se encuentran:. •. insolubles: fosfolípidos, clorofila, carotenos, ceras, hierro, calcio y magnesio1.. •. solubles:. ácidos grasos, proteínas, gomas, resinas, materias. colorantes fosfatadas, hidrocarburos, cetonas, aldehídos, ácidos grasos libres y otras sustancias, que tienen un efecto desfavorable en el aroma, apariencia, sabor, color y estabilidad del aceite2. Estas impurezas varían en porcentaje dependiendo de la semilla ya sea de algodón o palma africana como se explicará posteriormente y deben ser eliminadas en los posteriores procesos para obtener un aceite refinado apto para el consumo humano. Como se dijo inicialmente se tienen dos tipos diferentes de residuos: el Soapstock de algodón que proviene de la refinación cáustica del aceite crudo de algodón y los ácidos grasos de palma que provienen de la refinación física del aceite crudo de palma africana como se muestra a continuación. Ácido fosfórico. Soda cáustica. REFINACION CAUSTICA. Aceite crudo de algodón. Soapstock. Vacío. Tierra activada. BLANQUEO. Ácido cítrico. Vacío Ácidos grasos. DESODORIZACION. ACEITE REFINADO. Tierra gastada. Ilustración 2.Detalle del proceso de refinación cáustica de Soapstock de algodón3 1. Ref [3],[1] Ref [3],[1] 3 Lloreda S.A 2. 14.

(15) Ácidos grasos libres Ácido Citrico. Vacío. Tierra activada. Vacío. CONDESADO. Palma Refinada. Palma Cruda PRETRATAMIENTO. BLANQUEO. Tierra gastada. REFINACIO. Oleina de Palma. FRACCIONAMIENTO. Estearina de Palma. Ilustración 3.Detalle del proceso de refinación física de aceite crudo de palma africana y obtención de ácidos grasos libres4.. 2.1.2 Refinación cáustica de aceite de algodón y obtención del soap stock. 2.1.2.1 Generalidades. Durante la refinación del aceite vegetal de algodón la impureza presente en mayor porcentaje es llamada “lodo” o fosfátidos (hidratables y no hidratables). Este tipo de impureza que constituye entre el 1-2% de la composición del aceite de algodón está formada por ácidos fosfatados, fosfatos, azúcares, tales como la galactosa, arabinosa y manosa, inotisol, glucosamina ,ácido hexuronico y fitofingosina, así como ácidos grasos. Sin embargo además de esta impureza se encuentran otras que en menor porcentaje influyen en la calidad del aceite: aldehídos no saturados y saturados de bajo peso molecular que influyen en el sentido del gusto en los aceites comestibles5.. 4. Lloreda S.A. 5. Ref [3].. 15.

(16) Por esta razón es necesario llevar a cabo el proceso de refinación ya que de no realizarse, este tipo de sustancias indeseables seguirían estando presentes en la composición final del aceite. La materia colorante en las grasas se compone principalmente de pigmentos de carotenoides a los cuales se les debe la coloración amarilla y anaranjada. En el caso del aceite de soya también se tienen pigmentos derivados de la clorofila. Como se mencionó anteriormente, algunos aldehídos de bajo peso molecular, afectan el sabor de los aceites comestibles, pero aparte de estos. otro. tipo. de. sustancias. pueden. también. tener. un. efecto. desagradable en el sabor de los aceites como lo son algunos hidrocarburos no saturados, particularmente los compuestos de terpenos y cetonas; triglicéridos que conforman los componentes mas volátiles generadores de mal sabor los cuales se deben eliminar por desodorización6. Otro de los componentes de los aceites crudos son los ácidos grasos libres, que son resultado de la acción de las enzimas lipolíticas en los glicéridos durante el almacenaje y tratamiento de los materiales que contiene el aceite. Sin embargo los glicéridos no son impurezas extrañas, ya que forman parte de la molécula de glicéridos y las grasas pueden alojar alrededor de 0.3 % o más de ácidos grasos libres sin que el olor y el sabor sea notablemente afectado, a menos que los ácidos grasos libres sean de bajo peso molecular, como el miristico laurico y ácidos de menor peso molecular. Entre los ácidos grasos presentes en los aceites se encuentran: los saturados y los insaturados. Los primeros, de menor peso molecular, están presentes en una cantidad del 15% y no tienen una gran influencia detectable en el sabor. Los insaturados que en su estado puro tienen poco o ningún sabor, pueden llegar a. 6. afectar el producto. debido a una. Ref [3].. 16.

(17) oxidación que aun en grado menor producen un sabor desagradable a sustancias tales como los aldehídos. Otro factor importante que puede afectar el producto es la alta acidez presente en las grasas crudas. Esta puede deberse a uso de materias primas de baja calidad almacenadas impropiamente, por un periodo largo de tiempo o procesamientos inadecuados. Estas fallas pueden producir grasas causantes de la acidez libre en los aceites y otras sustancias extrañas. La acidez libre en los aceites devalúa el producto final y se calcula generalmente como porcentaje de ácido oleico excepto en el aceite de palma, donde se calcula como porcentaje del ácido laurico. Debido a esto, es importante la eliminación o neutralización de los ácidos grasos libres, que se realiza con soda cáustica ya que es el método más efectivo de purificar los aceites crudos debido a que el jabón formado por la neutralización elimina una gran cantidad de otras impurezas7.. 2.1.2.2 Pretratamiento “desgomado”. 2.1.2.2.1 Eliminación de fosfátidos hidratables. El aceite crudo de algodón crudo recién extraído de la semilla tiene entre 2 a 2.5 % de fosfátidos. Por esta razón y para facilitar el proceso posterior de refinamiento, se realiza una hidratación en una proporción de 1 a 1 más un ligero exceso del aceite crudo, en un mezclador dinámico o estático, para que haya un contacto íntimo y se separen los fosfátidos hidratables. del. aceite. desgomado.. Posteriormente. los. fosfátidos. hidratados se separan por diferencia de densidad por medio de una. 7. Ref [3].. 17.

(18) centrífuga.. Esta. eliminación. de. fosfátidos. hidratables. tiene. como. subproducto la lecitina la cuál tiene un valor comercial8. 2.1.2.2.2 Eliminación de fosfátidos no hidratables El aceite crudo desgomado después de la hidratación contiene entre 0.2 % - 0.4% de de fosfátidos no hidratables en su mayoría, por lo cual antes de la refinación con soda cáustica se le hace un pretratamiento con un ácido débil: ácido fosfórico o ácido cítrico con el fin de facilitar su separación. En este procedimiento se utiliza ácido fosfórico de 50 a 85 % de concentración para desgomar el aceite crudo, logrando eliminar los fosfátidos y mucílagos presentes en el aceite de algodón. Esta reacción de los fosfátidos con el ácido débil produce compuestos polares que permiten su separación. Luego de separar las fases, los fosfátidos y el mucílago se desechan y a la fase restante se le agrega amoniaco para neutralizar cualquier cantidad de ácido fosfórico libre presente, lo cual permite que se precipite cualquier mucílago residual9. 2.1.2.3 Eliminación de las impurezas solubles en las grasas: Proceso de Refinación Cáustica. Es la primera etapa en el proceso de refinación del Aceite de algodón debido a su alto contenido de fosfátidos y bajo contenido de acidez. En el proceso de neutralización, se eliminan los ácidos grasos libres de aceites, grasas crudas, fosfátidos, coloración e iones metálicos. Este proceso se realiza generalmente con soda cáustica debido a su eficiencia y bajo costo comercial. Este proceso de refinación se hace con soda cáustica en exceso de 10 – 30%. La soda cáustica tiene el efecto combinado de purificar, desgomar, neutralizar y decolorar parcialmente los aceites crudos, y reacciona con los ácidos grasos libres donde el aceite con acidez libre alta (1%), sale refinado con una acidez no mayor de 0.05%. Esta 8 9. Ref [2]. Ref [2].. 18.

(19) reacción forma jabones sódicos, lo cual ayuda a eliminar impurezas y parte de la coloración indeseada, pero estos jabones tienen tendencia a formar emulsiones en las que una parte de la grasa neutralizada se dispersa formando productos menos valiosos (Soapstock)10. En algunos casos el álcali puede atacar una pequeña parte de la grasa neutra y si se usa en exceso puede causar la formación de grandes cantidades de jabón, mayores a las justificadas por el contenido de ácidos grasos libres. Estas fuentes de pérdidas, la emulsificación y sobre saponificación deben mantenerse en el mínimo posible sin interferir con la obtención de un producto de buena calidad. En este proceso se busca en lo posible que las impurezas en su forma original o derivada se encuentren en solución en la fase acuosa, pero cuando esto no es posible cualquier impureza insoluble en fase acuosa deberá estar suspendida en ella o ser absorbida en la materia insoluble en esa fase. Posteriormente se separan en una centrifuga donde la fase mas liviana es el aceite refinado y la fase pesada es el Soapstock (jabón con ácidos grasos, gomas, fosfátidos, impurezas, olor fuerte, color oscuro y muy alcalino). Este residuo solo sirve para utilizarse en jabones de lavar de bajo precio y de color oscuro. Por eso en este proyecto se analizaran las variables necesarias para realizar un proceso para extraer los ácidos grasos presentes en el soap stock de manera económica y con características de mayor pureza de mejor color y olor para que puedan ser utilizados en procesos industriales posteriores como por ejemplo en la fabricación de jabones de lavar finos y de tocador sustituyendo materias primas de mayor valor como sebos de buena calidad o estearinas de palma.. 10. Ref [3].. 19.

(20) Proceso de Refinación Cáustica Separador Centrifugo. Aceite Ref. Caustico. Mezclador Vapor. Calentador Calentador. Aceite crudo Acido Fosfórico. Soda Cáustica Soap Stock. Agua Caliente. Aguas Residuales. Ilustración 4.Proceso de refinación cáustica de aceite de algodón11.. 2.1.2.4 El Soapstock. El Soapstock es un subproducto proveniente de la refinación cáustica del aceite de algodón, soya o girasol. En este proceso se obtiene el aceite refinado y una fase jabonosa que posteriormente se separan en una centrifuga donde la fase más liviana es el aceite refinado y la fase pesada es el soap stock (jabón con ácidos grasos, gomas, fosfátidos, impurezas, olor fuerte, color oscuro y muy alcalino)12. La formación de estos jabones puede ser explicada por la siguiente reacción13:. 11. Lloreda S.A Ref [8]. 13 Ref [17], [18]. 12. 20.

(21) O ⎮⎮ R -C-O-H. + NaOH Æ. O ⎮⎮ R -C-O-Na + H2O. Ácido Graso + Soda Cáustica. Æ. Jabón + Agua. Esta reacción forma jabones sódicos, lo cual ayuda a eliminar impurezas y parte de la coloración indeseada en el aceite vegetal. Por lo tanto estos jabones tienen tendencia a formar emulsiones en las que una parte de la grasa neutralizada se dispersa formando productos menos valiosos (Soapstock)14. Sin embargo este método de neutralización forma aceites que poseen gomas y emulsiones que contienen con tenacidad la grasa neutra. Igualmente se producen simultáneamente álcalis cáusticos y jabón lo cual produce perdidas indeseables por saponificación de los glicéridos neutros. Con este método se obtienen ciertas impurezas en el jabón que se produce de la neutralización lo cual reduce la calidad del aceite ácido que se obtiene de él. El Soapstock de algodón se compone principalmente por agua (45.6%), aceite neutro (18.7%). jabón sódico (24%) y gomas (11.3%). Además de materia grasa el Soapstock posee fosfátidos, aldehídos, cetonas y otros residuos que le dan la coloración oscura y un olor desagradable15.. Si las jabonaduras se derivan de aceites y grasas por pretratamientos previos a la neutralización alcalina, pueden ser usados frecuentemente como materias primas en la manufactura de jabón siempre que contenga mas de 30 % de materia grasa total y que su transporte sea económico.. 14 15. Ref [3] Lloreda S.A. 21.

(22) Su uso en el proceso de manufactura de jabón permite ahorrar parte de la solución álcali necesaria en esta manufactura. Si las jabonaduras se derivan de procesos en los que la purificación de la grasa es parte del proceso de la neutralización, solamente pueden ser usados en jabones corrientes, sin embargo en muchos casos la jabonadura puede ser tratada con ácido mineral, sulfúrico o clorhídrico para recuperar y concentrar la materia grasa, compuesta por una mezcla de ácidos grasos liberados del jabón y aceite neutro de la emulsión con jabón. Esta mezcla es a menudo llamada aceite ácido y generalmente contiene más del 97% de materia grasa. El aceite ácido se puede manejar más prácticamente que la jabonadura y como usualmente contiene menos del 1% de agua los cargos por trasporte se reducen en cuanto a material inútil16. En el curso de su producción el aceite ácido puede purificarse constituyendo entonces un buen material para la manufactura de jabón o puede hidrolizarse completamente y luego hacer una purificación de los ácidos grasos por destilación. Se ha encontrado que mediante lavados de la jabonadura con 5 y 10% y retirando los residuos de lejía y agua que se forman, se elimina una gran cantidad de impurezas. De este último el desdoblamiento de la jabonadura se hace mediante la adición de ácidos minerales en cantidades tales que la mezcla tenga una pequeña reacción ácida (para esto se usa ácido sulfúrico concentrado).. 2.1.3 Refinación física de aceite crudo de palma africana y obtención de ácidos grasos de palma crudos. En el caso del aceite de palma el contenido de materia mucilaginosa es bajo ya que el aceite crudo tiene un bajo nivel de fosfátidos y un alto nivel de acidez lo cual hace que los procesos de desgomado y de refinación. 16. Ref [3]. 22.

(23) cáustica sean innecesarios y poco económicos. Sin embargo esta pequeña cantidad de materia mucilaginosa debe ser eliminada y preparada por medio de un pretratamiento para ser retirado en el refinamiento físico con ácido cítrico o fosfórico como se explicará posteriormente. Por otra parte el alto nivel de acidez. debe ser retirado para el consumo humano del. aceite, por lo cuál a través de un proceso de. refinación física a alta. temperatura (240-260°C) y alto vacío (2 mm de Hg Presión absoluta) con arrastre de vapor se eliminan los ácidos grasos libres como se explicará posteriormente17.. 2.1.3.1 Pretratamiento con ácido fosfórico o cítrico. El pretratamiento con ácido cítrico seguido de un blanqueo con tierras diatomáceas activadas, son procesos necesarios para eliminar fosfátidos, sustancias que producen color, y metales permitiendo su inhabilitación para evitar que ocurra oxidación del aceite y se pueda revertir el sabor. 2.1.3.2. Eliminación. de. acidez. libre. e. impurezas. solubles:. Refinación física La eliminación de la acidez libre se realiza después de un Pretratamiento ácido,. y. posterior. destilación. a. altas. temperaturas. (240-260°C),. condiciones de alto vacío (2 mm de Hg de presión absoluta) y cámaras de flasheo. Durante este proceso se eliminan sustancias que Producen Color, productos de oxidación primaria, sustancias que producen olor y ácidos Grasos Libres.. 17. Ref [3], Lloreda S.A. 23.

(24) PROCESO DE REFINACION FISICA Aceite Pretratado. Vacío Acidos Grasos. Vacío Vacío. Aceite Térmico. Vacío Acidos Grasos. Aceite Térmico. Acido CítricoAntioxidante Agua de Enfriamiento. Agua de Enfriamiento Aceite RBD. Ilustración 5.Proceso de refinación física de aceite de palma africana18.. 2.1.3.3 Ácidos grasos de aceite crudo de palma africana. Los ácidos grasos de palma, Debido al proceso de refinación física de donde provienen, contienen un cierto nivel de impurezas arrastradas durante la refinación que le dan una coloración indeseada anaranjada (carotenoides en su mayoría) entre otro número de impurezas (aldehídos, cetonas, etc). Estas impurezas que le dan un color oscuro y olor indeseable deben ser eliminados para su posible uso en la fabricación de jabones de buena calidad como se propone en este proyecto, y así reemplazar materias primas de mayor calidad como los sebos animales y las estearinas de palma.. 18. Lloreda S.A. 24.

(25) 2.2 PROCESOS PARA LA RECUPERACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS PROCEDENTES DE RESIDUOS DE REFINACIÓN 2.2.1 Generalidades. Para obtener productos aptos para la fabricación de jabones de buena calidad y de tocador, los residuos deben ser sometidos a un proceso de purificación, en el cuál se eliminen el olor,la coloración oscura y la baja consistencia que limitan el uso de este tipo de residuos. La purificación de los residuos mencionados en este proyecto consiste en recuperar los ácidos grasos presentes en los subproductos por lo cuál se debe capturar la mayor cantidad de materia grasa en forma de ácidos grasos para posteriormente poder eliminar impurezas volátiles (aldehídos y cetonas) y las no volátiles (en su mayoría fosfátidos) por medio de una destilación al vacío (25” de Hg). Sin embargo, debido a la diferente procedencia de los residuos tratados, el estado en cuanto a composición de los subproductos difiere: •. El Soapstock procedente de la refinación cáustica del aceite de algodón tiene una composición jabonosa, alcalina con impurezas que retiene tenazmente la grasa neutra.. •. Los ácidos grasos de palma crudos, como su nombre lo indica, son ácidos grasos con impurezas provenientes de la refinación física del aceite de palma.. Debido a esta razón el Soapstock debe ser pretratado para poder obtener la mayor parte de materia grasa para luego ser desdoblada en ácidos grasos y así poder recuperarlos por medio de una destilación al vacío purificando el producto final19. Por el contrario los ácidos grasos de palma crudos, al encontrarse en la forma de ácidos grasos, no requieren de pretratamientos por lo cuál se puede proceder directamente a la 19. Ref [18],[11],[21].. 25.

(26) destilación al vacío dónde se separan los ácidos grasos de las impurezas más volátiles y las no volátiles para obtener un producto de optima calidad.. 2.2.2 Purificación y recuperación de ácidos grasos a partir del Soapstock de algodón. 2.2.2.1 Saponificación y concentración. Debido. a su. composición. química,. el. Soapstock. tiende. a formar. emulsiones que retienen tenazmente la grasa neutra. Por esta razón y con el fin de aprovechar la mayor parte de la materia grasa presente en este subproducto, la saponificación permite convertir el aceite neutro disuelto en el Soapstock en materia grasa apta para ser acidulada, aumentando la producción de ácidos grasos durante el proceso de desdoblamiento20. Estas grasas neutras representan cantidades entre 10-30 % del Soapstock que de no ser saponificadas disminuiría el rendimiento en la recuperación de los ácidos grasos dejando la materia grasa en el residuo de cola de destilado. Durante la saponificación el Soapstock es mezclado íntimamente con una solución alcalina, en la cuál se elimina el glicerol y se forman jabones sódicos. que. permiten. recuperar. los. ácidos. grasos. por. medio. de. acidulación21. Este proceso se lleva a cabo con soda cáustica, con una temperatura de reacción de 85-90°C durante una hora para mantener una velocidad de reacción optima y asegurar que la reacción se ha llevado a cabo. Así mismo a manera de parámetro cualitativo el aumento en la densidad de la 20 21. Ref [18]. Ref [18]. 26.

(27) solución tanto como el oscurecimiento de la misma al igual que la obtención de una consistencia fluida indica la saponificación completa de la materia grasa presente en el Soapstock y así garantizar las condiciones necesarias para acidular la muestra y obtener un mayor porcentaje en el rendimiento de recuperación de ácidos grasos. Una vez saponificada la grasa neutra es necesario concentrar el Soapstock saponificado ya que de esta forma se emplea una cantidad menor de ácido sulfúrico en el proceso de acidulación. Para lograr la concentración del Soapstock saponificado se agrega salmuera (cloruro de sodio) en múltiples lavados para romper la emulsión y retirar la soda en exceso. El rompimiento de ésta produce dos fases: una aceitosa de consistencia grumosa y otra acuosa que arrastra impurezas y parte de la coloración indeseada. Posteriormente el agua es retirada obteniendo así un producto concentrado y listo para acidular. 2.2.2.2 Acidulación y desdoblamiento de ácidos grasos. Después de realizar la saponificación y concentración del Soapstock de algodón, se debe llevar a cabo el proceso de acidulación ya que por medio de este proceso se obtienen los ácidos grasos desdoblados a partir de la siguiente reacción22:. R1-CO2Na 2- R2-CO2Na R3-CO2Na. 22. R1-CO2H + 2H2SO4. 2- R2-CO2H. +. 3Na2SO4. R3-CO2H. Lloreda S.A. 27.

(28) Durante esta reacción el ácido sulfúrico reemplaza el Ion sodio en la cadena por un ión hidrógeno permitiendo recuperar los ácidos grasos libres presentes en el Soapstock saponificado y concentrado. Con el fin de asegurar el desdoblamiento total de ácidos grasos se debe llevar la acidulación hasta un PH muy bajo según la literatura, que se encuentra alrededor de 2 a una temperatura aproximada de 90°C, evitando que queden jabones remanentes después de este proceso que interfieran en el proceso de separación durante la destilación que se llevará a cabo posteriormente23. Una vez se alcance el PH necesario para obtener los ácidos grasos libres se observa la formación de dos fases: agua ácida y fase orgánica compuesta por ácidos grasos libres en su mayoría. Estas dos fases deben ser separadas para facilitar el proceso de destilación posterior por lo cuál se deja decantar y luego con el fin de agilizar el proceso de separación se deben realizar lavados con agua para quitar el ácido sulfúrico remanente en el Soapstock acidulado y otras partículas no grasas que le dan coloración.. 2.2.2.2.1 Acidulación industrial. La acidulación del Soapstock se puede llevar a cabo industrialmente ya sea realizando un proceso por lotes o continuo.. 2.2.2.2.1.1 Procesos por Lotes. El proceso de acidulación por lotes se lleva a cabo en reactores, dónde se adiciona ácido sulfúrico y agua a una temperatura cercana a los 100 °C al 23. Ref [17],[18].[21],[28]. 28.

(29) Soapstock con el fin que el calor adicionado permita que se lleve a cabo la reacción de desdoblamiento de ácidos grasos. Para alcanzar el calor necesario para esta reacción también se utiliza vapor directo para homogeneizar la mezcla. Una vez se haya realizado la reacción se separan las fases por decantación. En la separación de las dos fases se forma usualmente una fase intermedia entre el agua ácida y el aceite ácido conformada por material no separable y aceite emulsificado. Esta fase intermedia está compuesta en su mayoría por fosfolípidos y fosfátidos derivados de los triglicéridos caracterizados principalmente por ser insolubles en agua y en la fase grasa. Esta fase intermedia no es separable por adición excesiva de calor sin embargo se puede minimizar realizando una saponificación preliminar del Soapstock lo cuál facilitaría el proceso de separación.. 2.2.2.2.1.2 Procesos Continuos. En el proceso continuo para llevar a cabo la acidulación del Soapstock, el residuo es llevado desde la planta de refinación de aceites vegetales a un tanque. de. almacenamiento,. en. el. cuál. por. medio. de. vapor. se. homogeneiza y regula la temperatura hasta alcanzar 90-92 °C. Posteriormente el Soapstock es disuelto y preacidificado con agua ácida recirculada hasta alcanzar un contenido de materia grasa entre 10-15%. Luego se lleva a un tanque de mezclado dónde se realiza la acidulación con ácido sulfúrico disuelto en agua recirculado hasta alcanzar el pH necesario para el desdoblamiento de los ácidos grasos, por lo que estas corrientes deben ser bien controladas. La dilución del ácido sulfúrico es de suma importancia para evitar que el material se “queme” obteniendo un producto final de ácidos grasos de inferior calidad.. 29.

(30) Posteriormente la mezcla acidulada se lleva a un tanque de separación dónde como su nombre lo indica se separan las fases: agua ácida y ácidos grasos por medio de decantación. La fase grasa compuesta principalmente por ácidos grasos puede ser lavada. con. aproximadamente. 10%. de. agua. fresca. y. separado. posteriormente con el fin de obtener un mayor índice de pureza en el producto final24.. 2.2.2.2.2 Tipos de separación. La separación posterior al proceso de acidulación para el desdoblamiento de ácidos grasos se ha llevado a cabo a nivel industrial ya sea en lotes o continuamente. Durante los procesos se debe garantizar la separación de las dos fases: el agua ácida y los ácidos grasos. Según la literatura los métodos más usados para esta separación son: •. decantación en procesos por lotes. •. centrifugación en procesos continuos. •. flotación de aire asistida por floculación polielectrolítica posterior a la decantación en procesos continuos o en lotes.. La decantación es el método de separación más usado en estos casos ya que tiene la capacidad de producir agua con una cantidad inferior a 150 ppm de material graso lo cuál es exigido por las normativas de disposición de aguas residuales. Sin embargo este método requiere de varias horas para obtener una buena separación requiriendo equipos de alto costo de inversión y mantenimiento.. 24. Ref [4].. 30.

(31) La centrifugación es un método más rápido pero de menor eficiencia por lo cuál se tienen pérdidas de materia grasa teniendo remanentes de materia grasa de 300 a 7400 ppm en el agua ácida25. Por otra parte los equipos para realizar esta operación tienen costos elevados y se podrían presentar problemas de operación debido al alto potencial corrosivo del Soapstock acidulado. La flotación de aire asistida por electrolitos posterior a un proceso de decantación es un método que tiene un bajo nivel de repetibilidad en cuanto a la obtención de 150 ppm de remanentes grasos en el agua ácida, además se requiere una neutralización adicional del agua ácida al igual que la utilización de filtros, lo cuál aumenta los costos operacionales, de mantenimiento y de inversión.. 2.2.2.2.3 Tecnologías. Diferentes fuentes bibliográficas tratan sobre el tratamiento del Soapstock de algodón en la industria oleoquímica debido a los problemas que ocasiona este tipo de residuo. Durante varias décadas se utilizaron métodos que incluían 3 o 4 destilaciones sucesivas para su purificación pero aún así se obtenía una coloración amarillenta indeseada en los ácidos grasos recuperados. En 1936 Sheeli estableció que un calentamiento bajo una atmósfera hidrogenada previo a la destilación podría mejorar la coloración de los ácidos grasos recuperados obtenidos26. En 1949 Procter & Gamble a través de una patente indicó que un pretratamiento oxidativo con persulfato de sodio o potasio durante la 25 26. Ref [23] Ref [ 24]. 31.

(32) saponificación podía mejorar la coloración de los ácidos grasos debido a la disminución de gosipol pero esta a su vez afecta la estabilidad de los ácidos grasos obtenidos al final del proceso de purificación27. Una investigación hecha en la india sugirió un pretratamiento con ácido bórico previo a la destilación para mejorar la coloración de los ácidos grasos obtenidos de la recuperación28. En Rusia se afirmó que la utilización de Ca(OH)2 para formar un precipitado de sales de calcio seguido de una acidulación con ácido sulfúrico puede remover gran parte de la coloración oscura de los ácidos grasos recuperados29.. 2.2.2.3 Destilación de los ácidos grasos. Después de realizar el desdoblamiento de los ácidos grasos contenidos en el Soapstock de algodón se debe llevar a cabo la recuperación de los ácidos grasos por medio de una purificación por destilación. Este proceso permite separar los ácidos grasos de compuestos no volátiles que son los que le confieren la coloración oscura al producto, al igual que compuestos muy volátiles como los aldehídos y cetonas que se extraen por vacío eliminando así el olor indeseado del producto30. La destilación de ácidos grasos se lleva a cabo bajo presión de vacío (25” de Hg) con el fin de emplear menores temperaturas de calentamiento ayudado usualmente por un arrastre de vapor para agilizar el proceso a temperaturas comprendidas entre 205 y 235 °C. Esta separación de los ácidos grasos se basa en los diferentes puntos de ebullición de los compuestos presentes en la mezcla que generalmente se 27. Ref [25] Ref [26] 29 Ref [27]. 30 Ref [21],[17]. 28. 32.

(33) correlacionan con el número de carbonos de la cadena de cada compuesto y con el numero de insaturaciones, por lo cuál la destilación de ácidos grasos permite la recuperación de fracciones con similar peso molecular y por lo tanto con características similares a nivel de coloración. Los ácidos grasos calentados a altas temperaturas son de carácter corrosivo por lo cuál es necesario que los equipos empleados sean de acero inoxidable, preferiblemente AISI 316 que soporta las condiciones requeridas por el proceso y tiene más bajo costo que otros aceros inoxidables. 2.2.2.3.1 Equipos utilizados. El equipo más utilizado para llevar a cabo el proceso de destilación de ácidos grasos consiste en una caldera calentada a fuego directo equipado con una corriente de vapor sobrecalentado y una bomba de vacío. Generalmente se usan procesos continuos con el fin de obtener rendimientos mayores (10% más que en lotes) en cuanto a la obtención del producto debido a la disminución por polimerización ( formación de alquitrán). Otro equipo utilizado es el sugerido por Wecker, en el cuál se realiza una vaporización de los ácidos grasos en una cámara en forma de bandeja, cerrada, plana, y rectangular con compartimientos interiores que calientan la mezcla por medio de mecheros de gas (vapor húmedo). La carga es calentada previamente con vapor por un intercambiador de calor para luego ser desplazada hacia los distinto compartimientos del equipo dispuestos en serie. A partir de este método se obtienen los ácidos grasos recuperados sin embargo no es posible hacer una separación fraccionada debido a limitantes del equipo.. 33.

(34) Otras industrias oleoquímicas han utilizado torres de destilación. con. platos y campanas de retención calentando la carga y el vapor de borboteado por medio de vapor Dowtherm o aceite térmico permitiendo la recuperación por fracciones y una ventaja en la condensación del producto final evitando sobrecalentamiento que induzca la polimerización de la mezcla.. 2.2.3 Purificación y recuperación de ácidos grasos a partir de ácidos grasos crudos de palma africana.. 2.2.3.1 Destilación de los ácidos grasos. Los ácidos grasos crudos de palma africana es otro tipo de residuo diferente al Soapstock tratado en este proyecto. Este residuo proviene de la refinación física del aceite de palma africana al cuál por medio de este proceso se le retira la acidez libre (ácidos grasos de palma). Este residuo debido a su estado: “ácidos grasos”, no requiere el pretratamiento mencionado anteriormente en el caso del Soapstock, sin embargo las impurezas presentes en los ácidos grasos provenientes de la refinación. física. deben. ser. eliminados. por. medio. una. destilación. fraccionada que permita recuperar los ácidos grasos libres de impurezas que le confieren olor desagradable y una coloración oscura indeseada. La destilación de los ácidos grasos de palma se comporta de manera similar que la destilación de los ácidos grasos de Soapstock de algodón en cuanto a que la separación se basa en los diferentes puntos de ebullición de los ácidos grasos que componen la carga y que estos a su vez se correlacionan. con. las. diferencias. en. peso. molecular. y. con. las. instauraciones presentes (dobles enlaces). 34.

(35) Sin embargo este tipo de residuo no presenta los mismos problemas en la cola de destilado que los mencionados anteriormente debido a la baja presencia de fosfátidos y materia mucilaginosa en la carga inicial.. 3. METODOLOGÍA El estudio del efecto de las variables del proceso de recuperación de ácidos grasos se llevará a cabo a través de una experimentación a nivel de laboratorio. Para el Soapstock, se tomaron dos niveles de ácido sulfúrico durante la etapa de pretratamiento para la obtención de ácidos grasos a partir de este residuo, debido al alto contenido de fosfátidos. Posteriormente, se destilaron ambos tipos de residuo (ácidos grasos de Soapstock de algodón y ácidos grasos de palma crudos) por separado, teniendo “los ácidos grasos” desdoblados para dos niveles en la tasa de calentamiento de la destilación. Las variables y niveles propuestos para estudiar se resumen en la tabla 2: Variable manipulada Concentración. de. Niveles. Requerimientos. ácido 2 niveles: 10% y 50 %. sulfúrico en la acidulación del Soapstock Tasa. de. durante. calentamiento 2 niveles. Sugeridos: Vacío la. destilación bajo y alto. de. mín.. de. mín.. 25”Hg. (Soapstock y palma) Variable de respuesta Recuperación fracciones diferentes. de. de 3 o 4 fracciones para Vacío calidades diferentes. rangos. de 25”Hg. temperatura según el residuo inicial.. Tabla 1.Variables y niveles a estudiar. 35.

(36) Este diseño proporciona un número de 8 experimentos. Se propone realizar pruebas por duplicado, para determinar la repetibilidad de los resultados. Las variables de respuesta sugerida, como propiedades de la mezcla de ácidos grasos recuperados son: •. el color. •. el olor. •. el rendimiento del proceso. •. consistencia del producto recuperado. •. color de jabón producido con soap stock inicial vs. con producto recuperado.. Las propiedades serán determinadas a través de ensayos analíticos, entre los cuales se incluyen: -. análisis cromatográfico (perfil de ácidos grasos). -. color Lovibond (medición de color en la muestra). -. título (°C) (consistencia o punto de solidificación). -. para el residuo de destilación se propuso un análisis de insolubles en hexano que indica la presencia de materia grasa y formación de cenizas.. 3.1 EXPERIMENTACIÓN. 3.1.1 Introducción. A partir de los dos tipos de residuos (Soapstock de algodón y ácidos grasos de palma crudos) se realizaron 10 ensayos a partir de Soapstock de algodón y 5 de ácidos grasos de palma a nivel de laboratorio para la 36.

(37) recuperación de ácidos grasos con el fin de determinar la influencia de un grupo de variables en la calidad del los ácidos grasos recuperados obtenidos como producto. De estos ensayos 7 fueron pruebas preliminares y 8 fueron ensayos efectivos, los cuales se muestran en este proyecto. Las pruebas preliminares fueron rechazadas debido a posibles fugas en el sistema. de. vacío,. utilización. de. ácido. sulfúrico. a. muy. altas. concentraciones, condiciones de tasa de calentamiento no controlada o recuperación total de las fracciones recuperadas. Las variables tratadas en este proyecto son la concentración de ácido sulfúrico en la acidulación y la tasa de calentamiento en el caso del Soapstock de algodón. En el caso de los ácidos grasos de palma solo la tasa de calentamiento en la destilación debido a que la materia prima son ácidos grasos impuros y no requieren de un pretratamiento. Para la recuperación de ácidos grasos a partir del Soapstock se tomaron muestras. iniciales. de. 135. gramos. de. Soapstock. saponificado. y. concentrado y se realizó la acidulación para dos niveles diferentes de concentración de ácido sulfúrico 10 y 50% para el desdoblamiento de ácidos grasos y una tasa de calentamiento lenta en la destilación. Estos ensayos se realizaron por duplicado para cada nivel, con el fin de comprobar. la. concentración. repetibilidad del. ácido. del. experimento. sulfúrico. en. el. y. la. producto. influencia final. de. la. obtenido.. Posteriormente se realizó un ensayo a una concentración de ácido sulfúrico del 50% para la acidulación (desdoblamiento de ácidos grasos) y una tasa de calentamiento rápida en la destilación con el fin de observar la influencia de esta variable en la calidad de los ácidos grasos obtenidos.. 37.

(38) Para la recuperación de ácidos grasos a partir de ácidos grasos de palma, se tomaron muestras iniciales de 135 gramos y se realizó una destilación con una tasa de calentamiento lenta por con el fin de comprobar la repetibilidad del experimento. Posteriormente se realizó un ensayo a una tasa de calentamiento rápida en la destilación, con el fin de observar la influencia de esta variable en la calidad de los ácidos grasos obtenidos.. 3.1.2 Metodología: recuperación de ácidos grasos a partir de Soapstock. Para la recuperación de ácidos grasos a partir de Soapstock de algodón se siguió el procedimiento mostrado en la ilustración #6, el cuál resume el procedimiento escogido de acuerdo a los procesos comentados en la literatura. Este método fue escogido reuniendo diferentes procesos encontrados en la literatura, con el fin de aprovechar la mayor cantidad de materia grasa presente en el residuo, utilizando operaciones de bajo costo con respecto a otros procesos que requieren reactivos o catalizadores de alto costo, para obtener buenos resultados en la coloración final del producto. Ácidos grasos. SAL Y NAOH. AGUA Jabón de ácidos grasos. SAPONIFICACIÓN. Soapstock crudo. AGUA H2SO4. CONCENTRACIÓN. Ácidos grasos Desdoblados. DESDOBLAMIENTO DE ACIDOS GRASOS. DESTILADOR AL VACÍO. Lejía + Agua Lejía. Agua ácida PH: 1.5 -2. AGUA ACIDA PH: 4-5. Residuos no volátiles. Ilustración 6.Proceso de recuperación de Soapstock de algodón31. 31. Ref [18],[11],[21],[1].. 38.

(39) Antes de recuperar los ácidos grasos por medio de una destilación fraccionada, se realizó un pretratamiento con el fin de concentrar el mayor porcentaje. de. pretratamiento. materia que. grasa. consiste. en. presente la. en. el. saponificación,. Soapstock.. Este. concentración. y. acidulación del residuo se hizo para 4000 g de Soapstock proveniente de la refinación cáustica de aceites vegetales. Las cantidades exactas de los insumos utilizados en este proceso tanto para el Soapstock acidulado con ácido sulfúrico al 50% como para el acidulado al 10% de concentración se encuentran en el balance de materia anexo32.. 3.1.3 Metodología: recuperación de ácidos grasos a partir de ácidos grasos crudos de palma africana.. Para la recuperación de ácidos grasos de palma, se tomaron 1000 g de ácidos grasos de palma crudos provenientes de la refinación física del aceite vegetal de palma africana. Este residuo no requiere de ningún pretratamiento previo a la recuperación por destilación. debido a su. procedencia y a su estado de “ácidos grasos”. Debido a esta razón se procedió directamente a realizar la destilación del residuo, por lo cuál se tomaron alícuotas de 135 g para realizar este proceso.. 32. Ver anexo [7]. 39.

(40) 3.1.4 Sensibilidad a la tasa de calentamiento Para efectos del proyecto también se quiso investigar la influencia de la tasa de calentamiento en la calidad de los productos obtenidos en las fracciones recuperadas. •. Se tomaron 135 g de Soapstock acidulado con ácido sulfúrico al 50 %. •. Se tomaron 135 g de ácidos grasos de palma crudos. Este proceso se llevó a cabo por duplicado para los dos residuos, a una tasa de calentamiento. rápida. Posteriormente se comparó con una. destilación con tasa de calentamiento lenta con el objetivo de ver la variación en la calidad de los productos obtenidos debido a esta variable. Los productos obtenidos de las fracciones recuperadas de la destilación lenta y rápida también fueron sometidos a análisis de color y título para determinar su calidad.. 40.

(41) 3.2. EQUIPOS. DE. LABORATORIO. PROPUESTO. Y. UTILIZADO PARA LA SIMULACIÓN DE LOS PROCESOS DE RECUPERACIÓN. AGUA CONDENSADOR VALVULA BOMBA DE. AGUA. VACÍO. BALÓN DE DESTILACIÓN. ESTUFA CALENTAMIENTO. RECIPIENTE PARA FRACCIONES. 3.2.1 Equipos para ensayos 3.2.1.1 Equipos utilizados en la Destilación: •. Balón destilación con desprendimiento lateral 1000 cc PYREX. •. Condensador con bomba recirculación de agua atemperada 70 – 80ºC. •. Válvula para romper vacío. •. Bomba de vació para aprox. 25’’ Hg marca WELCH 1405. •. Recipientes complementarios PYREX para recoger las fracciones 41.

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