Universidad Simón Bolívar Departamento de Procesos y Sistemas Ingeniería de Procesos (PS-3213) Prof. Narciso Pérez Sección 1
Síntesis de Procesos: Elaboración de un Perfume a base de Aceite Esencial de Conchas de Naranja
Cordero Gerson Carnet # 07-40782 Gutiérrez Mariana Carnet # 07-41281 Nunes Mariana Mariana Carnet # 07-41731
Sartenejas, Marzo de 2011
Introducción
El perf perfum umee es una una mezc mezcla la que que cont contie iene ne sust sustan anci cias as arom aromát átic icas as,, está está cons consti titu tuid ido o princ principa ipalme lmente nte por una mezcla mezcla de aceite aceitess esenci esenciale aless ya sean sean natura naturales les o sintét sintético icos, s, disolventes disolventes y un fijador fijador utilizado utilizado para proporcionar proporcionar un agradable agradable y duradero aroma en el cuerpo de las personas. Al aplicarse el perfume sobre la piel, el calor calor del cuerpo evapora el disolvente, permaneciendo las sustancias aromáticas, que se disipan gradualmente durante varias horas. Existen diferentes tipos de perfumes que, según su intensidad aromática, se clasifican en: Perfume: Perfume: la forma más concentrada, entre el 15-40% de esencia aromática. Eau de Perfume (EdP): concentración de aproximadamente 15% de esencia. Agua de baño, baño, más conocida como Eau como Eau de Toilette (EdT): presenta concentración del 715% de esencia aromática. Agua de colonia o Eau de Cologne (EdC): la misma concentración que el anterior pero con aromas cítricos predominantemente. Splash perfumes (EdS): aproximadamente 1% de concentrados esenciales. •
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Los causantes causantes de las disti distinta ntass varied variedades ades de aromas aromas en los perfumes perfumes son los aceite aceitess esenciales los cuales son sustancias orgánicas, líquidas aunque algunas veces sólidas, de olores y sabores acres. Dichas sustancias no son miscibles en agua pero son solubles en disolventes orgánicos. Estos aceites se extraen de los vegetales que los contienen dentro de su propia morfología o que contienen los elementos que permiten su formación. Su extracción industrial tiene gran
import importanci anciaa y existe existen n distin distintos tos procedi procedimie miento ntoss que permit permiten en su obtenci obtención, ón, estos estos son: son: expresión, destilación, extracción con disolventes volátiles, enflurage y maceración. La mayor mayor parte parte de los aceites aceites se obtien obtienen en por destil destilaci ación, ón, genera generalme lmente nte con vapor. vapor. Sin embargo, ciertos aceites se pueden dañar con altas temperaturas. En particular, los aceites esenci esenciale aless de cítri cítricos cos son mezclas complejas complejas de compuestos compuestos terpenicos terpenicos que contienen contienen alrededor de 100 componentes, donde al ser sometidos a destilación, la calidad del aceite esencial es inferior y por lo tanto se favorece el uso de la expresión como co mo método extractivo a nivel industrial. En Venez Venezue uela la,, enco encont ntra ramo moss un cons consum umo o per per cápi cápita ta de la indu indust stri riaa de cosm cosmét étic icos os y perfumes más altos de la región andina, esto se debe a que la mujer venezolana busca estar siempre a la vanguardia en moda, maquillaje y belleza en general, pero siempre tomando en cuenta aquellos productos que se acomoden mejor a sus posibilidades económicas. Por el motivo antes mencionado, se plantea la creación de un perfume que presente un bajo costo de producción y de venta, a fin de satisfacer a la mujer venezolana en su afán por sentirse alguien radiante y especial en todo momento. Necesidad
Elaborar un perfume en base a aceites esenciales obtenidos de las conchas de naranja util utiliz izad adas as en la plan planta tass de prod produc ucci ción ón de jugo jugoss naci nacion onal ales es,, con con el prop propós ósit ito o de manufacturar un producto de bajo costo dirigido a la mujer venezolana a fin de satisfacer su necesidad de sentirse femenina y cautivadora. Capacidad
Se definirá la capacidad en base a la cantidad mensual de perfume producidos por la indust industria ria.. Para Para el caso caso en cuesti cuestión ón se fijó una producció producción n diari diariaa de 300 unidades unidades de perfume, de 100 ml cada unidad (esto equivale 30 L de perfume que se deben producir diaria diariamen mente) te).. Dicha Dicha cantid cantidad ad de unidade unidadess mensua mensuales les fue evalua evaluada da previa previamen mente te según según estadísticas del consumo, donde para el año de 1999 un perfume exitoso era capaz de vender esa cantidad de unidades en nuestro país. Sin embargo, trece años después se decidió mantener una capacidad equivalente dado que aún el producto no se encuentra posicionado dentro del mercado pero se espera que debido al bajo costo que presenta, el mismo sea aceptado por las consumidoras. Bases y Criterios •
Materia Prima
El tipo de naranja a emplear es la naranja valencia, esta es la variedad de naranja que tiene mayor demanda a nivel mundial
y una de las más cultivadas en el país. Da frutos de tamaño mediano, corteza un tanto gruesa, dura y coriácea. La misma posee una superficie lisa, ligeramente áspera, jugo abundante y menos de seis semillas por fruto. Esta variedad de naranja, se mantiene estable en el árbol aún después de madurar y si se riega puede llegar a reverdecer. Es de madurez tardía y excelente para la industria de jugos. De todas todas las variedad variedades es comerc comercial iales, es, es la que posee el mayor mayor rango rango de adapta adaptació ción n climática. Además de las conchas de naranja, también se utiliza como materia prima el etanol, el cual se emplea como disolvente del aceite esencial de naranja en el perfume, debido a que éste presenta un ligero olor y es incoloro; además, se utiliza como solvente ya que los aceites esenciales sólo son solubles en compuestos orgánicos. La concentración del alcohol que se empleará será de 95 grados, lo cual es equivalente a 95 ml de etanol puro por 100 ml de solución. El etanol se tendrá disponible a temperatura ambiente y a 1 atm. Para conservar por más tiempo el aroma en nuestro cuerpo es indispensable el uso de un compuesto compuesto denominado fijador. fijador. El fijador sirve para atenuar atenuar e igualar las velocidades velocidades de evaporación de los distintos constituyentes odoríferos, y puede ser inodoro o tener un aroma particular; en este último caso debe utilizarse en proporción a las sustancias olorosas que el perfume contenga (esta proporción viene definida según los criterios del fabricante). El fijador a utilizar para el caso en estudio será el almizcle (trinitrobutiltolueno), el cual se obtiene de forma sintética condensando tolueno con bromuro de isobutilo en presencia de cloruro de aluminio y nitrando posteriormente el producto; el almizcle resulta un muy buen fijador fijador debido debido a su buena solubi solubilid lidad ad en solvent solventes es como como etanol etanol y agua. agua. La cantida cantidad d empleada de fijador en el perfume es de aproximadamente un 1%. Tal y como se explicó anteriormente, el procedimiento a seguir para obtener el almizcle es muy comple complejo, jo, por tal motivo motivo para para la fabric fabricaci ación ón del perfum perfume, e, este este compues compuesto to será será adquirido ya sintetizado e ingresará al proceso en el momento propicio como se explicará en apartados posteriores. •
Especificaciones del producto
Se elaborará un perfume que presenta un 20 % de aceite esencial de naranja dentro de su constitución. El tiempo de maceración del perfume, luego del cual estará listo para la venta, será de 45 días. Durante la maceración se deben evitar las altas temperaturas y la luz del sol. Por ello el recipiente a emplear debe estar herméticamente cerrado y estar alejado de posibles fuentes de calor •
Producción del aceite esencial
El aceite aceite esenci esencial al de naranj naranjaa se puede puede obtener obtener principa principalme lmente nte por dos método métodos, s, por expresión y por extracción por arrastre de vapor. En este último el aceite esencial es arrastrado por el vapor de agua, aunque su punto de ebullición en general es muy superior a 100ºC. Los productos de la destilación son recogidos en un vaso en el que se separan fácilmente el agua y la esencia. Si el aceite esencial presenta componentes solubles en agua estos quedarán en la fase acuosa que puede comercializarse en forma de agua de colonia (Eau de Cologne)
Figura 1. Esquema de extracción por arrastre con vapor
En cambio el método de la expresión, consiste en cortar las conchas de la naranja, para luego comprimirlas mecánicamente y así extraer el aceite esencial presente en las mismas. Simultaneo Simultaneo al proceso de compresión mecánica, se realiza un rociado de agua, con la finalidad de remover el aceite que se está extrayendo. El extracto obtenido se filtra, para separar las partículas sólidas de la mezcla de agua y aceite esencial, la cual luego es sometida a un proceso de decantación, separando así el aceite esencial de naranja, del agua. Para poder determinar la mejor tecnología para la obtención del aceite esencial, se procede a realizar la siguiente matriz de tecnología Tabla1: Matriz de selección de tecnología
Factores Inversión inicial Requerimientos Energéticos Mantenimiento Calidad de producto
Peso 19
Extracción por arrastre con vapor 0,8
17 12 15
0 ,9 0 ,8 0 ,7
15,2
Expresión 0 ,6
11,4
15,3 9 ,6 10,5
0 ,7 0 ,6 0 ,9
11,9 7 ,2 13,5
Temperatura operación Ruido Cantidad de producto obtenido
8 5
0 ,6 0 ,8
4,8 4
0 ,9 0 ,6
7 ,2 3
24 100
0 ,6
14,4 73,8
0 ,9
21,6 75,8
Obteniéndose de esta forma que la mejor tecnología es por expresión, a pesar que ambas tecnologías no se encuentran completamente diferenciadas en un 10%, se tiene que para nuestro proceso es de importancia la cantidad ya que la idea es producir perfume a un menor costo. Por otra parte, la selección de la expresión también se fundamente en que industrialmente se utiliza este procedimiento para la obtención de aceites esenciales de cítricos, lo cual es realizado a temperatura ambiente, generando así un costo de operación meno menorr y tamb tambié ién n una vent ventaj ajaa adic adicio ional nal,, dado dado que que esto estoss acei aceite tess son son susc suscep epti tibl bles es a degradación debido a alzas en la temperatura, siendo este un escenario no deseable. •
Producción del perfume
Una vez obtenido el aceite esencial de naranja, se procede a añadir el fijador (almizcle), para luego diluirlo con etanol. Luego se procede a mezclar, para finalmente efectuar el proceso de maceración y posterior almacenamiento. •
Servicios Industriales
Sólo Sólo se requ requie iere re de elec electr tric icid idad ad para para el func funcio iona nami mien ento to de los los equi equipo poss tale taless como como:: cortadora de conchas, compresor mecánico, mezcladores y bombas; además de agua a temperatura ambiente. •
Manejo de efluentes
El único residuo del proceso son las conchas de naranja, recogidas durante el proceso de filtración, y a las cuales ya se les extrajo el aceite esencial. Estas conchas pueden luego reutilizarse y ser comercializadas para la fabricación de abono. Localización de la Planta
Entre los posibles lugares para ubicar la planta tenemos Mérida, Caracas y Valencia, en donde encontramos plantas procesadoras de jugos que nos permitan el suministro de la materia prima (conchas de naranja), además son localidades en donde se presenta un mayor consumo del producto a producir.
Para el análisis más detallado detallado de la posible ubicación ubicación de la planta se procedió procedió a realizar realizar la siguiente matriz que evalúa la importancia importancia de diversos factores
Tabla 2: Matriz de localización de la Planta
Factores Materia Prima Costos Disponibilidad
Peso Caracas
Mérida
Valencia
11 12
0, 8 0 ,8
8 ,8 9 ,6
0 ,8 0 ,7
8 ,8 8 ,4
0 ,9 1
9 ,9 12
Servicios Electricidad y Combustible Transporte Agua
9 7 9
1 0 ,8 1
9 ,0 5 ,6 9,0
0 ,7 0 ,6 1
6 ,3 4 ,2 9
1 0 ,9 1
9 6 ,3 9
Entes de regulación gubernamental Restricciones legales Regulaciones ambientales
7 5
0 ,6 0 ,8
4 ,2 4 ,0
0 ,9 0 ,9
6 ,3 4 ,5
0 ,8 0 ,8
5 ,6 4
Sectorización de la planta Características del lugar Clima
7 6
0 ,7 0 ,8
4, 9 4, 8
0 ,7 0 ,9
0 ,9 0 ,7
6 ,3 4 ,2
Mercado
13
1
13,0
0 ,8
4 ,9 5 ,4 10, 4
1
13
Capital humano Capacitación de personal Mano de Obra
7 7
0 ,9 0,8
6 ,3 5 ,6
0 ,9 0 ,8
6 ,3 5 ,6
1 0, 9
7 6 ,3
Total
100
84,8
80, 1
92,6
En base a la matriz anterior se tiene que el mejor lugar para localizar la planta es en Valenc Valencia ia ya que presen presenta ta mejores mejores factor factores es a nivel nivel de materi materiaa prima, prima, servicio servicioss como como electricidad, transporte y capital humano. Balance de masa
Se desea producir 300 unidades de perfume diariamente, cada una de 100 ml, lo cual representa 30 litros de perfume diarios, sabiendo que el perfume está conformado por 20% de acei aceite te de nara naranj nja, a, 1% de almi almizcl zclee y 79% 79% de etan etanol ol,, se tien tienee que son neces necesar ario ioss diariamente 6 L de aceite aceite de naranja, 0,30 L de almizcle y 23,7 L de alcohol. Además se tiene tiene que por cada 36kg de conchas conchas de naranja se extrae extrae 1 L de aceite, por lo que para el proceso es necesario 216 kg de conchas.
Diagrama de Bloque de la Planta
Figura 2: Diagrama de bloque del proceso a instalar en planta Diagrama de flujo de procesos En la Figura 3 se muestra como inicialmente se movilizan las conchas de naranja desde su tanque de almacenamiento (TK-101) hasta una cortadora cortadora (Z-101) a través de una cinta transportadora. transportadora. Una
vez cortadas en trozos se transportaron con otra cinta hacia la cámara de compresión mecánica (Z102) a fin de que las cáscaras liberen los aceites esenciales contenidos dentro de sí mismas, dichos aceites serán recuperados en fase acuosa gracias al rocío de agua dentro del equipo en cuestión. Seguidamente la mezcla saliente del compresor mecánico se deposita en un filtro (Z-103) a fin de separar los restos de conchas sólidas de la fase líquida. Posteriormente la fase sólida se desecha o se podría colocar en venta a fin de producir abono a partir de material orgánico y en cuanto a la fase líquida, se hace pasar por el decantador (Z-104), donde se separan los aceites esenciales del agua de colonia (eau de cologne), la cual podría también ser comercializada Simultáneamente al proceso antes descrito, se tiene que una corriente de etanol y una corriente de almizcle (fijador) proveniente de sus respectivos tanques (TK-104 y TK-105 respectivamente), se ponen en contacto dentro de un mezclador mezclador con agitación (Z-106) continua. continua. La corriente resultante de la parte anterior se introduce dentro de otro mezclador de agitación continua (Z-105) junto con el aceite esencial obtenido previamente. La movilidad del flujo del mezclador (Z-106) al mezclador (Z-105) se realiza por acción de la gravedad, ya que existe una diferencia de altura entre ellos. De este proceso de mezclado (Z-105) se obtiene el perfume de naranjas, el cual debe ser sometido a mace macera raci ción ón dura durant ntee al meno menoss 45 días días a fin fin de que que la solu soluci ción ón sea sea homo homogé géne neaa y todo todoss los los componentes estén completamente integrados (TK-103 A-AR). Un aspecto que debe destacarse dentro del proceso es la existencia de bombas y su auxiliar (P-101 A/B, P-102 A/B, P-103 A/B, P-104 A/B y P-105 A/B), las cuales tienen la finalidad de movilizar los distintos fluidos dentro de las tuberías, dichos equipos presentan una unidad alterna a fin de garantizar la continuidad del proceso en caso de que alguna bomba falle en un determinado momento. El uso de estos equipos se debe a que los fluidos deben ascender hacia el tope de los tanques, puesto a que por heurísticas se sabe que los líquidos deben ser alimentados por la parte superior. Por último, es importante destacar que dentro de las operaciones unitarias llevadas a cabo sólo se requiere agua de servicio.
Corrientes de proceso Tabla 3: Flujos para cada corriente del proceso Corriente Conchas de naranja (kg/h) Aceite de naranja (l/h) Etanol (l/h) Almizcle (l/h) Agua (l/h)
1 9,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0
2 0,000 0,250 0,000 0,000 0,025
3 8,79 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0
4 0,000 0,250 0,000 0,000 0,000
5 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,02 5
6 0,000 0,250 0,000 0,000 0,000
7 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0
8 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0
9 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,01 3 0,00 0
10 0,00 0 0,00 0 0,93 8 0,00 0 0,04 9
11 0,00 0 0,00 0 0,93 8 0,01 3 0,04 9
Perfume(l/h)
0,00 0 0,000
0,00 0,00 0 0,000 0
0,000
1,25 0
1,25 0
0,00 0
0,00 0
Economía del proceso
Como Como materi materiaa prima prima para para la realiz realizaci ación ón del perfum perfumaa se, requie requiere re conchas conchas de etanol etanol,, almizcle (fijador) y etanol al 95%, cuyos valores son:
Tabla 4: Costos de la materia prima
Materia prima Conchas de naranja (BsF/kg) Costo del almizcle cle (BsF/l) Costo del Etanol (BsF/l)
Costo 13 2035,5 5,5 5,73
El perfume a producir será vendido por unidad a 200.00BsF cada unidad de 100 ml, lo que representa un valor de 2000BsF/l La economía de la reacción vendrá dada por el valor del producto menos el valor de la materia prima.
Economía = 2000*1,25-13*9-2035,5*0,013-0,99*5,73= 2351 BsF/h
Lo que indica que el proceso es rentable económicamente y que se solo considerando costos de materia materia prima prima y producto se tiene una ganancia ganancia de 2351 BsF/h BsF/h o lo que es lo mismo 56424 Bsf/Día. Pero para poder determinar que tan rentable es necesario conocer los gastos de mantenimiento de equipos, mano de obra, traslado tanto de productos como materia prima y embalaje del perfume en frascos de vidrio para la venta.
Dimensionamiento
Se procederá a dimensionar 3 equipos del diagrama de flujo del proceso: el mezclador de aceite y alcohol perfumero (Z-105), el tanque de maceración del perfume (TK-103 A-AR) y la bomba P-103 A/B.
0,00 0
Mezclador de aceite y alcohol perfumero, Z-105
Se utilizará como volumen de líquido a almacenar, el volumen de producción de perfume correspondiente a un día: 30 l Valm = 30 l. Se aumenta en un 30 % este valor, para así obtener un volumen de seguridad, con el cual se dimensionará el equipo. V = 1,3∙Valm = 39 l Se define la relación L/D a utilizar u tilizar para el equipo
3
L = 3∙D
Usando la ecuación conocida para el volumen, se utiliza la relación L/D y se despeja el valor del diámetro, D, para luego calcular el valor de L
V
V
D = 0,2548 m
L=3 D
L = 0,7645 m
Tanque de maceración del perfume, TK-103 A-AR
Se utilizará como volumen de líquido a almacenar, el volumen de producción de perfume correspondiente a un día: 30 l. Debido a que este fue el mismo valor utilizado para el mezclador, las dimensiones de ambos equipos serán las mismas. D = 0,2548 m L = 0,7645 m Bomba P-103 A/B
Viscosidad del etanol: 1,074 cP.
La bomba P-103 A/B se encuentra en la entrada del tanque de maceración del perfume, TK103 A-AR. El perfume contiene un 79 % en volumen de etanol, por lo que su viscosidad no difiere mucho de la viscosidad de éste. Por lo tanto, se puede seleccionar una bomba centrífuga.
Potencia (kW)
Donde ε es la eficiencia (se puede usar como valor de eficiencia, 75 %) 2,083 x 10-5 m3/min
Q
Para calcular el ΔP, se puede utilizar la ecuación de la hidrostática: ΔP = ρ perfume ∙g∙Δh Donde Δh, es la altura a la cual se bombeará el fluido (en este caso, esta altura corresponde a la longitud del tanque de maceración de perfume)
ρaceite esencial = 850 kg/m3 ; ρalcohol = 789 kg/m3 ρperfume = 800 kg/m3
ΔP = 800 kg/m3 ∙ 9,8 m/s2 ∙0,7645 m = 5993,63 Pa = 0,0599 bar
Potencia (kW) Potencia = 2,778 x 10 -6 kW
Conclusiones
•
Para producir producir 300 unidades unidades de perfume perfume diarias de 100 ml se requiere, requiere, 9 Kg/h de conchas de naranja, 0,99 l/h de etanol al 95% y 0,013 l/h de almizcle (fijador)
•
A partir de las conchas de naranja obtenidas de industrias productoras de jugo se puede obtener aceite esencial, a razón de 36 Kg de conchas por 1l de aceite
•
El mejor proceso para la obtención del aceite esencial de concha de naranja es la expresión
•
La ubicación de la planta es en Valencia Valencia
•
El proceso es rentable económicamente produciendo ganancias
Referencias
[1] http://www.oya-es.net/reportajes/perfume.htm [2] http://www.monografias.com/trabajos12/aceitesc/aceitesc.shtml [3] http://www.expocenter.com/perfume/envases2.htm http://www.quimica.urv.es/~w3siiq/DALUMNES/07/siiq10/ LUMNES/07/siiq10/INGREDIENTES.html INGREDIENTES.html [4] http://www.quimica.urv.es/~w3siiq/DA http://sisav.valledelcauca.gov.co/CADENAS_PDF/AROMATICAS/c05.pdf AS_PDF/AROMATICAS/c05.pdf [5] http://sisav.valledelcauca.gov.co/CADEN http://propiedadesdelaceite.jaimaalkauzar.es/propiedades-del-aceite-es propiedades-del-aceite-esencial-de-naranja.html encial-de-naranja.html [6] http://propiedadesdelaceite.jaimaalkauzar.es/
Figura 3: Diagrama de flujo del Proceso
