BIOTECNOLOGÍA Y ALIMENTOS

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  PROYECTO TERMINAL III. 1 ÍNDICE TEMÁTICO Página. Resumen ejecutivo 4 Abstract 5 CAPITULO 1 6 INTRODUCCIÓN Antecedentes Hoja de menta piperita El producto y usos Proceso de
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PROYECTO TERMINAL III. 1 ÍNDICE TEMÁTICO Página. Resumen ejecutivo 4 Abstract 5 CAPITULO 1 6 INTRODUCCIÓN Antecedentes Hoja de menta piperita El producto y usos Proceso de extracción de aceite esencial de menta piperita Propiedades fisicoquímicas y organolépticas del aceite esencial Estudio de Mercado Oferta y Demanda Ubicación de la planta Factores que determinan la ubicación de la planta Ubicación geográfica de la planta JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS Objetivo general del proyecto Objetivo particular del proyecto 15 CAPITULO EXPERIMENTAL Metodología Materiales y equipos experimentales Secado Cavitación Extracción de la hoja de menta piperita 16 Diagrama preliminar del proceso Rendimientos Caracterización de aceite esencial de menta Conclusión de la experimentación 19 CAPITULO PROCESO Diagrama de flujo Balances de materia y energía Dimensionamiento del equipo Lay Out 43 PROYECTO TERMINAL III. 2 CAPITULO SUSTENTABILIDAD Análisis económico Análisis de Riesgos Medio Ambiente 48 CONCLUSIONES 48 Memorias de calculo 49 APENDICE A 57 Costos y Factibilidad Económica (TIR) 57 BIBLIOGRAFÍA 59 ANEXO 1 Corrientes en el diagrama de flujo en el proceso de extracción de 64 aceite esencial. ANEXO 2 66 Secado ANEXO 3 68 Resultados y caracterización del aceite (experimental) ANEXO 4 70 Aspectos de seguridad PROYECTO TERMINAL III. 3 Resumen ejecutivo En este trabajo se investigó el proceso de extracción de aceite esencial de menta piperita. En base a la literatura se analizó el mercado de aceite de menta, esto nos permitió conocer las cantidades y el valor de la producción en la industria, exportaciones e importaciones que existen. Para la localización de la planta extractora se consideraron factores de instalación, se realizó el método cualitativo por puntos, de esa manera tomar una decisión de la ubicación de la planta. Se investigaron las generalidades de la hoja de menta, así como sus usos, para conocer que compañías utilizan éste producto, además de la composición y propiedades organolépticas físicas y químicas. Se hizo un análisis de los principales métodos de extracción de aceites esenciales, para decidir de cual se obtienen mejores rendimientos, posteriormente se diseñó un diagrama preliminar de cómo podría ser nuestro proceso a escala laboratorio, cabe mencionar que la parte innovadora del proyecto es el pre-tratamiento con ultrasonido (cavitación), y que en base a la literatura se sabe que por 1 Kg de materia prima se obtienen 2.5 ml de aceite esencial. Se diseñó un proceso a nivel planta piloto para posteriormente realizar experimentos, se preparó la materia prima a través de un proceso de limpieza, secado y triturado. En cada prueba variamos humedades con y sin sonicar. El tiempo de sonicado para cada muestra fue de 10 min variando la humedad con una frecuencia de KHz. Se extrajeron 4 ml por 500g de hoja seca, esto para determinar rendimientos en cada muestra, se midió índice de refracción (IR), ph y densidad para compararlos con datos de la literatura y datos de aceite comercial. Los parámetros de operación del proceso fueron la presión y temperatura en la columna, tiempo de operación, flujo de vapor, tiempo de sonicado y rendimientos de extracción de aceite. De acuerdo con los rendimientos obtenidos con este método, se observó que la humedad resulto ser un parámetro importante en el proceso. Se realizó el diseño de un sistema de extracción de aceites esenciales basado en la experimentación a nivel piloto. De acuerdo a la técnica que brinda mayores ventajas, se selecciona el método de extracción por arrastre con vapor, el mismo que consta de un generador de vapor pirotubular, cuatro torres de extracción, cuatro intercambiadores de tubos y coraza y un separador florentino, los cuales se diseñaron mediante los resultados obtenidos como temperatura, presión, flujo, volumen, propiedades de la materia prima y productos. Para realizar algunos diseños fue necesario utilizar un simulador ASPEN Plus V8.2. Finalmente se desarrolla el análisis económico del sistema, evaluando la TIR con el objetivo de ver la rentabilidad del proyecto. PROYECTO TERMINAL III. 4 ABSTRACT In this work the process related to the extraction of essential oil of peppermint was investigated. Based on the literature market peppermint oil was analyzed as this allowed us to know the quantities and value of industry production, exports and imports in the world. Installation factors were considered for the location of the extraction plant, the qualitative method was by points, thus making a decision on the location of the plant. Generalities mint leaf was investigated, and their uses, to see that companies use this product as well as the physical and chemical composition and organoleptic properties. An analysis of the main methods of extraction of essential oils was made, to decide which better yields then a preliminary diagram of how our process could be designed laboratory scale, it is noteworthy that the innovative part of the project is pre -ultrasonic treatment (cavitation), and based on the literature it is known that per 1 kg of raw material 2.5 ml of essential oil is obtained. We designed a process at pilot plant later experiments where the raw material through a process of cleaning, drying and grinding was prepared. In each test we varied humidities with and without sonication. The time of each sample was sonicated for 10 min humidity varying with a frequency of KHz. 4 ml 500 mg extracted by this to determine performance in each sample, the refractive index (RI), ph and density for comparison with data from literature and data measured commercial oil. The operating parameters of the process were the pressure and temperature in the column, time of operation, steam flow, sonication time and oil extraction yields. According to the yields obtained with this method, it was observed that moisture Mint to carry out the process is an important parameter. Designing a system of extraction of essential oils based on pilot scale experimentation was conducted. According to the technique that provides the greatest advantages the method of stripping steam is selected, the same consisting of a steam generator pirotubular four extraction towers four shell and tube heat exchangers and a Florentine separator, which were designed using the results as temperature, pressure, flow, volume, properties of raw materials and products. To make some designs was necessary to use a simulator ASPEN Plus V8.2. Finally, the economic analysis of the system is developed, assessing the IRR in order to see the project's profitability. PROYECTO TERMINAL III. 5 CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN La utilización de aceites esenciales y el conocimiento de sus propiedades curativas se conocen desde las civilizaciones china, hindú, egipcia, griega y romana, por lo que se les considera como una de las formas más antiguas de medicina y cosmética. [1] La reintroducción de los aceites esenciales en la medicina moderna tuvo lugar a finales del siglo XIX y principios del siglo XX. Los aceites esenciales son compuestos formados por varias sustancias orgánicas volátiles, que pueden ser alcoholes, acetonas, cetonas, éteres, aldehídos, y que se producen y almacenan en los canales de la estructura de las plantas. Normalmente son líquidos a temperatura ambiente, y por su volatilidad, son extraíbles por destilación en corriente de vapor de agua, aunque existen otros métodos. En general son los responsables del olor de las plantas. Los componentes principales del aceite de menta son: mentol, mentona y mentofurano. El mentol es un alcohol secundario saturado, es un sólido cristalino que funde alrededor de los 40 C, posee un efecto refrescante sobre las mucosas. Tiene también propiedades anti-picazón y antisépticas. Es insoluble en agua y soluble en alcohol y éter. En los siguientes capítulos se expondrán tanto los datos teóricos como los resultados experimentales obtenidos durante el desarrollo de este trabajo, además del diseño de la planta en cuestión. 1.1 Antecedentes La aromaterapia inicia en la época moderna, cuando en el siglo XX, René Maurice Gatefosse (químico francés), llamado el padre de la aromaterapia moderna , la incorpora a la medicina natural. También en la aromaterapia moderna, en Milán (Italia), el Dr. Paolo Rovesti aliviaba la depresión y estados de ansiedad, liberando así situaciones traumáticas. El médico y cirujano Jean Valnet aportó la mayor contribución a la aromaterapia para ser valorada y reconocida como medicina capaz de curar. Utilizaba aceites esenciales para las heridas y quemaduras de los soldados en la Segunda Guerra Mundial, logrando con ello aliviar tanto problemas físicos como mentales en pocos días, corroborando así la rapidez con que actúan los aceites en el organismo. En cuanto a la aromaterapia holística, es pionera la bioquímica francesa Margueritte Maury (austríaca de nacimiento), a quien no convencía suministrar los aceites por vía oral; y basándose en las distintas formas de incorporarlos al organismo, desarrolló una técnica de masaje aplicando aceite en los centros nerviosos de la columna vertebral y en el rostro. Ella introdujo la proporción de la fórmula específica de los aceites en cada cliente que visitaba su gabinete para embellecerse y rejuvenecer; pudo comprobar así que en muchos de ellos habían desaparecido dolores crónicos de cabeza, dolores reumáticos y estados de insomnio, y que los PROYECTO TERMINAL III. 6 efectos eran prolongados. En 1962 y 1967, Margueritte Maury fue premiada internacionalmente por sus investigaciones sobre los aceites esenciales y la cosmetología al servicio de la salud [1] Hoja de Menta Piperita La planta de la menta se esparce rápidamente por la tierra ayudándose con sus tallos ramificados que pueden extenderse hasta más de medio metro. Sus flores son de color blanco o violeta y relucen conforme la menta avanza en su periodo de crecimiento. aceites esenciales. Existen aproximadamente 25 especies dentro del grupo de la menta, en estas especies se incluyen la hierbabuena, el orégano, el tomillo y el romero, la característica que comparten todas las especies es una fuerte esencia que se libera al ser molidas, lo cual se debe a sus El suelo más adecuado para esta planta debe ser bastante húmedo, con niveles normales de nutrientes minerales y con una exposición a la luz solar que no supere las cuatro o seis horas diarias. Es conveniente que el riego, debe hacerse en forma regular. La composición química promedio porcentual de la hoja de menta piperita se puede observar en la Tabla 1: [2] Tabla 1. Composición química de la hoja de menta piperita. Contenido % en peso Mentol Mentona mentofurano 1 2 monoterpenos 8 Flavonoides 12 Vitaminas (C, B1, B2, B3) El producto y usos. Por su alto contenido en mentol, el aceite esencial de menta piperita es muy empleado en licorería, caramelos, aguas aromáticas (agua menthae piperitae), alcoholatos mentolados (spiritus menthae piperitae) empleados para la fabricación de dentífricos, así como masajes y fricciones para los dolores de cabeza. Las sustancias amargas de la menta estimulan la secreción de los jugos digestivos, son estomacales, carminativas y reducen las diarreas. La menta es espasmolítica suave, adecuada en la inflamación de la vesícula, nerviosismos, PROYECTO TERMINAL III. 7 insomnio, calambres, vértigos, jaquecas, etc. Tiene un ligero poder antiséptico y bactericida, es útil en las inflamaciones de la laringe, bronquitis, en inhalaciones contra el catarro, y en usos tópicos. La leyenda le supone propiedades afrodisíacas y excitantes. En la cocina es muy utilizada como planta aromática, condimento para sopas, salsas, y en el té y como potencial antimicrobiano. [3] Proceso de extracción de aceite esencial de menta piperita Existen diferentes métodos utilizados para llevar a cabo la extracción de aceites y algunos de ellos se mencionan a continuación (ver Tabla 2). En el cual la destilación por arrastre de vapor que será de gran utilidad en el desarrollo del presente proyecto, ya que es la menos costosa a diferencia de los otros. Tabla 2. Análisis comparativo de los principales métodos de extracción de aceites esenciales [4] Método de Ventajas Limitaciones extracción Destilación con vapor Método industrial y de laboratorio. Procesos colaterales como polimerización de los Buenos rendimientos en terpenos. aceite extraído. Hidrólisis de los ésteres. Obtención del aceite puro, libre de solvente. Destrucción térmica de algunos componentes. Bajo costo Tecnología no sofisticada Extracción Uso de temperaturas bajas. Costoso con solventes No provoca termo destrucción Contaminante del ambiente. volátiles ni alteración química de los componentes del aceite. Riesgo de incendio y explosión. Posibilidad de separación de componentes individuales. Difícil de separar completamente el solvente sin alterar la composición del aceite. Co-extracción de ácidos grasos, ceras y pigmentos. PROYECTO TERMINAL III. 8 Extracción con CO2 supercrítico Alto rendimiento. Ecológicamente limpio. Fácil retiro y reciclaje del solvente. Bajas temperaturas de extracción. No hay alteración química del aceite. Cambiando parámetros operacionales se puede cambiar la composición del aceite extraído. Ácidos grasos, pigmentos y ceras también pueden ser extraídos junto con el aceite esencial. Alta inversión inicial Propiedades fisicoquímicas y organolépticas del aceite esencial Mezcla de sustancias aromáticas de origen natural y/o sintético. Especificaciones a 20ºC. Aspecto: Líquido Aceitoso. Color: Amarillo. Olor: Herbáceo, mentolado. Solubilidad: buena en alcohol. Densidad: (g/ml) 0,940. Índice de refracción: 1,459. Punto de inflamación: 62ºC. [3]. Su composición la podemos ver en la tabla 3. Tabla 3. Composición del aceite esencial de la hoja de menta piperita. Nombre de sustancia % en peso Mentona De 40 a 60 Mentol De 20 a 45 Isopulegol De 1 a 4 Pulegona De 0.5 a 2 D-Limoneno De 0.2 a Estudio de Mercado Oferta y Demanda El mercado mundial de los aceites esenciales, en crecimiento constante, genera una continua renovación de la tecnología empleada para obtener estos productos. A su vez, incentiva la optimización de los equipos utilizados diariamente, para aumentar su rentabilidad y eficiencia. El proceso para obtener los aceites esenciales, utilizado desde la antigüedad hasta el presente, ha demostrado su cualidad de ser amigo del medio ambiente: gracias al mínimo impacto generado; su contribución a cerrar el ciclo de producción-consumo de materiales renovables en nuestro planeta y por el uso del agua, como insumo del proceso. Además, al requerir materias primas renovables, contribuye al desarrollo sostenible de zonas con un menor nivel de industrialización, pero con una PROYECTO TERMINAL III. 9 alta disponibilidad de mano de obra y de una gran diversidad del material vegetal. Lo cual favorece a un mayor crecimiento económico, apoyado en un manejo racional, sin descartar la implementación de modificaciones de esta tecnología [5]. Este análisis para el caso del aceite esencial de menta con la finalidad de identificar oportunidades de innovación que faciliten la toma de decisiones para el desarrollo de proyectos estratégicos que contribuyan al desarrollo regional. Este aceite esencial ha sido seleccionado con base en los antecedentes de producción en Antioquia, y su alto potencial de comercialización en los mercados internacionales [6]. De acuerdo con los datos obtenidos de organizaciones identificamos de una manera amplia aplicaciones del aceite esencial de menta en la industria de: sabores, fragancias, aromas, belleza, y cuidados de la salud humana y el hogar. Importaciones De acuerdo con un reporte del Centro para la Promoción de Importaciones desde países en Desarrollo de Holanda (CBI, por su sigla en inglés), las importaciones europeas de aceites esenciales en el 2004 fueron de 501 millones de euros (USD623 millones), ver gráfico 1. Gráfico 1. Importaciones de aceites esenciales. EU es el principal proveedor de las importaciones europeas de aceites esenciales, puesto que concentra el 19% del mercado, lo que equivale a 95 millones de euros (USD118 millones). Le siguen Francia, China, Brasil, Reino Unido y Argentina, entre otros, gráfico 2. PROYECTO TERMINAL III. 10 Gráfico 2. Proveedores de las importaciones de aceites esenciales. Segmentación del mercado El tipo de aceite y la calidad de este determinan en qué clase de producto final va a ser procesados. Los aceites esenciales son usados como materias primas básicas y pueden clasificarse en insumos industriales para los segmentos de fragancias, aromas o sabores, productos médicos y otras actividades químicas [7]. Los aceites esenciales son utilizados como fragancias en las siguientes industrias: Perfumes: para la elaboración de perfumes, aguas de perfume, aguas de tocador, aguas de colonia, aguas frescas y aguas de baño, entre otros. Cosméticos: para hacer agradable, atractivo e impartir identidad a unos productos como jabones, champús, desodorantes, labiales, cremas, ungüentos y pastas dentales, etc. Aseo y limpieza: para otorgar fragancias a productos de limpieza para el piso, aromatizantes ambientales y limpieza de baños y cocina. Plásticos: para enmascarar el mal olor que tiene algunos cauchos y plásticos. Así como, se usa en la industria de la juguetería. Textiles: como enmascaradores de olores en tratamiento con mordientes, antes y después del teñido. Pinturas: como enmascaradores de olores. Papelería: para impregnar fragancias en cuadernos, esquelas, tarjetas, papel higiénico y toallas faciales y sanitarias, entre otros. Como aromas o sabores los aceites son usados en: Alimentos: en segmentos como condimentos y bebidas. Licores. Medicamentos: para enmascarar los sabores amargos de algunos de ellos, por ejemplo saborizantes para jarabes infantiles. PROYECTO TERMINAL III. 11 Tabacos y cigarrillos: para aromatizarlos. Desde el punto de vista de productos médicos, los aceites esenciales son usados como medicina alternativa. Antisépticos. Antiparasitarios. Con efecto sobre el sistema nervioso central, aparato respiratorio, etc. Rubefacientes. Antiinflamatorios. Aromaterapia. Canales de comercialización. Según el reporte de CBI, entre el 60% y el 80% del comercio de aceites esenciales se realiza directamente entre productores e importadores que los procesan [7]. Algunos de los fabricantes del producto final, que requieren grandes cantidades de aceites esenciales, los compran directamente al productor. Sin embargo, la mayoría de los procesadores no compran con frecuencia de manera directa al productor, para evitar riesgos de entregas incorrectas en cuanto a cantidades estipuladas y calidad, esto con el fin de cuidar su imagen. 1.3 Ubicación de la planta Factores que determinan la ubicación de la planta Las alternativas de instalación de la planta deben incluir una clasificación concentrada que comprenda por lo menos los siguientes factores: Medios y costos de transporte. Disponibilidad y costo de mano de obra. Cercanía de las fuentes de abastecimiento. Factores ambientales. Costo y disponibilidad de terrenos. Estructura impositiva y legal. Disponibilidad de agua, energía y otros suministros. Comunicaciones. La tendencia de localizar el proyecto en las cercanías de las fuentes de materias primas, depende del costo de transporte. Normalmente, cuando la materia prima es procesada para obtener productos diferentes, la localización tiende hacia la fuente de insumo. PROYECTO TERMINAL III. 12 Método cualitativo por puntos Este método consiste en definir los principales factores determinantes de una localización (Tabla 4), para asignarles valores ponderados de peso relativo, de acuerdo con la importancia que se les atribuye. El peso relativo, sobre la base de una suma igual a uno, depende fuertemente del criterio y experiencia del evaluador. Tabla 4. Factores a considerar para la ubicación de la planta extractora de aceite esencial de menta piperita. FACTOR PONDERACION (%) Transporte de materia prima 20 Tran
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