INGENIERA AMBIENTAL

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8PROPUESTA DE MEJORA EN EL PROCESO

Planta Ctricos Peruanos S. A. Agromar Industrial S. A.

Recuperacin del jugo de limn

AUTOR:SILVA JIMENEZ JOSEDEC ALEXIS

JUSTIFICACIN

Los efluentes lquidos residuales de la lnea de produccin de aceite esencial de limn en La Planta Ctricos Peruanos S.A Agromar S.A.Constituyen el principal residuo en esta lnea de produccin; ya que la cascara, es aprovechada como cascara deshidratada para venta en el extranjero, donde realizan la extraccin de pectina. Las aguas residuales pueden variar desde relativamente limpias como las de lavado del limn, hasta aguas de cargas contaminantes altas, conteniendo jugo de limn quemado,aceite esencial residual, hollejos y pepas en la descarga del alambique.Las aguas residuales de la lnea de produccin contienen cuatro tipos de contaminantes principales: Slidos suspendidos y sedimentables (Restos de cscaras, membranas, pulpas y semillas) Compuestos orgnicos solubles (Azcares primarios y cidos entre otros) Compuestos orgnicos voltiles (d-Limoneno del aceite esencial de las cscaras de limn ) Emulsin de aceites esenciales no recuperados (Terpenos y aldehdos entre otros)

Manejo actual de desechos lquidos de la Planta Ctricos Peruanos S.A Agromar S.A.

Las aguas de desecho conteniendo restos de cascara, hollejos pepas y aceite esencial, son recogidas por un sistema ineficiente, que si bien permite la recuperacin de hollejos y pepas, mediante filtracin, para luego ser llevados a un sistema de lavado para disminuir la acides en estos; se producen cargas de aguas; los hollejos son deshidratados en un secador rotatorio de triple efecto, para su posterior separacin en finos o polvillo, este es comercializado a los agricultores proveedores de materia prima como alimento para ganado. Los efluentes lquidos, principalmente jugo de limn quemado,con restos de cascara y hollejos, viajan por una serie de canaletas dispuestas en el suelo, por la cual discurren hasta la parte posterior de la planta donde se usa una bomba para elevar los efluentes hacia un filtro parablico, donde la gravedad es aprovechada cayendo as a grandes pozas de oxidacin.Como resultado de laslimitaciones inherentes al proceso de extraccin, se producen prdidas como A. E. residual en cscara; stas son del orden del 0,2 % (0,2 kg de A. E. por cada 100 kg de cscara con 85 %de humedad).

PROPUESTA: Mejorar el sistema de recuperacin de jugos de limn

Para venta en bruto como jugo agotado/quemado. Para venta como citrato clcico. Para extraer cido ctrico, proceso realizado dentro de la planta ampliando capacidad operativa.

Que solucionamos:

En el proceso no se tendran efluentes lquidos y slidos para ser desechados.

Recuperaramos los terrenos que se usan actualmente como pozas de oxidacin,Para ampliacin de operaciones en la planta.

Figura N 01 Distribucin de Planta Lnea de Aceite Esencial de Limn (AEL)Descripcin de sistema de recuperacin de jugo de limn

Antes de proponer un nuevo proceso en la planta de aceite esencial es importante tener en cuenta que el limn que se utiliza para el proceso es de descarte, es decir limn maduro como se muestra en la siguiente imagen:

Fuente: Agromar Industrial S. A.

Al usar limn maduro, la calidaddel jugo obtenido no es ptima, para ser recuperado y vendido como jugo de limn fresco; pero si tiene buena cantidad de cido ctrico como lo muestra el siguiente cuadro:

Cuadro 1: Valor Nutritivo por cada 100 gcido ctrico7.5 g

Acido mlico0.6 g

sacarosa0.5 g

Azcar invertida0.8 g

Citrato clcico1.0 g

Vitamina C45 mg

Fuente Gonzales (1960)

En el proceso existen varias etapas donde se pierde jugo de limn, la perdida ms importante corresponde a la descarga del alambique de jugo agotado o quemado, la otra en donde se realiza el lavado de cascara para reducir la acidez antes de ser introducida al secador rotatorio, obtenindose un producto con un 9 % de humedad.El jugo extrado constituye trmino medio el 33 % como peso en peso de fruta molida.

Este porcentaje puede elevarse al 37 %, mediante la combinacin de procesos de difusin; tratamientos enzimticos y economas en las aguas de lavado de cscaras y hollejos. El propsito es agotar los slidos solubles o disueltos contenidos en los slidos insolubles, durante el proceso e incorporar cido ctrico; cido ascrbico; azcares; etc. al jugo que es objeto de concentracin y no perderlos con el efluente.

El lavado de la cscara, objeto de posterior prensado y deshidratado en hornos rotativos, debe realizarse con bajos caudales de agua, por razones de economa y por motivos ecolgicos

Los jugos concentrados que se comercializan, son soluciones de cido ctrico de un 40 a un 50 %, en relacin peso / volumen y es comn denominarlos, jugos concentrados de limn (J.C.L.), calidad 400 g.p.l. o 500 g.p.l. (Gramosde cido ctrico por litro de jugo).Con un porcentaje mximo de pulpa. A los jugos claros, se los llama jugos concentrados filtrados de limn (J.C.F.L.), calidad 400 g.p.l. o indicando el Grado Brix( bx) y la acidez con las tolerancias respectivas; por ejemplo, J.C.F.L. calidad50 bx,acidez 30,0 % 0,5 %; etc.

1.-BALANCES DE MASA

Balance de Masa en limn (cido ctrico)

100 g de jugo100 TM92.5 g otrosLimn7.5 g de cido ctrico70 TM

28 TM

Citrato clcico:La lechada de cal que se usar estar formada por dos partes de agua yuna de cal, es decir un 33% de Ca (OH)2, y tendr una densidad de,aproximadamente, 1.221 g/L. La reaccin que va a tener lugar es:

3Ca (OH)2 + 2C6H8O7 (C6H5O7)2Ca3 + 3H2O

De la ecuacin: 1 Kg de cido ctrico equivalen necesita 0.58 Kg de cal

LIMONES 102 TM de jugo7.65 TM de cido ctrico 94.25 TM otrosAgua (V)

Se necesitan 4.44 TM de cal 8.88 TM de agua

Reactor de lechada de cal7.65 TMcido ctricoCitrato clcico 11.49 TM 10.91 11 TM Ca (OH)27.26 TM H2O

Agua (V)

2.-DISEO DE EQUIPOS

2.1.-LECHADA DE CALDISEO MECANICO DEL REACTOR DE LECHADA DE CAL

Este reactor tendr un volumen de 102 m3 y para su clculo mecnico seimpondr una relacin altura-dimetro de 1,7. Con estos datos se calcula undimetro y altura del recipiente:

Seguidamente se va a calcular el espesor de pared, que ser el valormximo entre las siguientes expresiones:

Dnde: R es el radio interno en pulgadas. E es la eficiencia de soldadura, se toma el valor de 0, 85. S es el lmite elstico del material. Como en los clculos anteriores, el material de construccin ser acero SA-283 grado C con una tensinadmisible de 12.700 psi. P es la presin de diseo, 50 psi por especificacin. C es el sobre espesor de corrosin, se utiliza el valor de 0,06 pulgadas.

Sustituyendo datos:

Segn estos clculos el espesor tomado, redondeando al alza, ser de 1.10 cm segn el reglamento de equipos sometidos a presin.Tanto el fondo como el techo del recipiente sern formas elipsoidales 2:1tabuladas en el cdigo ASME cuyo espesor de pared se calcula mediante laexpresin:

Por lo tanto el espesor de fondos ser 1.10 cm

2.1.1.-DISEO DEL SERPENTN INTERNO

En el reactor de lechada se utilizar un serpentn interno compuesto poruna conduccin de 2 de dimetro nominal. Este serpentn ha de cumplir dosfunciones:

1. Disipar el calor producido durante la reaccin de formacin del citrato.2. Tras la reaccin, aumentar la temperatura del lodo formado con el citrato hasta 90 oC antes de pasar al filtro

Como la funcin ms restrictiva es la segunda, se disear teniendo encuenta sta, sabiendo que as ser capaz de responder a la otra, que es menosexigente. Como tiempo necesario para realizar la operacin se ha fijado una hora.

Para calefactar el medio se utilizar vapor condensante procedente de la caldera.Aplicando el balance energtico al reactor:

Calor absorbido por losalrededores del reactorCalor absorbido por elmedio dentro del reactorCalor cedidopor el vapor

El calor absorbido por el medio circundante va a ser sensiblemente inferiora los otros trminos del balance y se va a despreciar.Se evala el calor cedido por el vapor de la siguiente manera:

Dnde: qv es la cantidad de calor que ceder el vapor. Mv es la masa de vapor necesaria para el proceso. es el calor latente de condensacin del vapor.

El calor absorbido por el medio dentro del reactor ser:

Dnde: qi es el calor absorbido por el medio interno del reactor. Mi es la masa del medio interno (una 70 toneladas). Cp es el calor especfico de la mezcla en el interior del reactor a latemperatura media entre los valores inicial y final. Al estar formada estamezcla, aproximadamente, por un 80% de agua se tomar el calorespecfico de sta. Como en realidad el calor especfico es algo menorpor la presencia de slidos, se obtendr un sistema con cierto grado desobredimensionamiento, lo que proporcionar cierto margen demaniobra al poder calentar ms rpido la masa o poder tratar mscantidad de masa en el mismo tiempo. Ti es la temperatura inicial del medio (50C). Tf es la temperatura final que se quiere alcanzar (90C).

Por ltimo se introduce la ecuacin de transmisin de calor a travs delSerpentn:

Dnde: f es un factor de seguridad, en este caso se toma como 1,2. Qs es el caudal de calor transmitido por el rea del serpentn.

Us es el coeficiente global de transmisin de calor, en este caso setomar el dato bibliogrfico de 1.420 W/m2C. AT es el rea total que el reactor expone al exterior, en este caso se aproxima el rea total al rea lateral ya que el rea de fondo y techo ser sensiblemente inferior y despreciable. Tml es el incremento de temperatura medio logartmico.

Igualando los trminos del balance y teniendo en cuenta que el tiempo deoperacin (t) ser una de una hora:

3.-PROCESO DE OBTENCIN DEL CIDO CTRICOEl cido ctrico es obtenido principalmente en la industria gracias a la fermentacin de azcares como la sacarosa o la glucosa, realizada por un microorganismo llamado Aspergillus niger. El proceso de obtencin tiene varias fases como la preparacin del sustrato de melaza, la fermentacin aerbica de la sacarosa por el aspergillus, la separacin del cido ctrico del sustrato por precipitacin al aadir hidrxido de calcio o cal apagada para formar citrato de calcio. Despus se aade cido sulfrico para descomponer el citrato de calcio. La eliminacin de impurezas se realiza con carbn activado o resinas de intercambio inico, se contina con la cristalizacin del cido ctrico, el secado o deshidratacin y el empaquetado del producto.3.1.-CaractersticasLa acidez del cido ctrico es debida a los tres grupos carboxilosCOOH.El cido ctrico es un polvo cristalino blanco. Puede existir en una forma anhidra (sin agua), o como monohidrato que contenga una molcula de agua por cada molcula de cido ctrico. La forma anhidra se cristaliza en el agua caliente, mientras que la forma monohidrato cuando el cido ctrico se cristaliza en agua fra. El monohidrato se puede convertir a la forma anhidra calentndolo sobre 74C.Qumicamente, el cido ctrico comparte las caractersticas de otros cidos carboxlicos. Cuando se calienta a ms de 175C, se descompone produciendo dixido de carbono y agua y luego aparentemente desaparece.

cido ctrico

Nombre (IUPAC) sistemtico

cido 2-hidroxi- 1,2,3-propanotricarboxlico

General

Otros nombrescido ctrico

Frmula molecularC6H8O7

Identificadores

Nmero CAS77-92-9

Propiedades fsicas

Densidad1665 kg/m3; 1,665 g/cm3

Masa molar192,13 g/mol

Punto de fusin448K (175C)

Propiedades qumicas

Acidez (pKa)1=3,15; 2=4,77; 3=6,40

Solubilidad en agua

Presin de Vapor (mm Hg): Cero133 g/100 ml (22C)

Riesgos

Irrita piel y ojos.

Valores en el SI y en condiciones normales (0 C y 1 atm

1.2.-Materias Primas (Proceso a partir de limones) Cal apagada (Ca(OH)2) En la elaboracin de cido ctrico es usada para formar citrato de calcio y as poder separar el cido ctrico. cido sulfricoEn el proceso es muy importante porque reacciona con el citrato de calcio y lo hace precipitar en forma de yeso o sulfato clcico, permitiendo liberar el cido ctrico presente. Carborafina o Carbn de madera.Es un mineral usado como secuestrante de partculas inicas de metales, dichas partculas se producen por medio de las materias primas o reacciones producidas entre ellas y los aditivos; estas se van adhiriendo a la corriente del proceso, causando daos en las propiedades del producto final: color, apariencia, consistencia, sabor, olor, etc. Sulfuro de BarioEs un compuesto que tambin se usa con funciones de secuestrante, es decir, captura residuos de metales o partculas pesadas.

4.-OBTENCIN DE ACIDO CTRICO A PARTIR DE LIMONES

4.1.-LECHADA DE CALLa lechada de cal que se usar estar formada por dos partes de agua yuna de cal, es decir un 33% de Ca (OH)2, y tendr una densidad de,aproximadamente, 1.221 g/L. La reaccin que va a tener lugar es:

3Ca (OH)2 + 2C6H8O7 (C6H5O7)2Ca3 + 3H2O

De la ecuacin se deduce que por cada kilogramo de cido ctrico se necesitan 0,58 kilogramos de cal.

4.2.-DESCOMPOSICIN DEL CITRATO

Ca3 (C6H5O7)2 + 3H2SO4 2C6H8O7 + 3CaSO4

El cido sulfrico provendr de una disolucin al 10% en peso la cualcontendr un exceso del 5% en el cido para tener la seguridad de que todo elcitrato se transforma. Esta reaccin es exotrmica por lo que ha de mantenerserefrigerado el reactor y no permitir que supere los 60C ya que a partir de esatemperatura la conversin disminuye.

4.3.-EVAPORACIN

Tras separar el sulfato clcico del cido ctrico quedar una disolucin debaja concentracin de ste debido a la gran cantidad de agua usada durante laseparacin. Antes de proceder a cristalizar el producto se hace necesarioconcentrarlo para que, posteriormente, puedan formarse los cristales. El objetivoser alcanzar una concentracin en cido ctrico en torno al 67%, que es la quese utiliza en la industria como alimentacin del cristalizador, partiendo de unaconcentracin aproximada del 10% obtenida tras la reaccin de descomposicindel citrato clcico.

4.4.-CRISTALIZACIN

Tras concentrar la disolucin de cido ctrico en el evaporador se necesitatransformarla en un producto slido con las caractersticas comercialesapropiadas. El mercado demanda una alta pureza de producto y un tamaoespecfico y uniforme. El producto final ser cido ctrico anhidro.En esta etapa lo importante ser el rendimiento en cristales y la pureza delos mismos, pero tambin es de gran importancia el aspecto y tamao. Un tamaouniforme es importante para que no se formen agregados ni aglomeraciones unavez envasado, adems los cristales intervienen en operaciones posteriores desecado, transporte y almacenado, en las cuales tambin interesa un tamao decristal uniforme. Para que en el equipo de cristalizacin se formen los cristales se necesitauna disolucin sobresaturada, dependiendo del mtodo para conseguir lasobresaturacin se tiene un tipo u otro de cristalizador. La sobresaturacin sepuede conseguir trmica o adiabticamente, el uso de una condicin u otradepender de la variacin de la concentracin de saturacin con la temperaturadel soluto. Para el caso del cido ctrico el mtodo adiabtico es el empleado, yaque su solubilidad aumenta poco con la temperatura, por lo que el mtodoisotrmico ofrecera un bajo rendimiento.Otra caracterstica a introducir es el flujo en el interior del cristalizador, seutilizar un flujo de magma circulante, ya que es el ms efectivo y ms usadoindustrialmente. El magma es el nombre que recibe la mezcla bifsica formadapor el licor madre y los cristales de todos los tamaos contenida en uncristalizador, aunque tambin es el nombre que recibe la corriente de productocristalizado al no salir seco. En los cristalizadores de magma circulante todo elmagma circula a travs de ambas etapas de cristalizacin y sobresaturacin sinseparar el lquido del slido, la alimentacin se introduce a la corriente entre estasdos zonas.

Imagen 2.4

4.5.-CENTRIFUGACINTras la etapa de cristalizacin se obtiene un licor saturado en cido ctricoque acompaa a los recin formados cristales. Se necesita separar esta mezclabifsica ya que lo que interesa, como producto, son los cristales de cido ctrico loms puros y secos posibles. Para esta separacin se plantean dos alternativas: lasedimentacin o la filtracin. La primera opcin queda descartada; aunque mssencilla y econmica, la sedimentacin ofrecera mucho tiempo de contacto.La filtracin que se plantea se podra abarcar de dos formas: la primerasera un filtro industrial, la segunda opcin planteada, que es la que ms se utilizaindustrialmente, es un filtrado por centrifugacin; utilizando una fuerza centrfugade varios cientos de G se separara el cristal slido del licor madre. La por la que razn que setoma la segunda opcin es que muchos equipos de cristalizacin ya incorporan, oestn preparados para, una centrifugacin posterior, ya que la no separacin delmagma en el cristalizador conlleva una separacin posterior de ambas fases.Se utilizar una centrfuga de tipo canasta, con un tambor giratorio en elque se introduce la alimentacin. En su interior se sita una cesta que contieneuna serie de mallas, estas mallas deben de permitir el paso del lquido y retenerlos cristales, el tamao de paso de la malla debe ser 100 (escala americana dedistribucin de tamao de partcula) de manera que queden atrapados todos loscristales que interesan.

De la centrifugas comerciales la ms apropiada para elproceso que nos ocupa es la Mercone C-400, una centrifuga continua de canasta.La Mercone posee un tambor troncocnico, de manera que la fuerza centrfugahace subir el cristal por el tambor hasta ser descargado seco por la parte superior.Su velocidad de giro se puede regular entre 500 y 3.600 rpm de manera que sepuede aumentar la velocidad para tratar un caudal mayor, pueden trabajar con unmximo de 150 gal/min (34 m3/h). Se utilizarn dos equipos que se repartirn laproduccin de manera que si uno est en mantenimiento el otro pueda ocuparsede todo el caudal.

4.6.-SECADOSe usar una unidad de secado para eliminar toda el agua posible quequede en los cristales de cido ctrico tras la centrifugacin. Los cristales entrarnal secador con una humedad mxima de 5% y perdern agua hasta contener unmximo de 0,5% de agua.

4.7.-SECADOR DE LECHO FLUIDIZADOAunque el secador de tambor rotatorio tambin suele utilizarse para elsecado de cido ctrico, suele dar problemas de arrastre de polvos, por lo quefrecuentemente suelen tomarse otras alternativas, la ms comn es un secadorde lecho fluidizado.En este tipo de secador los cristales de cido ctrico se encontrarnfluidizados por el aire de secado. La mezcla slido-gas se produce casiinstantneamente y la transmisin de calor es muy efectiva. La alimentacin seintroduce, en este tipo de equipos, por la parte superior del lecho mientras que elproducto seco se va retirando por una zona cercana al fondo del lecho. Como lonico que interesa es secar superficialmente, el tiempo de retencin rondar los20 a 30 segundos, poco tiempo, lo que adems es beneficioso para el producto.

En los secadores industriales de cido ctrico la corriente de aire seintroduce en el aparato a 60C, se lleva la humedad del cristal que abandona launidad a 23C aproximadamente. Sera conveniente que el secador incorporaseun sistema de limpieza automtico para facilitar las tareas de mantenimiento. Porotra parte, en este tipo de secadores se necesita un sistema para separar el polvoque arrastra el gas, lo ms usual es utilizar un filtro de mangas que suele estarincorporado en la unidad. Tambin es importante que opere con seguridad yeconoma energtica, adems de tener fcil mantenimiento y control de lacontaminacin producida.

Imagen 2.6.1

4.7.1.-CIDO CTRICO ANHIDRO

PROPIEDADES FSICAS

Formula: C6H8O7Peso molecular: 92.13 g/molEnsayo de pureza 99.5% mnimoHumedad 0.5 % mximoMetales pesados Menos de 10 ppmArsnico Menos de 3 ppmCeniza Menos de 0.05%Punto de ebullicin: 153 oCConstante de Ionizacin: 8.2 x 10-4Calor de disolucin: 6,4 calCalor de combustin: 474,6 cal

4.8.-CRISTALIZADOREl objetivo es cristalizar una disolucin proveniente del evaporadorconcentrada al 67% y a 40C de temperatura. La disolucin entrar en elcristalizador donde encontrar vaco y se enfriar, evaporndoseespontneamente el disolvente, producindose sobresaturacin, lo que provocarel comienzo de la nucleacin y del crecimiento cristalino.La temperatura de equilibrio en el cristalizador es otro factor a tener encuenta: una cristalizacin por encima de los 37C dar como resultado cristales decido ctrico anhidro, que es lo que se busca, pero si se opera a menos de statemperatura se produce cido ctrico monohidratado. Son productos distintos porlo que es necesario controlar las variables para que se forme el anhidro.Se tomar como temperatura de cristalizacin 38C y se realiza un balancede materia para averiguar el rendimiento cristalino de la operacin, para lo cualser necesaria la curva de solubilidad. Seguidamente se presenta una curvaprocedente de la representacin de una tabla de valores encontrada en labibliografa:

5.-CONCLUSIONES

Del balance de masa:El rendimiento de cido ctrico extrado del jugo de limn es muy bajo, por lo cual puedo decir que no es conveniente realizar el proceso para la obtencin de cido ctrico.

Lo que se puede realizar en beneficio de la empresa en la conversin de cido ctrico a citrato clcico para venta a alguna planta que se dedique a extraccin de cido ctrico con instalaciones ya operativas.Para ello se ha realizado el diseo del reactor de lechada, junto con un serpentn para enfriamiento, ya que uno de los principales problemas por el cual no podan vender los efluentes lquidos es que estos salen a elevada temperatura.

BIBLIOGRAFIA

Tesis: PLANTA INDUSTRIAL DE PRODUCCIN DE CIDO CTRICO A PARTIR DE MELAZAS DE REMOLACHA Autor: Francisco Javier Rivada Nez Universidad de Cdiz MICROBIOLOGA INDUSTRIALUnidad VI Procesos IndustrialesFuente: www.google.com PROPUESTA DE MODIFICACIONES EN EL PROCESO INDUSTRIAL CITRCOLAAutor: Jorge Gustavo Perera PROCESO QUIMICO DE LOS ACEITES DE ORIGEN VEGETALFuente: www.google.com II Segundo Congreso Internacional De Plantas Medicinales YAromticasUniversidad Nacional de Colombia Sede Palmira HOJA DE DATOS DE SEGURIDAD ACIDO CITRICOQumica tcnica LTDA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA