Utilization of an agro-industrial waste coming from an edible vegetable oil refinery to produce toilet soap 

Vanessa Altomare¹*, Celeste Fernández¹ y Mario Rosi² 

¹Centro de Investigaciones Químicas. ²Laboratorio de Química Orgánica.
Facultad de Ingeniería, Departamento de Química Tecnológica, Universidad de Carabobo, Valencia, Venezuela. Telefax: 0241-8674828
valtomar@uc.edu.ve , valtomar@hotmail.com , cfernand@uc.edu.ve  

Abstract 

The purpose of this investigation is to design a feasible technical process to be implemented at industrial size to reuse spent whitening clays which are generated as sub products of the edible vegetable oil refining process in order to obtain a higher valuable product. The characterization of the clays as well as the synthesis of the toilet soap was done at the laboratory scale obtaining a palm oil content of (58.8102 ± 0.0007) %. Also, the more important properties of the oil, such as iodine index and saponification index were used to find the proper technique to the manufacture of the soaps by using these wastes as raw material. The selected technique to prepare the soaps at laboratory scale was inverse saponification and the results were used to design the soap manufacturing plant as well as to do the economical evaluation in order to determine the profits of the investment project. As a conclusion, the project is economically feasible, being the internal rate of return 32% and a payout time of two years from the plant startup. 

Key words: 

Spent clays, iodine index, saponification index, internal rate of return. 

Utilización de un desecho agroindustrial proveniente de una empresa refinadora de aceite comestible
para la producción de jabones 

Resumen 

La presente investigación esta enmarcada en el diseño de un proceso técnico factible a escala industrial para la reutilización, de las arcillas blanqueadoras agotadas, que se generan como residuos del proceso de elaboración de aceite comestible a partir de semillas oleaginosas, para obtener un producto de mayor valor agregado. La caracterización de las arcillas así como la síntesis del jabón de tocador se llevó a cabo a nivel de laboratorio, obteniéndose un contenido de aceite de palma de (58,8102 ± 0,0007) % y las propiedades más relevantes del aceite, como el índice de yodo, el índice de saponificación, los cuales permitieron determinar la técnica más adecuada de elaboración de jabones utilizando este desecho como materia prima. La técnica seleccionada para la manufactura de jabones a nivel experimental fue la saponificación inversa y con estos resultados se diseño la planta de fabricación de jabones así como el estudio económico para determinar la rentabilidad del proyecto de inversión. Se concluye que el proyecto es económicamente rentable, con una tasa interna de retorno del 32% y un tiempo de pago equivalente a dos años, a partir del arranque de la planta. 

Palabras clave: 

Resinas agotadas, índice de yodo, índice de saponificación, tasa interna de retorno. 

Introducción 

Las tierras blanqueadoras se utilizan a nivel industrial en procesos como la refinación de aceites vegetales para la remoción de los pigmentos que otorgan color a estos aceites, es decir, tienen una acción blanqueadora que se debe a las características químicas de las arcillas que les permite adsorber dichos pigmentos carotenoides [1]. Luego de su utilización, son dispuestas como desechos de proceso, colocándolas en tambores o en sacos para su posterior traslado a un relleno sanitario, según sea el caso, desperdiciándose de esta manera la carga de aceite que contienen y que pueden ser utilizados en otros procesos de manufactura de productos químicos [2]. Es por ello, que en el presente proyecto se evalúa la factibilidad técnica y económica de instalar una planta de fabricación de jabones de tocador a partir de estas arcillas agotadas, las cuales representan un desecho agroindustrial y con un alto contenido de materia orgánica [3]. Para el cumplimiento del objetivo se llevó a cabo la caracterización del desecho industrial motivo de estudio de este trabajo, conocido con el nombre de arcillas agotadas o desgastadas. En la caracterización de las arcillas se determinó el porcentaje de aceite de palma contenido en las mismas y las propiedades más relevantes del aceite, como el índice de yodo y el índice de saponificación. Posteriormente, se realizaron pruebas de laboratorio para determinar la técnica más adecuada de elaboración de jabones utilizando las arcillas agotadas como materia prima. A partir de la selección de la técnica, se efectuaron los análisis de los parámetros de calidad de los jabones sintetizados establecidos según las normas, se realizó un escalamiento para la aplicación a nivel industrial de la técnica seleccionada y se elaboró el diseño de una planta de fabricación de jabones. Finalmente, se realizó el estudio económico de la planta diseñada para determinar la rentabilidad del proyecto de inversión. La implantación de la planta de fabricación de jabones a partir de las arcillas agotadas permitirá el aprovechamiento de un desecho, colaborando con la minimización del impacto ambiental que genera la disposición final de estas arcillas, además de que las empresas aceiteras podrían ampliar su margen de ganancia con la venta del desecho o el desarrollo de este proyecto. 

Evaluación de las arcillas blanqueadoras agotadas 

Con la finalidad de determinar sus características y propiedades fisicoquímicas de manera seleccionar el tipo de jabón a fabricar, se recolectaron muestras de arcillas desgastadas en el relleno sanitario provenientes de la empresa refinadora de aceite de palma (Figura 1). Las muestras se captaron de acuerdo al tiempo de deposición y estas fueron a 5, 15, y 20 días en época de sequía y el número de muestras por día de ocho (8) dando un total de 24 muestras. Posteriormente se determinó la cantidad de aceite de palma pigmentado y no pigmentado contenido en las arcillas a través de una extracción sólido-líquido utilizando el equipo Soxhlet, haciendo uso de solventes como el hexano en el caso del aceite no pigmentado y etanol en el caso del aceite pigmentado [4]. Seguidamente al aceite total extraído de las arcillas se le realizaron análisis para determinar las propiedades más relevantes del mismo como el índice de yodo e índice de saponificación según el método oficial AOCS [5], este último muy importante para la determinación de la cantidad de álcali necesaria para saponificar la fracción lipídica presentes en las arcillas agotadas [6]. 

Figura 1. Proceso de refinación del aceite de palma.

Ensayos experimentales  para la elaboración de jabones 

Se realizaron 9 técnicas diferentes, cada una para mejorar la anterior, éstas fueron designadas con letras desde la A a la I para efectos de organización de los datos recogidos durante toda la fase experimental. Cabe destacar, que a la hora de referirse al nombre de las diversas técnicas, se utiliza el término saponificación directa en los casos en que las grasas se añaden al álcali previamente calentado, y se utiliza el término saponificación inversa en los casos en que ocurre de manera contraria la adición, es decir, cuando el álcali se dosifica a las grasas previamente fundidas. En la Tabla 1 se describen cada una de las técnicas. 

El tipo de jabón se procedió a elaborarlo a nivel de laboratorio luego de estudiar los diferentes métodos de saponificación existentes, escogiéndose finalmente el método de saponificación de grasas neutras [7], sin embargo, fue necesario realizar modificaciones al método, como la adición de otro tipo de grasa como el sebo, para favorecer la dilución de las arcillas y la homogeneidad de la mezcla en el proceso de saponificación. Así mismo, se requirió la adición controlada de etanol para evitar el endurecimiento de la mezcla durante el proceso. Por otra parte, se decidió no eliminar la glicerina del jabón, ya que el lavado de la mezcla con una solución saturada de NaCl afectaba considerablemente a su dureza. 

Diseño del proceso de producción 

Realizada la fase experimental del proyecto, se procedió a diseñar el proceso de fabricación de jabones a nivel industrial adecuado al tipo de jabón seleccionado y las técnicas utilizadas en el laboratorio para determinar la factibilidad de la implantación de una planta de fabricación de jabones. Para ello se hizo un estudio de las tecnologías de elaboración de jabones a nivel industrial existentes que más se adecuara al tipo de materia prima a utilizar [9]. 

Seleccionada la tecnología aplicable al proceso, para conocer el mercado del jabón de arcilla en Venezuela se realizaron visitas a centros especializados como la OCEI (Oficina Central de Estadística e Información), para determinar la demanda del producto. Los datos encontrados en dicho centro, corresponden a los valores de estimación de la demanda futura de importación y exportación de jabones en Venezuela en los años comprendidos 2004-2013. Este estudio de mercado se enfocó en la disminución de las importaciones, con la finalidad de favorecer la producción nacional de jabón de tocador y a su vez permitir la implantación de la planta. Se investigó el precio de venta al público de los jabones de tocador, para realizar una estimación del precio de venta del producto. Con estos datos se determino la capacidad de la planta y el precio de venta final al consumidor [10]. 

Se realizó una descripción detallada del proceso de fabricación con las condiciones de operación requeridas para su funcionamiento, especificaciones de los equipos necesarios, su distribución en planta, para de esta manera realizar los balances de masa y energía necesarios para la determinación de la factibilidad técnica. 

Evaluación técnica y económica  de la implementación del proceso  de fabricación del tipo de jabón seleccionado con la finalidad de estimar la rentabilidad del mismo 

En el estudio económico de la implementación del proceso de fabricación de jabones, se estimaron los flujos monetarios correspondientes a ingresos y egresos tales como: la inversión inicial, costos operacionales, ingresos brutos, valor residual, impuesto sobre la renta y cuotas de amortización, y así determinar con estos datos la rentabilidad del proyecto. Para esta evaluación, se utilizaron los modelos de rentabilidad económica de valor actual, equivalente anual, tasa interna de retorno y tiempo de pago. Adicionalmente, se analizó la influencia sobre las variables como inversión inicial, tasa mínima de rendimiento, costos operativos y precio de venta del producto por medio de un análisis de sensibilidad [11]. 

Análisis y Discusión de Resultados 

Respecto al índice de yodo del aceite extraído, debe encontrarse en un rango de (44-54) centigramos de yodo por gramo de grasa, el valor obtenido es de 46,1 cg de yodo/g grasa (Tabla 3), lo que indica que el índice de yodo se encuentra dentro del rango establecido para el aceite de palma. Este valor representa una medida promedio de las instauraciones presentes. 

La proporción de la mezcla aceite de palma-sebo fue seleccionada en función de la homogeneidad de la mezcla, resultando como óptima, la correspondiente a la proporción de 50% aceite de palma y 50% sebo, como materia prima en la hidrólisis básica para la producción del jabón. El índice de saponificación determinado a esta materia prima se muestra en la Tabla 4, parámetro requerido de álcalis para este proceso de transformación química. 

En el análisis físico y sensorial de los jabones sintetizados, los mejores resultados de las variables evaluadas, se obtuvieron con la técnica “G” (Tabla 5). Esta consiste en adicionar el solvente (etanol) antes del proceso de saponificación en donde se desprenden y solubilizan parcialmente las grasas contenidas dentro de las arcillas blanqueadoras mejorando y acelerando la reacción de saponificación. El proceso del lavado de la mezcla con una solución saturada de NaCl, afecta considerablemente la dureza y apariencia del producto, por tanto se decidió no efectuarlo. Adicionalmente, en el proceso de fabricación a escala industrial se evita el uso de equipos automatizados para la recirculación del solvente durante la etapa de saponificación en el tanque reactor, los cuales poseen costos muy elevados. 

De la relación anual-demanda futura estimada, se tiene la capacidad máxima de producción de 252.873 Kg/año. El proceso de fabricación de jabones a nivel industrial diseñado consta, de las siguientes etapas: recepción de materia prima, precalentamiento, reacción de saponificación, recuperación de etanol, secado de la pasta, desmoldado y molienda, laminado, extrusión, troquelado, empaque y almacenamiento como se observa en la Figura 2. 

Figura 2. Diagrama del proceso para la elaboración de jabones.

Una vez obtenido el jabón de tocador, se determinaron los parámetros de calidad según lo establecido en la normativa, que se muestran en la Tabla 6, los cuales se encuentran dentro de dichos parámetros. 

Luego de analizar los resultados obtenidos en el estudio económico de la implantación de una planta de elaboración de jabones a partir de arcillas desgastadas, planteado como proyecto de inversión, se puede afirmar que la alternativa sugerida es rentable desde el punto de vista económico, basado en los resultados de los modelos de rentabilidad desarrollados, en los que se obtuvo valor actual y equivalente anual mayores a cero. Adicionalmente, la tasa interna de retorno calculada tiene un valor del 32%, la cual es considerablemente mayor que la tasa pasiva estipulada por el Banco Central de Venezuela del 13,47% de interés, como se observa en la Figura 3. El capital de inversión se recupera para el segundo año de vida de la empresa, esto afirma que el proyecto planteado es rentable desde el punto de vista económico. 

Figura 3. Valor actual-equivalente anual-tasa interna de retorno.

Conclusiones 

Entre los resultados más relevantes de la investigación se obtuvo que el porcentaje total de aceite extraído de las arcillas agotadas fue 60%, la técnica seleccionada para la manufactura de jabones a nivel experimental consistió en la saponificación inversa con etanol como solvente antes del proceso, sin agua y sin lavar. Se logró sintetizar un jabón duro con una alta propiedad exfoliante que cumple con los parámetros de calidad establecido en las Normas COVENIN, el diseñó la planta es factible técnicamente y el proyecto de inversión es económicamente rentable, con valor actual, equivalente anual mayores que cero y una tasa interna de retorno mayor a la tasa mínima de rendimiento con un tiempo de pago equivalente a dos años, a partir del arranque de la planta.