Colegio de ingenieros del estado Nueva Esparta

Compartiendo conocimientos parte I.

Les cuento que estoy elaborando un proyecto que escogí para una materia llamada Diseño de Plantas I, el cual incluye el proceso para la elaboración de jabón antibacterial. Lo considero de gran importancia, debido a la necesidad de lavarse las manos como medida sanitaria para evitar el contagio de Covid-19. Por este motivo, decidí compartirlo con ustedes. Espero les agrade y puedan beneficiarse de este proceso.

 

 

Jabón

 

Los jabones y detergentes pertenecen a la misma familia de productos químicos llamados agentes tensoactivos o surfactantes. Esta familia de productos presenta, entre otras, la propiedad de reducción de la tensión superficial del agua para remover la suciedad, poder humectante y emulsionante, y la capacidad de formar espuma y eliminar los residuos.

 

Los jabones provienen ya sea del proceso de saponificación de cuerpos grasos (triglicéridos) de origen vegetal o animal, o de la neutralización de ácidos grasos. Los ácidos grasos de origen animal o vegetal, tienen la siguiente estructura general:

Donde R es una cadena carbonada de estructura y longitud variable dependiendo del tipo de ácido que se utilice y su origen.

Para que un ácido dé como resultado una sal, ésta deberá perder el hidrógeno de los OH- que será sustituido por un ion que ocupe su lugar con la misma carga. En este caso el Na+ (catión de sodio) sustituirá al hidrógeno H+ (carga +1).

Se puede afirmar que el jabón tiene la siguiente estructura general:.

Y como ocurre con todas las sales, se disolverá en agua.

La molécula de jabón la conforman una parte polar, también denominada parte hidrófila con afinidad por el agua y otra parte apolar o hidrófoba que hace que el jabón sea soluble en agua aceite o grasas. 

Cuando entra en contacto con el agua, la molécula se polariza y orienta su parte hidrófila hacia el agua y la hidrófoba hacia la grasa encapsulando a la grasa. De esta manera queda la grasa en el interior y puede ser eliminada con el agua.

La fabricación del jabón se fundamenta en la saponificación, que le da nombre a la reacción química que se produce entre un cuerpo graso y una disolución alcalina, generalmente de sosa o de potasa, obteniéndose como resultado jabón y como subproducto glicerina. Se denominan lípidos saponificables a todas aquellas sustancias naturales de origen animal y vegetal que contienen ácidos grasos en su estructura interna (triglicérido).

Variedades de jabón.

Se clasifican de la siguiente manera:

 

Jabones blandos: son aquellos tratados con hidróxido de potasio (KOH). Tienen la particularidad de disolverse muy rápido.

Jabones duros: obtenidos con hidróxido de sodio (NaOH), son más duraderos. Se utilizan en el hogar para el lavado de prendas de vestir.

Jabones de tocador: pueden ser tratados con hidróxido de sodio o de potasio, y poseen alto contenido de glicerina y/o cualquier otro aceite vegetal, y en ocasiones se le añaden perfumes. Se utilizan para la higiene corporal.

Jabones medicinales o terapéuticos: pueden contener hidróxido de sodio o de potasio, glicerina y otras sustancias con propiedades terapéuticas.

Es importante tener presente que, debido al avance de la tecnología, hoy día existen jabones para todos los gustos, con características particulares en cuanto a su presentación y uso.

 

Síntesis por saponificación de ácidos grasos.

 

En el caso de la saponificación de cuerpos grasos, los aceites y las grasas o sebos son atacados por una disolución de sosa caustica para la obtención de jabones duros o por una disolución de potasio para la obtención de jabones en mus o líquidos. Aparte del jabón, se forma a causa de una reacción química un producto secundario, la glicerina, que puede o no ser separada según la naturaleza del proceso de fabricación. Este proceso es utilizado tanto en los talleres de elaboración de jabón artesanal como en la industria.

En la elaboración artesanal, el mezclado de las materias primas se efectúa en cubas de madera o PVC manualmente, no se procede a la separación de la glicerina y el secado es al aire. Sin embargo, en la industria, los procesos están sistematizados y controlados mecánicamente.

El proceso de síntesis por saponificación de cuerpos grasos queda ejemplificado en la siguiente figura:

Síntesis por neutralización de ácidos grasos

 

La neutralización de ácidos grasos se efectúa igualmente con la ayuda de una disolución de sosa o de potasio y conduce al mismo tipo de jabón que por vía de saponificación. El producto final está, sin embargo, exento de glicerina. Se debe tener en cuenta que los ácidos grasos de salida se obtienen por hidrólisis de cuerpos grasos, lo que implica una etapa suplementaria. La glicerina que se forma es separada por arrastre de vapor y destilación

Esta vía de síntesis no es generalmente aplicable para grandes volúmenes de producción. Tampoco será caso de estudio en este trabajo.

Para información, las instalaciones de producción son similares, incluso idénticas, a las instalaciones de saponificación. Se debe saber que es a menudo más fácil ajustar, por esta vía de síntesis, las propiedades buscadas para el jabón a comercializar y de asegurar una calidad constante en el producto finalizado.

 

Materias Primas

Las materias primas que vamos a emplear para la producción de jabon son:

Aceite de palma

Sebo

EDTA

Gluconato de clorhexidina

H2O

Soda caustica

Aceite de palma:

Cuatro materias primarias intervienen en el proceso de fabricación del jabón; sin embargo en este proyecto incluiremos el Gluconato de Clorhexidina como agente virucida y el EDTA como estabilizante.

·         El aceite de palma: es un aceite de origen vegetal que se obtiene del mesocarpio de la fruta de la palma. Es el tipo de aceite con más volumen de producción, sólo superado por el aceite de soja. El fruto de la palma es ligeramente rojo, al igual que el aceite embotellado sin refinar. El aceite crudo de palma es una rica fuente de vitamina A y de vitamina E.

·         El sebo es la grasa cruda de ternera o cordero, especialmente la dura que se encuentra alrededor del lomo y los riñones. Tiene un punto de fusión de entre 45 y 50°C y de congelación entre 37 y 40°C. Su bajo punto de fusión significa que es sólido a temperatura ambiente pero funde fácilmente a temperaturas moderadas, como al vapor.

·         H2O, El agua para los jabones tiene la función de disolver la soda caustica y ser el medio donde se produce la saponificación. Dependiendo de las recetas, el agua a agregar esta entre 35% y 45% al comienzo de la preparación.

·         El hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido sódico o hidrato de sodio, también conocido como soda cáustica (en casi toda Hispanoamérica) o sosa cáustica (en México y España), es un hidróxido cáustico usado en la industria (principalmente como una base química) en la fabricación de papel, tejidos y detergentes.

·         El Gluconato de Clorhexidina es un agente antimicrobiano tópico que pertenece al grupo de las biguanidas, al igual que el clorhexidina el acetato de clorhexidina. Esta molécula es soluble en agua y en alcohol, lo que aumenta su efectividad. Suele usarse antes de las intervenciones quirúrgicas en la preparación de la piel del paciente, donde tiene presentación como jabón antimicrobiano, cuyo mecanismo de acción es la disrupción de la pared celular y precipitación de las proteínas celulares. En este caso presenta un amplio espectro de acción (más efectivo contra las bacterias gram positivas que gram negativas u hongos) y es un buen virocida.

·         El ácido etilendiaminotetraacético o EDTA, es una sustancia utilizada como agente quelante que puede crear complejos con un metal que tenga una estructura de coordinación octaédrica. Coordina a metales pesados de forma reversible por cuatro posiciones acetato y dos amino, lo que lo convierte en un ligando hexadentado, y el más importante de los ligandos quelatos.

·         La salmuera en el caso de una recuperación de la glicerina, agua salada preparada por disolución de 10 a 20% en peso de cloruro de sodio NaCl: sal marina.

·         Los aditivos, carbonato de sodio, silicato de sodio, colorante, perfumes, etc… cuya utilización depende de la calidad y del tipo de jabón que se quiera obtener.

Las características esenciales de un jabón son su poder para hacer espuma, su poder limpiador, su consistencia, su velocidad de disolución en agua y la estabilidad de su espuma. Estas características dependen, principalmente, de la naturaleza y de la calidad de las grasas utilizadas, y en cierta medida del proceso de fabricación, del modo de solidificación, enfriamiento, refinado y acabado.

 

Fabricación del Jabón

La fabricación de jabón comporta 4 etapas, a saber.

La concepción de la línea de fabricación y su capacidad de producción deben ser establecidas en función de los objetivos comerciales claramente identificados. Éstos pueden proceder sólo de un análisis fino de mercado, de la demanda solvente y de las actitudes de los consumidores. De modo que, un jabón de uso doméstico, no requiere el mismo grado de acabado que un jabón de tocador o de limpieza, o un jabón de baño de aseos públicos con uno de alta gama. Incluso, ciertas etapas de fabricación pueden ser simplificadas o hasta ignoradas. Estos factores afectan al coste de fabricación del jabón y, por tanto, es vital examinarlos con el objetivo de realizar una elección en lo que concierne a la tecnología y la capacidad de producción.

 

Tratamiento de grasas

Decoloración y desodorización:

La mayoría de los aceites y grasas de buena calidad no necesitan decoloración, solo el aceite de palma, y en menor medida los sebos, requieren de una decoloración en el caso de una fabricación de jabón de tocador a partir de materias primas de segunda clase.

La decoloración o blanqueamiento de aceites y grasas se hace generalmente:

·         Por trituración en caliente del aceite con una tierra del tipo bentonita, seguida de una filtración y una elevación de la temperatura para eliminar la humedad.

·         Por oxidación, realizada por calentamiento del aceite y paso de una corriente de aire caliente a alta temperatura (90 a 110ºC).

 

Proceso de Saponificación

Saponificación: proceso en frio

El proceso en frio es un proceso discontinuo, por lote, el más elemental. Consiste en añadir gradualmente a las grasas en una cuba de saponificación, la cantidad de disolución de sosa (aproximadamente un 32% en peso) justa y necesaria para asegurar una saponificación completa. La mezcla se mantiene con agitación vigorosa durante el entorno de 2 horas y los colorantes, perfumes y aditivos, generalmente, se añaden en este estado. El proceso no incluye la eliminación de impurezas ni la separación de la glicerina que se forma.

El jabón bruto es retirado tan pronto como la masa de la mezcla se espesa, y se vierte como tal en los moldes de enfriamiento donde el proceso de saponificación continúa durante varios días. El jabón bruto (con contenido de ácidos grasos del 58%) es desmoldado, cortado en bloques y dirigido para la línea de acabado. Es recomendable filtrar las grasas para evitar la formación de impurezas e utilizar 1/3 de aceite de copra o de palmiste para favorecer la emulsión y facilitar la saponificación. El proceso requiere de un gran dominio del proceso de saponificación.

Saponificación: proceso por semi-ebullición

 

El proceso por semi-ebullición se distingue del proceso en frío por el calentamiento. Un sistema de tuberías mantiene la mezcla a saponificar a 70-90ºC para acelerar y completar la reacción de saponificación. Los colorantes, perfumes y aditivos se agregan al finalizar este proceso para evitar la posible evaporación de estos.

El proceso permite añadirle las cantidades de sosa durante el curso de saponificación antes de la extracción del jabón bruto. Permite igualmente el reciclaje de desechos de producción, una mejor incorporación de los aditivos y una buena selección de materias primas. La saponificación es generalmente más completa y el tiempo de maduración del jabón bruto en los moldes de enfriamiento ligeramente menor.

Estas diversas ventajas, combinadas con el ciclo de producción más cortos y los costes de producción razonable, hacen de un proceso por semi-ebullición un proceso flexible. A menudo se utiliza en la producción a escala industrial de jabón de gama baja y con amplia distribución.

Al igual que el proceso en frio, el proceso por semi-ebullición no requiere agua en el proceso

 

La saponificación: proceso de ebullición completa

El proceso por ebullición completa se distingue del proceso por semi-ebullición por las diversas operaciones posteriores al proceso de saponificación, como la extracción de la glicerina, el de la lejía, la recuperación de la salmuera, etc. La temperatura a la cual la mezcla de se mantiene bajo fuerte agitación es superior a 80ºC, permitiendo la utilización de una gama más amplia de grasas.

A continuación, es añadida la concentración de electrolitos (disolución de sosa), la agitación se realiza con vapor vivo y se mantiene a uno 85ºC. Tras la saponificación y transcurrida una hora, la masa es sometida al lavado con salmuera, para eliminar las impurezas de la masa jabonosa y recuperar la glicerina obtenida como subproducto. Se deja reposar y madurar la mezcla durante unos 45 minutos. En este tiempo, se forma una fase superior constituida de jabón suave/liso, constituye ¾ de la mezcla, contiene aproximadamente un 30% de agua y está compuesto por un contenido de ácidos graso del entorno de 63%, y una fase inferior constituida de jabón negro/bruto, constituye ¼ de la mezcla, contiene aproximadamente un 60% de agua y está compuesto por un contenido en ácidos grasos del entorno del 35%.

El jabón suave, destinado principalmente a la fabricación de jabón de tocador de buena calidad y de limpieza, es extraído y dirigido a la línea de secado y acabado.

Con el fin de mantener un nivel de actividad correcto en el conjunto de las líneas de fabricación, el proceso por ebullición completa requiere un número importante de equipos, así como una gran superficie de trabajo. Estos factores originan de manera sustancial las inversiones de partida, de tal forma que este tipo de proceso solo se justifica en el caso donde se prevé comercializar volúmenes importantes de jabón de alta gama.

El proceso por ebullición completa supone la recuperación de la glicerina como subproducto. Se estima sin embargo que hacen falta tratar de 1 a 2 toneladas por día de grasa para que la operación esté justificada económicamente.

El proceso presenta una gran flexibilidad y ha demostrado gran valía en la industria ya que permite fabricar una amplia gama de jabones, desde jabón de uso doméstico común a un jabón de tocador de alta gama.

Este proceso es el que se ha elegido para el estudio y análisis en este proyecto.

 

La saponificación: proceso continuo

Un cierto número de procesos permiten la fabricación de jabón liso en continuo, con recuperación de la glicerina. Estos procesos tienen, generalmente como fundamento, un sistema de bombas dosificadoras que alimentan, en continuo, el reactor de saponificación de materias primas (grasas, disolución de sosa, electrolitos, agua) en proporciones determinadas, esta etapa es seguida de un lavado a contracorriente y de una separación (normalmente por centrifugación) de jabón negro (parcialmente reciclado) y del jabón suave o liso.

Estos procesos son a menudo automatizados y emplean técnicas de vaporización, de maceración y otras, en el reactor adecuado.

Algunos conceptos de los procesos continuos, tales como el lavado a contracorriente o la separación por centrifugación, pueden ser aplicados en el caso de los procesos discontinuos para acelerar los ciclos de producción.

Los procesos continuos aportan rapidez de ciclo de producción (algunas horas), ahorrando espacio y energía, disminuyendo las pérdidas y reduciendo la necesidad de personal cualificado. Por el contrario, solo son rentables generalmente para producciones superiores a 1 t/h (>6000 t/año), lo que necesita una inversión previa importante.

 

Enfriamiento y secado

Una vez la saponificación ha concluido, hay que convertir el jabón obtenido, bruto y suave, en jabón comercial. Esto se produce en la etapa de enfriamiento y de secado, donde se da al producto final la consistencia y la dureza requerida.

El jabón bruto da lugar a un jabón barato de uso doméstico de calidad inferior, para un uso doméstico (el denominado comúnmente “jabón verde”), esto es porque no es necesario someterlo a ningún proceso de secado, aunque tenga un porcentaje de humedad del 35%, gracias a que tiene la consistencia adecuada para que, tras la extrusión, se mantenga en la forma deseada.

Sin embargo, la pasta jabonosa suave sí necesita secado previo a su fabricación, aunque su porcentaje de humedad sea inferior al del jabón bruto (30% Hum.); ya que un jabón de tocador o limpieza sufre un secado hasta que solo contenga un 14% e incluso un 12% de agua (de 86 a 88% de ácidos grasos).

El enfriamiento y el secado forzado son generalmente utilizados para el acabado de jabón suave (liso). Dos métodos son comúnmente empleados:

·         El enfriamiento haciendo pasar el jabón proveniente de la cuba o del reactor de saponificación a una serie de rodillos enfriados; a continuación, el jabón solido es arrastrado a un siguiente rodillo en forma de viruta que son secadas en una cámara o túnel de aire caliente.

·         El secado al vacío por pulverización del jabón líquido es una cámara de expansión (atomizador “vacuum spray dryer”). Esta alternativa permite el enfriamiento y el secado simultaneo del jabón líquido hasta la concentración deseada de ácidos grasos y de agua. Esta técnica tiende a suplantar los otros métodos de secado en las industrias de producción de jabón modernas.

El enfriamiento y secado forzado reducen radicalmente los ciclos de producción. Constituyen sin embargo una etapa costosa que sigue siendo opcional. Su relevancia depende de la disponibilidad y del coste del agua de enfriamiento y la energía, y de la repercusión posible de estos costes en el precio de venta, teniendo en cuenta el tipo de jabón comercializado y el mercado al que va dirigido el producto.

Los jabones de tocador necesitan, siguiendo el método elegido, un secado repetido para poder responder a las normas de calidad.

En las industrias de jabón modernas, el jabón de limpieza sigue generalmente el mismo circuito que le jabón de acabado tocador, pero el secado sin embargo es acortado.

 

Acabado

Una vez secado, el jabón obtenido en forma de bloques, virutas, copos o lentejuelas tras el modo de enfriamiento y secado utilizado, es dirigido hacia la línea de acabado que conferirá al jabón comercial su aspecto final. Distinguiéndose:

·         El jabón de limpieza es sometido a un baño de perfume concentrado. Las virutas procedentes de los rodillos o de la máquina de extrusión se hacen pasar por un baño de aditivo antes de ser empaquetadas.

·         El jabón de tocador necesita un acabado más minucioso. El jabón en forma de virutas es introducido en el mezclador-amasador y mezclado con los aditivos, colorantes, perfumes, cargas, antioxidantes, el procedimiento permite una homogeneización perfecta de la mezcla, así como un cambio en su estructura cristalina lo que mejora sus propiedades para formar espuma. La operación puede ser repetida si es necesario. Después del amasado, el jabón se lleva a una tolva que alimenta una extrusora donde se somete a un proceso de extrusión. La máquina de extrusión puede ser de tipo simplex, dúplex y triplex (de único paso, doble o triple) para mejorar y perfeccionar la homogeneización del jabón. La extrusora puede igualmente trabajar en vacío para eliminar la presencia de aire y completar el secado. El jabón extruido es a continuación cortado, frecuentemente moldeado, estampado y embalado.