División de Ciencias Básicas e Ingeniería

Ingeniería Química

Laboratorio de Procesos y Diseño III

DESARROLLO DE UN PLASTICO BIODEGRADABLE A PARTIR DE PROTEINA AISLADA DE SOYA.

PLASTICOS VERDES

ALUMNOS:

Martínez Calderón Erika Puc Barbosa Jorge

Rodríguez Rosas Sonia

México D. F. a 28 de Marzo de 2007

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD AAUUTTÓÓNNOOMMAA MMEETTRROOPPOOLLIITTAANNAA UUNNIIDDAADD IIZZTTAAPPAALLAAPPAA

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RESUMEN EJECUTIVO

A partir de un estudio de mercado y de normas actuales referentes al uso de plásticos para el empacado de alimentos a nivel nacional e internacional, se estableció que existe un gran potencial para la producción y comercialización de plásticos “verdes” biodegradables y compostables, en sustitución de plásticos obtenidos de derivados del petróleo. Estos plásticos “verdes”, por lo general usan como materia prima estructural a aislados proteicos obtenidos de granos como la soya y el maíz, y para proporcionarles propiedades funcionales parecidas a las de los plásticos tradicionales, se mezclan con plastificantes y entrecruzantes hidrofóbicos, para lograr un nivel adecuado de flexibilidad, resistencia a la tensión y permeabilidad a vapor de agua. La tecnología de producción de plásticos verdes es, en términos generales, más sencilla que la de plásticos tradicionales, y es relativamente sencillo reconvertir plantas industriales tradicionales para su producción. Un estudio de factibilidad arrojó que tanto la producción de plásticos verdes a partir de proteína aislada de soya, así como de maíz, usando como plastificante glicerol y ácido esteárico (como material de entrecruzamiento), permiten tener un buen margen competitivo contra los plásticos tradicionales. Además, se logran ventajas comerciales como el de cumplir con las normas de empaques para productos de exportación. Como punto de partida, se estimó que el tamaño de mercado será de 8500 toneladas anuales (1400 kg/h), en base a la demanda de los plásticos para envases y empaques. Utilizando como fuente de información datos recientes del INEGI, y haciendo un análisis cuantitativo por puntos, se dedujo que la ubicación de la planta debe ser en la ciudad de san Luis Potosí, evaluando el costo de terreno necesario de acuerdo a las proporciones de la planta.

Para elaborar el producto se han desarrollado los balances de materia y energía, así como el diseño y dimensionamiento de la planta, utilizando equipos actuales y con alta tecnología, también se han evaluado económicamente cada unos de los equipos y accesorios para determinar el costo de la planta. A su vez, obtenemos el número de trabajadores y salarios correspondientes.

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INDICE RESUMEN EJECUTIVO PAG INTRODUCCIÓN 2 1. PARTE 1 1.1. JUSTIFICACIÓN 4 1.2. OBJETIVOS 5 1.3. ANTECEDENTES 5 1.4. GENERALIDADES 6 1.5. ESTUDIO DE MERCADO 8 1.5.1. Consumo Mundial de Plásticos 8 1.5.2. Oferta y Demanda de plásticos 9 1.6. CAPACIDAD DE LA PLANTA 10 1.7. UBICACIÓN DE LA PLANTA 10 1.7.1Método Cuantitativo por puntos 10 1.8. LEJISLACIÓN AMBIENTAL Y NORMAS 12 2. PARTE 2 2.1. OBJETIVOS EXPERIMENTALES 13 2.2. ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS 13 2.3. EXPERIMENTACIÓN 14 2.3.1. Materiales 14 2.3.2. Diseño experimental 15 2.3.3. Formación de películas 15 2.4. RESULTADOS EXPERIMENTALES 16 2.4.1. Análisis estadístico 16 2.4.2. Pruebas cualitativas 16 2.4.3. Pruebas mecánicas 16 2.4.4. Características morfológicas 18 2.5. CONCLUSIONES DE LA PARTE EXPERIMENTAL 18 3. PARTE 3 3.1. DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA PLANTA 19 3.1.2. Balances de materia 22 3.1.3. Diseño de equipos 22 3.1.4 Balances de energía 28

3.2. EVALUACIÓN ECONÓMICA 29 3.2.1. Costos de operación 32 3.2.2. Calculo de TIR y TREMA 34 3.3. DESARROLLO SUSTENTABLE 34 3.4 SEGURIDAD EN LA PLANTA 34 3.5 CONCLUSIONES 35 3.11 BIBLIOGRAFÍA 35 APENDICE A 36 APENDICE B 37 APENDICE C 37 APENDICE D 38 APENDICE E 39 APENDICE F 42 APENDICE G 42

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INTRODUCCIÓN

En la actualidad, la mayor parte de alimentos y bebidas vienen envasados en plásticos como el polietileno. Estos envases protegen al producto, además de ser baratos, atractivos y duraderos; el problema con estos materiales, es que se fabrican a partir de derivados del petróleo, cuyas fuentes no son renovables.

Para comprender cómo participan los envases y los embalajes en la problemática del medio ambiente es necesario conocer las funciones que éstos desempeñan en la vida diaria de los consumidores. En el presente proyecto se plantea una nueva alternativa para reemplazar algunos plásticos, utilizados en la industria de embalaje de alimentos, como el polietileno de baja densidad (PBD) por unos que sean más amigables con el ambiente cuya materia prima principal esté basada en una resina natural (proteína aislada de soya) y aditivos de fácil descomposición. Siguiendo por supuesto, las normas establecidas para aquellos materiales que se encuentran en contacto directos con alimentos.

1. PARTE 1 1.1. JUSTIFICACIÓN

Gran parte de la producción de plásticos en México es eliminada en forma de desechos. Uno de los más graves problemas asociados con los plásticos es su indestructibilidad. Es conocida por todos la presencia de bolsas, botellas y otros objetos de plástico en playas, ríos, lagunas y predios. Se estima conservadoramente que en el mundo, cada año, alrededor de 250 000 toneladas de plástico tienen como destino final el ambiente, donde se acumulan como basura.

Estos objetos plásticos que están por todas partes, no son biodegradables. Debido al gran tamaño de sus moléculas, los microorganismos bacterianos, responsables de la degradación de muchos de los desechos sólidos, son incapaces de atacar a los plásticos. Por otro lado, la combustión de los mismos puede desprender gases tóxicos, principalmente ácido cianhídrico y clorhídrico, de ahí que quemarlos no sea una solución conveniente para su eliminación.

El método más práctico para solucionar este problema es el reciclaje, proceso realmente sencillo, pero difícil de llevar a cabo por la falta de conciencia de la sociedad. Los esfuerzos para desarrollar polímeros y compuestos favorables al medio ambiente (biodegradables), han ganado un ímpetu significativo en años recientes como resultado de la preocupación mundial. La fuerza impulsora principal para desarrollar los plásticos biodegradables es la necesidad económica y ambiental, más que una curiosidad académica.

En búsqueda de una solución a los problemas ambientales que originan los plásticos se han desarrollado “plásticos verdes” a partir de materias primas renovables derivadas de productos agrícolas. Estos productos no son sólo biodegradables, sino también compostables, lo cual significa que se descomponen biológicamente por la acción de microorganismos y acaban volviendo a la tierra en forma de productos simples que pueden ser reutilizados por los seres vivos, es decir que reingresan al ciclo de la materia.

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1. 2. OBJETIVOS

• Desarrollar un plástico biodegradable a partir de proteína aislada de soya. • Caracterizar las propiedades funcionales del plástico verde desarrollado.

• Diseñar una planta para la elaboración de un plástico biodegradable.

1.3. ANTECEDENTES

El primer plástico se origina como resultado de un concurso realizado en 1860, cuando el fabricante estadounidense de bolas de billar Phelan and Collander ofreció una recompensa de 10.000 dólares a quien consiguiera un sustituto aceptable del marfil natural, destinado a la fabricación de bolas de billar. Una de las personas que compitieron fue el inventor norteamericano Wesley Hyatt. Si bien Hyatt no ganó el premio, su producto, patentado con el nombre de celuloide, se utilizó para fabricar diferentes objetos.

En 1909 el químico norteamericano de origen belga Leo Hendrik Baekeland (1863-1944) sintetizó un polímero de interés comercial, a partir de moléculas de fenol y formaldehído. Este producto podía moldearse a medida que se formaba y resultaba duro al solidificar. No conducía la electricidad, era resistente al agua y los disolventes, pero fácilmente mecanizable. Se le bautizó con el nombre de baquelita, el primer plástico totalmente sintético de la historia.

Los resultados alcanzados por los primeros plásticos incentivaron a los químicos y a la industria a buscar otras moléculas sencillas que pudieran enlazarse para crear polímeros. En la década del 30, químicos ingleses descubrieron que el gas etileno polimerizaba bajo la acción del calor y la presión, formando un termoplástico al que llamaron polietileno (PE). Hacia los años 50 aparece el polipropileno (PP).

Al reemplazar en el etileno un átomo de hidrógeno por uno de cloruro se produjo el cloruro de polivinilo (PVC), un plástico duro y resistente al fuego, especialmente adecuado para cañerías de todo tipo. Al agregarles diversos aditivos se logra un material más blando, sustituto del caucho, comúnmente usado para ropa impermeable, manteles, cortinas y juguetes. Un plástico parecido al PVC es el politetrafluoretileno (PTFE), conocido popularmente como teflón y usado para rodillos y sartenes antiadherentes.

Otro de los plásticos desarrollados en los años 30 en Alemania fue el poliestireno (PS), un material muy transparente comúnmente utilizado para vasos. También en los años 30 se crea la primera fibra artificial, el nylon. Su descubridor fue el químico Walace Carothers, que trabajaba para la empresa Dupont. Descubrió sustancias químicas que formaban polímeros que formaban hilos y podían tejerse. Al nylon le siguieron otras fibras sintéticas como por ejemplo el orlón y el acrilán.

En la presente década, principalmente en lo que tiene que ver con el envasado en botellas y frascos, se ha desarrollado vertiginosamente el uso del tereftalato de

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polietileno (PET), material que viene desplazando al vidrio y al PVC en el mercado de envases.

Si bien por sus características de peligrosidad la mayoría de los plásticos sintéticos no representan un riesgo para el ambiente, sí son un problema porque no pueden ser degradados por el entorno. De esta manera surgen los polímeros biodegradables (PBDs), que principalmente se han desarrollado como una iniciativa de las industrias química y plástica. Dada su similitud con los polímeros convencionales, los métodos estándar de transformación de polímeros pueden ser utilizados con los PBDs permitiendo una amplia gama de aplicaciones.

Su diferencia principal, cuando se les compara con los polímeros convencionales, radica en su estructura física y química, la cual permite que sean destruidos por microorganismos como hongos y bacterias en ambientes biológicamente activos, tan rápida y completamente como materiales orgánicos. Adicionalmente, los recursos renovables que se utilizan como fuente predominante en su manufactura juegan un papel crucial, además, el impacto ambiental es reducido dado que su producción disminuye el consumo de petróleo y reduce la emisión de los gases causantes del efecto invernadero, cuando su proceso productivo es comparado con la obtención de los polímeros tradicionales. Desde el punto de vista de desempeño, se pueden analizar los datos suministrados por los fabricantes, una vez implementadas diferentes aplicaciones.

EL desarrollo del mercado dependerá en gran medida de las condiciones marco de trabajo. Un marco de trabajo positivo cataliza el crecimiento y acelera las inversiones adicionales en pro de los materiales biodegradables y el crecimiento a escala. Tal como con las energías renovables, existen muchos argumentos para apoyar el ingreso de los biopolímeros al mercado. Las ganancias relacionadas con los PBDs se compara con alta favorabilidad al sector de las energías renovables (eólica, solar, fotovoltaica e hidrógeno). El mercado de los PBDs está creciendo sin el apoyo que se le dio a las energías renovables, y los productores de PBDs están respondiendo a este crecimiento incrementando sus capacidades de producción. 1.4. GENERALIDADES

En búsqueda de una solución a los problemas ambientales que originan los plásticos se han desarrollado plásticos biodegradables a partir de materias primas renovables, derivadas de plantas y bacterias. Hasta la fecha la biotecnología y las industrias agrarias se han esforzado en sustituir los plásticos tradicionales por otros de origen vegetal siguiendo tres líneas principales: conversión de los azucares en plástico, producción de plástico en el interior de microorganismos y cultivo de plástico en diversos tipos de cosechas agrícolas.

a) Plásticos a partir de bacterias

En respuesta a situaciones de estrés nutricional, muchas bacterias almacenan compuestos que utilizan como fuente de energía al carbón, y que se denominan Polihidroxialcanoatos (PHA). Estos son polímeros que pueden ser procesados en plásticos biodegradables. Una ventaja de esos polímeros es su rápida degradación en

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el ambiente al compararla con los plásticos sintéticos. Eso se debe a que muchos hongos y bacterias presentes en el ambiente (suelo, agua, aire) pueden utilizar esos polímeros como alimento. Además, estos bioplásticos presentan propiedades fisicoquímicas similares a las de los polímeros utilizados comúnmente, ya que pueden ser moldeados, inyectados y laminados.

Las bacterias pueden producir diferentes tipos de PHA, dependiendo del tipo y cantidad del sustrato (alimento) que se les proporcione. Ello es una gran ventaja, ya que permite a los científicos manipular la producción de PHA, dependiendo del uso que se le vaya a dar al plástico. Por ejemplo, se pueden producir plásticos rígidos o maleables, plásticos resistentes a temperaturas altas, ácidos o bases, plásticos cristalinos, impermeables al oxígeno, y hasta fibras plásticas para suturar heridas o tejidos internos.

Una forma de obtener estos bioplásticos es a partir de células de Azotobacter, una bacteria muy común en los campos argentinos. Para su fabricación se utiliza como sustrato melaza de caña de azúcar, un residuo agroindustrial que resulta barato en relación con otras fuentes carbonadas. Las bacterias se alimentan de esta sustancia orgánica y crecen en fermentadores. Cuando disminuye la cantidad de nitrógeno en los tanques de fermentación (situación de estrés), comienzan a acumular plástico como reserva dentro de su célula, de un modo análogo a como los mamíferos almacenan grasas o los vegetales, como la papa, guarda almidón. A los pocos días de fermentación, producen el equivalente al 80% de su peso seco en plástico (o polímero), luego se centrifugan y se rompen para extraer el poliéster.

b) Plásticos a partir de plantas modificadas genéticamente (Bofactorías)

En ocasiones los costos de producción de bioplásticos en bacterias son altos, debido a que los ingredientes que requieren las bacterias para nutrirse y producir los polímeros son caros. Los costos se elevan aún más al incluir el gasto de las instalaciones y el equipo necesarios para mantener los cultivos bacterianos. Impulsados por la necesidad de conseguir nuevas fuentes renovables de materia prima para la producción de plástico, los científicos pusieron en marcha distintos proyectos de investigación en plantas.

Fue así que se identificaron los genes de las bacterias que llevan la información para fabricar PHA y se los transfirió a distintas plantas mediante técnicas de ingeniería genética. Estas plantas producirían bioplásticos en grandes volúmenes, a partir de su propia fuente de nutrientes (como almidón y ácidos grasos), lo que reduciría significativamente los costos.

Los primeros intentos para producir PHA en plantas se realizaron en Arabidopsis thaliana (AT), planta modelo utilizada en estudios de genética vegetal, se tomaron los genes de la bacteria Alcaligenes eutrophus que producen polihidroxibutirato (PHB), un polímero del tipo PHA y se insertaron en la AT. La planta logró producir bioplástico, pero en muy bajas concentraciones. Posteriormente, los investigadores lograron aumentar 100 veces la concentración de PHB, y se observó que la producción de bioplástico no afectó a las plantas en su crecimiento, ni en otras características o funciones (contenido de clorofila, presencia de flores, etcétera).

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Se realizaron otros ensayos en soya, canola, maíz, algodón, alfalfa y tabaco. Los resultados demuestran la posibilidad de producir PHA en plantas en volúmenes atractivos para la industria, sin requerir instalaciones especiales, y sin generar efectos nocivos en los vegetales.

c) Plásticos a partir de polímeros naturales de plantas

Las materias primas agrícolas cuyo precio ha bajado considerablemente durante los últimos años, pueden servir para elaborar plásticos biodegradables con características técnicas fiables y a un precio accesible. La tecnología consiste básicamente en utilizar plantas naturales como maíz, soya y otros cereales, a los cuales se agregan aditivos especiales que se incorporan a la resina con el propósito de acelerar la degradación del producto.

1.5. ESTUDIO DE MERCADO

En México, la exportación del plástico tuvo una tasa de crecimiento medio anual de 13.4%, ocupando la posición 13 a nivel mundial en la tendencia de crecimiento de las exportaciones de estos productos.

Los principales compradores de las manufacturas de plástico son Alemania, Francia, Reino Unido y república Checa. El destino de las exportaciones mexicanas fueron, Estados Unidos y Canadá.

1.5.1. Consumo Mundial de Plásticos

La importancia actual de la industria del plástico se conforma por el crecimiento que ha tenido en el ámbito mundial. El aumento de consumo de éstos materiales, se muestra en la Tabla 1.1.

Tabla 1.1. Principales países consumidores de plástico. Consumo mundial de plásticos por país

(2005)

País kg / habitante

Alemania 194

Estados Unidos 186

Canadá 166

España 144

Italia 141

Francia 129

Japón 118

México 43

Brasil 38

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El consumo del plástico en los países industrializados se elevó de 100 kg/hab al año 1995 a 190 kg/hab en 2005. En México el consumo pasó de 34 kg/hab en 2002 a 43 kg/hab en el 2005. Los plásticos más utilizados en México se muestran en la Tabla 1.2.

Tabla 1. 2. Plásticos con mayor demanda en México. Plástico Nombre Capacidad

(miles de ton)

Producción

(miles de ton)

Importación (miles de

ton)

Exportación

(miles de ton)

Consumo (miles de

ton)

PP

Polipropileno

230

217

590

36

771

PET

Polietileno Tereftalato

990

903

76

289

690

PEAD

Polietileno de Alta Densidad

200

165

505

12

658

PEBD

Polietileno de Baja Densidad

309

280

290

5

565

PVC

Cloruro de Polivinilo

617

500

60

165

395

PS

Poli estireno

417

353

117

112

358

PEBDL

Polietileno Lineal de Baja Densidad

304

304

ABS

Acrilonitrilo Butadieno Estireno

200

180

48

83

145

Total

3’886

Como se puede observar en la tabla anterior, México no es un país autosuficiente, en cuanto a plásticos destinados a la industria del empaque de alimentos, pues cuya demanda no es cubierta, cayendo en la necesidad de importar poco menos del 50% de la producción anual. Por tal motivo se requieren alternativas que satisfagan a dichas demandas.

1. 5. 2. Oferta y demanda de plásticos

La demanda de productos de plástico se encuentra estrechamente vinculada con el crecimiento de la población. México ocupa el 17° lugar en el consumo de plástico a nivel mundial (2% del consumo mundial), y el segundo en Latinoamérica, con un consumo aproximado de 4.4 millones de toneladas al año.

Las principales ramas demandantes de manufacturas plásticas en México son: 48% de envase y embalaje, 23% Consumo, 11% para construcción, 6% Eléctrico y electrónico y otros 12%.

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El mayor porcentaje de los plásticos son para envase y empaque, los plásticos de este tipo son rígidos y flexibles que almacenan, protegen y están en contacto directo con el producto. Este sector es el más importante del mercado, cuyo consumo en el año 2005 fue 2.1 millones de toneladas, contribuyendo con el 10% (210 mil toneladas).

1.6. CAPACIDAD DE LA PLANTA

La capacidad de la planta se estima en base a la producción de polietileno en México y a la cantidad destinada para los envases y empaques.

La producción de PBD es de 280 mil toneladas anuales, de las cuales, el 3 % equivale a la capacidad de la planta, es decir 8500 ton/año.

1.7. UBICACIÓN DE LA PLANTA

La ubicación de la planta se debe localizar en base a las cercanías de las fuentes de la materia prima, del costo del transporte y la disponibilidad de la mano de obra entre otros aspectos. Se pretende ubicar la planta en la zona central y oriente del país, para llegar a esta conclusión se hizo un análisis por el método cualitativo por puntos.

1.7.1. Método cuantitativo por puntos.

Este método consiste en definir los principales factores determinantes de una localización, 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.

Al comparar dos o más localizaciones opcionales, se procede a asignar una calificación a cada factor en una localización de acuerdo a una escala predeterminada. Así calificaciones ponderadas permitirá seleccionar la localización que acumule el mayor puntaje. Para una decisión entre tres lugares el modelo se aplica como indica la Tabla 1.3.

CONSUMO 23%

48%

2%

AUTOMOTRIZ 4%

MUEBLES 4%

ELECTRICO

ENVASE Y EMPAQUE

INDUSTRIAL

ELECTRONICO 6%

CONSTRUCCION 11%

AGRICOLA 1% MEDICO

1%

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Tabla 1.3. Ponderación por estados. Factor Peso San Luis Potosí Guanajuato Querétaro

% Calificación Ponderación Calificación Ponderación Calificación Ponderación

Materia prima

35 8 2.8 9 3.15 6 1.5

Cercanía mercado

25 10 2.5 8 2 9 2.25

Clima 5 9 0.45 8 0.4 8 0.4

Mano de obra

25 10 2.5 7 1.75 8 2

Salario 10 9 0.9 9 0.9 6 0.6

TOTAL 100 9.15 8.2 6.75

De acuerdo a la tabla anterior, la mayor ponderación es en el estado de San Luis Potosí.

El Estado de San Luis Potosí ofrece al inversionista su privilegiada ubicación geográfica para incrementar intercambios de inversión, comercio y cultura, ampliar su participación con los países de América del Norte y Latinoamérica.

Su localización es ideal dentro de la República Mexicana, se halla equidistante de las ciudades de México, Monterrey y Guadalajara. Está comunicado por carretera y ferrocarril a los más importantes puntos del territorio nacional, en el Golfo de México con los puertos de Veracruz y Tampico, siendo este último el proveedor principal de la materia prima (DuPont, Altamira); en el Océano Pacífico con Mazatlán y Manzanillo, así como a las ciudades fronterizas de Brownsville, Mc Allen y Laredo, por las que se realiza un alto porcentaje de comercio exterior.

El Estado cuenta con una oferta amplia de mano de obra calificada; con experiencia industrial y un alto grado de adaptabilidad a las labores de manufactura. Los actuales niveles de salarios son inferiores a los de otras zonas industriales del país. Existen también sitios en donde se conjugan las actividades agrícolas, ganaderas, industriales y comerciales, lo cual constituye una ventaja para las industrias y sobre todo para la población trabajadora, por el nivel de abasto y consumo de los productos por los diversos sectores.

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1. 8. LEGISLACIÓN AMBIENTAL Y NORMAS Para que nuestro producto sea aceptado, debe cumplir con ciertas normas (mexicanas y extranjeras). La norma establecida por el congreso de los Estados Unidos en base a estándares de los plásticos degradables es la 102D Congreso: S.554. Esta norma fue propuesta por el Sen. J. Glenn, destacando lo siguiente:

Los productos plásticos abarcan una cantidad significativa de las 160.000.000 toneladas de basura sólida producidas en los Estados Unidos y el uso de los productos plásticos degradables hechos de materias agrícolas puede proporcionar un impacto positivo en solucionar el problema de la disposición inútil sólida.

La tecnología existe para desarrollar el plástico con material agrícola

degradable para el uso de empaquetado,

El uso de productos plásticos degradables con material agrícola nacionalmente producido, mejorará las posibilidades de empleo crecientes.

La legislación ambiental protege la salud de los consumidores mediante la prohibición tanto de los materiales y objetos que, en contacto con los alimentos, pueden ceder componentes en cantidades peligrosas para la salud humana como de la modificación sustancial de los alimentos, incluidas las características organolépticas. La FDA (Food and Drugs Administration), se encarga de regular el acondicionamiento de los alimentos, asegurando ningún daño a la salud pública y que los productos sean seguros. La migración es la cantidad de material, en este caso plástico, que puede pasar a los alimentos al estar en contacto con éstos y que puede suponer un peligro para la salud humana y provocar una modificación inaceptable de la composición de los alimentos. El límite de migración global y la lista de sustancias autorizadas por la FDA para entrar en contacto con los alimentos es relativa para los materiales y objetos plásticos, (Apéndice A). En las sustancias propuestas para el desarrollo los plásticos verdes no se presentan restricciones y niveles de migración, asegurando un producto confiable sin riesgo para la salud.

El desarrollo del sector también es impulsado por el firme respaldo de la comunidad europea quienes en la normativa EN 13432 de enero de 2005 incluyen un item especial para envases y embalajes “compostables certificados”. Dicha normativa, establece que durante la fase de lanzamiento los productos quedan exentos de la obligación de cuotas de recolección y reciclado; el primer país en ponerlo en práctica ha sido Alemania con el ánimo de impulsar la utilización de los bioplásticos. Nos encontramos entonces ante nuevas alternativas, que nos amplían el panorama de posibilidades sobre las cuales podemos trabajar hasta llegar a resultados interesantes, innovadores y futuristas.

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2. PARTE 2 (DISEÑO EXPERIMENTAL)

2.1. OBJETIVOS

• Establecer las relaciones apropiadas de los reactivos para la obtención del plástico.

• Caracterizar las propiedades funcionales del plástico verde desarrollado.

2. 2. ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS

Los bioplásticos constituyen uno de los avances de la industria del plástico más prometedores de los últimos tiempos. Su implantación en el sector de envases y embalajes ha arrancado con fuerza, y el creciente número de productos y aplicaciones pone de relieve las múltiples posibilidades de estos materiales. Desde su aparición, aproximadamente quince años, se predijo que los bioplásticos generarían una revolución crucial en las tendencias productivas de la industria plástica.

Las perspectivas de futuro de los envases fabricados a base de materias primas renovables (como azúcar, almidón, celulosa, patatas, cereales, melaza, aceite de soya, maíz, etc.), que son procesadas por organismos vivos (hongos, bacterias o algas), por lo que la contaminación es mínima en su producción, es biodegradable y es, por lo tanto, una alternativa sustentable al plástico derivado de combustibles fósiles que es el que utilizamos hasta ahora y que provoca el colapso en los sistemas de tratamiento de residuos. Además, el desarrollo de esta tecnología de futuro cuenta con el firme respaldo de la clase política.

Algunos programas están en curso en Francia, el más avanzado es el de la azucarera de Erstein, el Instituto de investigación para el Desarrollo (IRD) de Marsella y la Universidad de Montpellier, que han puesto una técnica de fabricación de plásticos biodegradables a partir del azúcar de betabel. Esta técnica puesta a punto por Yannick Combet-Blanc del IRD consiste primero en transformar la sacarosa de betabel, o sus constituyentes, la glucosa y la fructosa, en ácidos lácticos por fermentación bacteriana.

El equipo que dirige ha aislado dos cepas de bacterias dotadas de interesantes características. La primera, Bacillus thermoamylovorans, que está protegida por una patente, dispone de una capacidad de producción de ácido láctico elevada en condiciones de calor de 55 ºC, lo cual interesa particularmente a los industriales. La segunda está en fase de protegerse mediante patente. Las moléculas de ácidos se polimerizan luego en poliácidos lácticos (es decir se unen entre sí en largas cadenas) por proceso químico para formar una materia plástica biodegradable en el entorno y bioasimilable por organismos vivos.

Otra investigación reciente (Septiembre del 2005) es el del Químico Jorge A. Durán, del Centro de investigaciones Bonaventuriana de la Universidad de San Buenaventura California, el cual trabaja en la elaboración de un polímero biodegradable a partir de isocianato y el refuerzo o sustitución de este por almidón de yuca, materia prima de origen vegetal que provee las mismas características químicas sin alterar o aumentar la

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expansión polimérica. Para esta investigación se utilizaron diferentes almidones, de acuerdo con la variedad de yuca. Actualmente los esfuerzos hacia desarrollar los plásticos verdes favorables al medio ambiente y biodegradables para varios usos comerciales han ganado ímpetu significativo en años recientes. Aislantes de la proteína de soya han demostrado sufrir sensibilidad a la humedad y fuerza baja. Estas características han limitado su uso en la mayoría de los usos comerciales. Son también difíciles de procesar las hojas sin ningún plastificante. El plastificante comúnmente usado (glicerol) tiende a lixiviar en un cierto plazo siendo de esta manera dependiente del tiempo, que es altamente indeseable para los usos comerciales. Los objetivos de la investigación actual son reducir la sensibilidad de la humedad y mejorar simultáneamente las características extensibles de SPI por la incorporación del ácido esteárico sin afectar su biodegradabilidad.

2. 3. EXPERIMENTACIÓN

2. 3. 1. Materiales

Se utilizó la proteína aislada de soya (PAS) de partícula estándar, conteniendo como mínimo 90% de proteína base seca, (Apéndice B). La PAS fue adquirida en Nutrer S.A de C.V. (México D. F.); el Ácido Esteárico C18H36O2 (AE) grado técnico, el Glicerol C3H8O3 (G) y el Hidróxido de Sodio (NaOH), de Química Meyer (México D. F.).

Proteína Aislada de Soya (PAS) Glicerol

Acido esteárico

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2. 3. 2. Diseño experimental

El desarrollo del proceso se llevó a cabo a nivel laboratorio de la siguiente manera: el polvo de PAS fue pesado en una Balanza Analítica OHAUS, (10 gr) y mezclado con 100 ml de agua destilada. Se adicionó el plastificante en varias cantidades para cada muestra (Tabla 2.1) y se midió el pH de la solución, con un potenciómetro electrónico (Conductrinic, pH 130), manteniendo agitación constante. Para exponer los grupos funcionales de PAS se ajustó el pH de la solución a valores entre 10 y 12 con NaOH 1 M. La solución fue calentada en un baño maría manteniendo la temperatura a 80 º C por 20 minutos.

Al final de los 20 minutos el ácido esteárico fue adicionado a la solución y se agregó NaOH 1M nuevamente para ajustar el pH, y se mantuvo a la misma temperatura por otros 20 minutos.

Tabla 2.1. Diseño experimental de mezclas para elaborar las películas.

AA EE (( gg ))

GG ll ii cc ee rr oo ll (( mm ll ))

00 00 .. 44 00 .. 88 11 .. 66 22 .. 44

00 √√ √√ √√ √√ √√

22 √√ √√ √√ √√ √√

22 .. 55 √√ √√ √√ √√ √√ ** **

33 √√ √√ √√ √√ √√

** Relación optima 2. 3. 3. Formación de las películas Buscando minimizar las variaciones en espesor, en todos los casos se vació la misma cantidad de solución (70 ml) en una charola de 30 cm por 30 cm para formar las hojas. La charola se cubrió con una película de teflón PTFE (politetrafluoretileno). Se dejó secar a temperatura ambiente por 15 horas en una superficie nivelada. Las películas fueron separadas de la placa manualmente para determinar sus propiedades.

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Formación de películas plásticas

22 .. 44 .. RR EESSUU LLTTAADD OOSS EEXXPPEERRIIMMEENN TTAALL EESS 2. 4. 1. Análisis estadístico Se realizó un análisis estadístico para determinar el promedio del espesor de las películas plásticas. Las hojas fueron cortadas en la dimensión rectangular de 10 cm por 5 cm, con un Micrómetro FOWIER (0-25 mm + 0.001 mm) se tomó la lectura del espesor en 10 diferentes puntos de la película. Los valores del promedio de grosor de las películas plásticas fueron entre 0.07 mm y 0.12 mm. 2. 4. 2. Pruebas Cualitativas Estas pruebas se realizaron manualmente, las hojas plásticas se doblaron, estiraron y enrollaron. Las películas con 0 ml de G y 0 g de AE no resistieron ninguna de las tres pruebas, ya que fueron muy quebradizas. Al aumentar las cantidades de G y de AE, las cualidades de los plásticos fueron mayores. Las películas con mejores características fueron aquellas con 2.4 ml de G y 2.5-3 g de AE. 2. 4. 3. Pruebas Mecánicas A partir de la mejor relación encontrada entre los reactivos, se dispuso a realizar una variación en el pH con el objetivo de mejorar las características del plástico. Las características mecánicas de las películas fueron determinadas con un analizador de textura TA-XT2 en un solo sentido, fijando la variable distancia para todos los casos (Apéndice C). Los resultados se muestran en la Gráfica 2.1.

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Gráfica 2.1. Comparación de propiedades mecánicas entre películas biodegradables y película comercial.

La gráfica anterior describe el comportamiento de cada una de las películas realizadas con PAS, tomando como referencia una película comercial (P). Se pueden apreciar la comparación de las fuerzas resultantes, la muestra patrón (línea morada) soporta una mayor fuerza (45.7 N), y tiene características similares a la película B (43.5 N). Las pruebas A, D, y C soportan menor fuerza y tienden a romperse fácilmente.

Tabla 2.2. Resultados de las pruebas mecánicas realizadas a las películas. MUESTRA G

ML AE G

PH1 PH2 FUERZA (N)

DISTANCIA (MM)

AREA (NS)

P 45.743 -5.875 352.7

A 2.4 2.5 9.87 10.31 32.755 -0.642 13.76

B 2.4 2.5 11.2 11.1 43.521 -5.528 359.8

D 2.4 2.5 12.89 12.95 16.648 -3.322 32.86

C 2.4 3.0 10.51 10.16 6.920 -0.632 3.197

18

2. 4. 4. Características morfológicas La figura 2.1 muestra las fotomicrografía de las superficies de la película plástica, la foto (a) contiene PAS y 2.4 ml G. La foto (b) contiene PAS, 2.4 ml G y 3 g AE .

a) Plástico con PAS-G-AE (b) Plástico con PAS-G-AE

Figura 2.1. Fotomicrografía de la superficie de la película plástica (a) PAS-G-AE (2.4:2.5) y (b) PAS-G-AE (2.4:3.0).

Las fotomicrografías anteriores muestran la morfología de las superficies de las películas, se aprecia que al aumentar la cantidad de ácido esteárico (0.5 g) origina un plástico quebradizo, debido a que la función del A. E. es retirar el agua en exceso que el glicerol no pudo eliminar.

2. 5. CONCLUSIONES DE LA PARTE EXPERIMENTAL

La relación en masa entre los reactivos es 2.4 ml de Glicerol, 2.5 g de Ácido Esteárico y un pH de 11. 2.

El aumento en el pH afecta significativamente las características mecánicas del

plástico verde. El aumento de Ácido Esteárico, origina un plástico quebradizo.

19

PARTE 3. 3.1 DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA PLANTA. Se plantean aquí los balances de materia y energía, mediante los cuales se determinan las condiciones de entrada y salida involucradas en cada uno de los equipos utilizados. También se describen los equipos del proceso, evaluación económica y los accesorios que conforman la planta. El diagrama de proceso (Fig 3.1) se describe a partir del mezclador (M) que esta en contacto con las corrientes de la materia prima (S4, S5, S6, S7). Se mezcla por 20 minutos para desnaturalizar la proteína (ver Apéndice D) manteniéndose a 80°C (utilizando vapor de agua como medio de calentamiento, procedente del evaporador). Transcurridos los 20 minutos, por la corriente S8 se adiciona a la pre-resina el ácido esteárico para proporcionar hidrofobicidad, acción que dura 20 minutos más. La mezcla pasa por la corriente S9 hacia un evaporador (EV) para retirar el 87% de agua, el agua evaporada es conducida por la corriente S11 hacia la chaqueta de calentamiento del mezclador (M), posteriormente el vapor pasa a través de un condensador CN por la corriente S11’. El EV se conecta por la corriente S10 con un intercambiador de calor (IC) para disminuir la temperatura, con el objetivo de hacer que la resina tenga una consistencia maleable (pasta con 13 % de humedad) Para impulsar la pasta hacia la extrusora (EX) se requirió de una bomba de tornillo (B10), el producto final sale de EX a 700 kg/h ,en forma de rollo con 1.5 m de ancho. Para cubrir la demanda inicial, se requieren dos extrusoras con las mismas características. En el esquema de la planta (Fig. 3.2) , se describe la organización, cuyas características son: mide cerca de 4000 m2, el equipo ocupa un área de 1000 m2 y el resto es para oficinas, un comedor, una bodega, baños y área verde, que son utilizados para uso del personal que laborará en la planta.

20

Fig. 3.2 Esquema de la planta

DIAGRAMA DE LA PLANTA CON EQUIPO Y ACCCESORIOS

21

S1

S2

S4

S3S5

S6 S7 S8

S9

S10

S11

S12

S13

S14

S15

S16

S16

S17

S18

S19

S20

S21

S16

S11’

IC

TE

EX

EX

C4

C5

C6

C1

CL

TAA

A

BTEV

V

V

VB1

B2 B3

B4

B8

B5

B6

B7

VV

V

V

C2 C3

M

V9 V8

Fig. 3.1 Equipo principal y accesorios

22

Tabla 3.1. Equipo del diagrama de proceso. EQUIPO NOMENCLATURA

MEZCLADOR (turbina) M

CONDENSADOR CN

INTERCAMBIADOR DE CALOR IC

TORRE DE ENFRIAMIENTO T

EXTRUSORA EX

EVAPORADOR EV TANQUE DE AGUA DE

ENFRIAMIENTO TA

CONTENEDOR (NaOH) C1

CONTENEDOR (PAS) C2

CONTENEDOR (glicerol) C3

TANQUE DE MEZCLADO (sol. NaOH) C4

CONTENEDOR (agua) C5

CONTENEDOR (Ac. Esteárico) C6

OFICINAS 1

COMEDOR 2

VESTIDORES 3

ALMACÉN 4

CASETA DE VIGILANCIA 5

3.1.2. BALANCE DE MATERIA. El balance de materia se realizó con base en la producción de 1400 kg/h. En la Tabla 3.2 se indican los kg requeridos de materia prima.

Tabla 3.2. Balance de materia. Materia prima Kg Requeridos

PAS 804

Ac. Esteárico 201

Glicerol 243

NaOH (1) 26

NaOH (2) 23

H2O 8037

H2O (Sol)1 631

H2O (Sol)2 552.15

TOTAL 10517.15

3.1.3 DISEÑO DE EQUIPOS Mezclador En las industrias químicas de procesos y en otras semejantes, muchas operaciones dependen en alto grado de la agitación y mezclado eficaz de los fluidos, Por lo general, la agitación se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquiera un

23

movimiento circulatorio en el interior de un recipiente. El mezclado implica partir de dos fases individuales, tales como un fluido y un sólido pulverizado o dos fluidos, y lograr que ambas fases se distribuyan al azar entre sí. A partir de los datos de operación de experimentación se requiere aumentar la escala para diseñar una unidad completa que cumpla con la producción establecida. Existen diversos métodos de aumento de escala, donde es importante la semejanza geométrica siendo la más fácil de lograr, la semejanza cinemática que puede definirse en términos de razones de velocidades o de tiempos y la semejanza dinámica la cual requiere proporciones fijas de fuerzas viscosas, inerciales o gravitatorias. Aun si se logra la semejanza geométrica, las semejanzas dinámicas y cinemática no siempre se pueden obtener al mismo tiempo. Por consiguiente, a veces lo que el diseñador debe hacer es confiar en su buen juicio y experiencia para hacer el aumento de escala. En muchos casos, los objetivos principales que se presentan en un proceso de agitación son los siguientes: igual movimiento de líquidos, como en la mezcla de líquidos, donde el movimiento o velocidad correspondiente de los líquidos es aproximadamente igual en ambos casos; igual suspensión de sólidos, donde los niveles de suspensión son iguales; e iguales tasas de transferencia de masa, donde la transferencia de masa ocurre entre una fase líquida y una sólida, entre dos fases líquidas, etc., y las tasas son iguales. El tanque de agitación requerido (Fig 3.3) utiliza un agitador de turbina, que es el agitador más usado en las industrias de proceso, además son utilizados para un volumen de 11 m3. Las proporciones geométricas del sistema de agitación que se considera como el diseño “normal” típico se muestran en la Tabla 3.3. Estas proporciones relativas son la base de las correlaciones principales del desempeño de los agitadores en muchas publicaciones.

Figura 3.3 Tanque de agitación con turbina

24

5.0..3.0 aDD

T

a = 1=TD

H

31

=TD

C

32

=aD

W

41

=aD

L

121

=TD

J

Tabla 3.3 Proporciones geométricas para un sistema de agitación normal

Por lo tanto, la capacidad del mezclador será de 11 m3, cuyas dimensiones serán de 2.5m de diámetro y 3.8m de altura. La turbina encargada de mezclar, tiene 6 aspas con una potencia requerida de 5hp.

Los cálculos del escalamiento se ven con detalle en el Apéndice E.

Evaporador Evaporador de tubos horizontales El agua que se evapora hierve fuera de los tubos horizontales, dentro de los cuales se condensa el vapor. Los tubos horizontales interfieren con la circulación natural del agua en ebullición y por tanto, minimizan la agitación del líquido, como resultado el coeficiente total de transferencia de calor es menor que en otras formas de evaporadores. Con ayuda de vacío (presión de 0.5atm), aumentamos la velocidad de evaporación evitando la espuma que se presenta debido a la acción de la ebullición. Se puede ver un balance en la Fig. 3.4 Balance en el evaporador

Fig. 3.4 Diagrama de sección transversal del evaporador de tubos horizontales

25

Donde R= 1400 k/h del producto V = Flujo de agua kg/h evaporada S = Flujo en la caldera kg/h P = Flujo de alimentación total =10517.15 kg/h L = Cantidad de agua que entra al evaporador Balance de H2O en el evaporador La cantidad de agua a la entrada es de 9220.15, equivalente al 87.6 % El contenido de humedad de la resina es 13% (9220.15 kg/h) (0.87)= V + (1400kg/h)(0.13) V = 7839.5 kg/h de vapor Balance de energía LHL + SHs = VHv + SHs + PHp Donde Hp = 0 (ver anexo) Hv (85°C) = Hvap sat - Hliq sat = (2651.9 – 355.96) KJ/Kg = 2300 KJ/Kg HL(80°C) = 4.18 KJ/Kg°C (85-80) °C = 20.9 KJ/Kg Hs (150°C) = (2746 – 632) KJ/Kg = 2114 KJ/Kg Despejando S S= 8377.52 Kg/h Tenemos que la cantidad de calor es Q = SHs = AU∆T Donde A = área de transferencia U = coeficiente global de transferencia de calor ∆T = diferencia de temperatura (150°C – 80°C) = 70°C Despejando el área y con U = 2000 W/m2°C (circulación forzada)

2

2

97.35)70(2000

)6.3

1)(9.18132887(m

CCm

W

Wh

KJ

TUSH

A s =°

°

=∆

=

26

Intercambiador de calor Como el flujo que se maneja es continuo se usa un intercambiador de tubos y coraza. Se usan tubos en paralelo con el agua circulando en su interior. Los tubos están distribuidos en forma de manojos y encerrados en una sola coraza y la resina fluye por el exterior de los tubos, dentro de la coraza. El agua fría entra (m1) a18 ºC y circula por los tubos en paralelo en un solo paso (sale a 60 ºC), mientras que la resina caliente (m2) entra a 85 ºC por el otro extremo y fluye a contracorriente por el exterior de los tubos, saliendo a una temperatura de 35 ºC.

Fig. 3.5 Intercambiador de calor Balance de masa en el intercambiador

222

.

111

.TCpmTCpmQ ∆=∆=∆

Donde

CTCkgkJCp

CTCkgkJCp

hkgm

°−=∆°=

°−=∆°=

=

)1860(/18.4)3585(

/75.1/1400

2

2

1

1

1

.

Despejando m1 m1= 698 Kg/ h

TFent=18 °C TFSal=35°C TCsal=60°C

TCent=85°C

27

Columna de enfriamiento Para el diseño de la columna de enfriamiento, se considera el uso de una tipo cascada, donde no requiera alimentación de aire a la torre (expuesta al ambiente). La altura de la torre es de 6 m, la cual estará ubicada a la salida del intercambiador de calor, para así poder utilizar nuevamente el agua de enfriamiento. Cabe mencionar que las pérdidas de agua durante el enfriamiento pueden considerarse despreciables, debido a las temperaturas utilizadas.

Fig. 3.7 Torre de enfriamiento tipo cascada

Extrusora

La resina se introduce por la parte inferior de la extrusora y es forzada a pasar a través de un dado también llamado boquilla, (Figura 3.9) por medio del empuje generado por la acción giratoria de un husillo (tornillo de Arquímedes) que gira concéntricamente en una cámara a temperaturas controladas llamada cañón, con una separación milimétrica entre ambos elementos. La resina es alimentada por medio de una tolva en un extremo de la máquina y debido a la acción de empuje se funde, fluye y mezcla en el cañón y se obtiene por el otro lado en forma laminar.

TABLA 3.4 Características de extrusora Diámetro

Del tornillo (mm)

Longitud del

tornillo

(L/D ratio)

Capacidad máxima kg/hr.

Potencia requerida

(kW)

Dimensiones (LxWxH)

m

270 90 750 506.75 13X8X14

28

Fig.3.8 Diagrama de extrusora

3.1.4 BALANCE DE ENERGÍA

La potencia de las bombas. El balance de energía se realizó de acuerdo con la ecuación de Bernoulli

Energía que entra = Energía que sale

fcccc

wWg

gZWguWVPWEWQW

ggZW

guWVPWEW 2

22

22

22222211

1

21

111111 22++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

αα Para calcular la potencia de las bombas se toman en cuenta los accesorios del proceso, cuyos resultados se muestran en la Tabla 3.5 En la salida del intercambiador, la resina contiene un 13% de humedad, lo cual hace que cambie su consistencia y se necesite un tipo de bomba especial (bomba rotatoria) para impulsar la resina hacia las extrusoras. La bomba utilizada es de doble tornillo (Figura 3.10), en el funcionamiento de este tipo de bombas los elementos rotatorios crean una presión reducida en el lado de la entrada permitiendo así que la presión externa obligue salir al fluido. Al girar el elemento el líquido queda atrapado entre los elementos y la coraza de la bomba. Después de una nueva rotación el fluido es forzado a salir desde el lado de descarga de la bomba. Esta bomba alimenta a las extrusoras.

Fig. 3.9 Bomba de doble tornillo

29

Tabla 3.5 Bombas

Donde B1, B2,… son las bombas necesarias para el proceso

3.2 EVALUACIÓN ECONÓMICA. Se calculó el impacto económico para saber si el proyecto es factible a partir de los precios de los equipos y accesorios de la planta. Las tablas siguientes contienen los precios de todos los equipos y accesorios de la planta, estos precios se cotizaron en empresas mexicanas dedicadas al diseño de equipos de procesos, también se utilizó un programa de software (cap cost).

Tabla 3.6 .Características de los contenedores.

El costo de la materia prima se calculó en base a 1400 kg/h de producción de plástico verde.

Tabla 3.7. Costo de la materia prima para producir 1400 kg/h Materia prima Kg Requeridos Precio/Kg (USD) Precio Total (USD)

PAS 804 3.18 2556.72

Ac. Esteárico 201 7.09 1425.09

Glicerol 243 8.6 2089.8

NaOH (1) 26 3.18 82.68

NaOH (2) 23 3.18 73.14

H2O 8037 0.0008 6.43

H2O (Sol)1 631 0.0008* 0.505

H2O (Sol)2 552.15 0.0008* 0.44 TOTAL 10517.15 25.23 6234.81

* Precio m3 de agua en el estado de San Luís Potosí

N° DE BOMBAS UBICACIÓN POTENCIA(HP)

Bc(centrífuga) B4 3.0

Bc(centrífuga) B2,B5,B6,B7,B8,B9 0.5

Bp (peristáltica) B1, B3 0.25

EQUIPO DIÁMETRO(M) ALTURA(M) VOLUMEN(M3)

Contenedor PAS (s) 1 3 2.35

Contenedor Glicerol 1.5 1.5 10.6

Contenedor agua 2.4 4 18

Contenedor sol. NaOH 2.4 4 18

Tanque almacenamiento 2.4 4 18

Contenedor ac. Esteárico (s) 1 1.5 1.2

Contenedor NaOH (s) 1 2 1.6

30

Para saber si el proyecto es factible se realiza una evaluación económica de los equipos y accesorios de la planta.

Tabla 3.8.- Costo de equipo principal. EQUIPO MATERIAL UBICACIÓN CAPACIDAD COSTO

UNITARIO ( $ ) UNIDADES COSTO TOTAL

( $ )

MEZCLADOR (turbina) Acero inox. M 11(m3) 3000 1 3000

EVAPORADOR Acero inox. EV 11(m3) 4850 1 4850

EXTRUSORA Acero inox EX1,EX2 750 kg/h 380000 2 760000

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Acero inox IC 15(m3) 1500 1 1500

CONTENEDORES(l) Plástico TA, C2,C3,C4,C5 15(m3) 400 5 2000

CONTENEDORES (s) Plástico C6 y C1 50kg 220 2 440

BOMBA DE TORNILLO Hierro BT 13(m3) 4280 1 4280

TORRE DE ENFRIAMIENTO

Madera T 20(m3) 4500 1 4500

COSTO TOTAL 783020

Tabla 3.9.- Costos de la tubería.

Tubería de cédula de 40 (material PVC) Diámetro (in) Cantidad (m) Costo Costo total

3 1200 18 21600

1 3 5 15

Costo Total 21615

Tabla 3.10. Costos de codos. codos 90° (material PVC)

Diámetro (in) Unidades Costo Costo total

1 1 1.7 1.7

3 39 9 351

Costo Total 352.7

Tabla 3.11. Costos de T. TS (MATERIAL PVC)

Diámetro (in) Unidades Costo Costo total $

1 1 1.3 1.3

3 1 6 6

Costo Total 7.3

31

Tabla 3.12 Costos de bombas

Tabla 3.13.- Costos de las válvulas. VALVULAS

Unidades Diámetro (in) Costo Compuerta Costo Total

1 1 26 26

6 3 85 510

COSTO TOTAL 536

Terreno La planta productora de plástico requiere un área de 5000 m2 para la mejor distribución de los equipos y áreas administrativas. La ubicación de la planta se localiza en la zona industrial de San Luís Potosí, la cual se encuentra al sureste de dicha ciudad y cuyo objetivo primordial es establecer en ella empresas industriales que contribuyan en forma dinámica a la generación de empleo vía el desarrollo industrial de la entidad. La zona industrial San Luís Potosí está localizada a 6.5 Km. del centro de la ciudad, entre la carretera México - Piedras Negras, en su tramo México - Querétaro, y la vía del ferrocarril México - Laredo. Tiene una extensión aproximada de 10,860,000 metros cuadrados, y un costo promedio de $50.00 m2, por lo que el valor estimado del terreno es de $250000. Costo de personal El número de empleados necesarios por turno para la operación de la planta se muestra en la Tabla 3.9. El salario mínimo en el estado de San Luís Potosí es de $ 4.16, por lo que para estimado del salario mensual por turno se obtiene:

N° DE BOMBAS POTENCIA(HP) UNIDADES COSTO $

BC 3.0 1 200

BC 0.5 7 560

Bp 0.25 2 80

COSTO TOTAL $840

32

Tabla 3.14 Personal necesario PUESTO NÚMERO DE

PERSONAS SUELDO MENSUAL SUELDO TOTAL

(MENSUAL) Ingeniero 3 700 2100 Técnicos 8 480 3840

Almacenistas 2 350 700 Administrador 1 480 480

Obreros 12 230 2760 Intendencia 3 210 630 Vigilancia 2 300 600 Secretaria 2 350 700

Laboratorista 2 480 960

Cocineros 2 350 700

COSTO TOTAL 12770

El costo total de personal anual es de $ 153240

Tabla 3.15 Costos fijos de accesorios de la planta. ACCESORIO CAPACIDAD (M2) COSTO USD

Comedor 50 10000

Caseta 10 1200

Oficina 80 20000

Laboratorio 18 5500

Estacionamiento 60 800

Almacén 1000 40000

Vestidores 45 9000

Costo total 86500

Se procede a determinar la tasa de interés mínima aceptable (TREMA), para saber si el proyecto es rentable a partir de la tasa de interés interbancaria de equilibrio (TIIE), después se calcula el valor presente neto (VPN), el cual debe dar un valor positivo para que el proyecto sea factible.

3.2.1 COSTOS DE OPERACIÓN. Costos de energía. Dentro de los costos de la planta es muy importante considerar los costos de energía eléctrica que van a requerir los equipos. A continuación se muestra una tabla de estos costos:

33

Tabla 3.16 Costos de energía. Consumo de Energía (Bombas centrífugas)

Unidades HP kW Costo energía ($/kW)Gasto por hora de funcionamiento

(USD/h) Gasto anual(USD)

6 0.5 0.37 7 2.59 15665 1 3 2.237 7 15.6 94349

Consumo de Energía (Bombas peristálticas)

Unidades HP kW Costo energía ($/kW)Gasto por hora de funcionamiento

(USD/h)

Gasto anual (USD)

2 0.25 .186 7 1.3 7874.5

Consumo de Energía (MEZCLADOR (turbina))

Unidades HP kW Costo energía ($/kW)Gasto por hora de funcionamiento

(USD/h)

Gasto anual (USD)

1 5 3.7 7 25.9 156445

Consumo de Energía (EXTRUSORA)

Unidades HP kW Costo energía ($/kW)Gasto por hora de funcionamiento

(USD/h)

Gasto anual (USD)

2 3 2.237 7 15.6 188698

Consumo de Energía (BOMBA DE TORNILLO)

Unidades HP kW Costo energía ($/kW)Gasto por hora de funcionamiento

(USD/h)

Gasto semestral (USD)

1 3 2.237 7 15.6 94349

Tabla 3.17. Inversión total Anual

Materia Prima 37708130.88Equipo Mayor 783020Equipo Menor 22511Terreno 250000Personal 153240Costos Fijos 86500Costos De Energía 557380.5Total 39560782.38

34

3.2.2 CALCULO DE TIR Y TREMA

Tabla 3.18. Cálculo de la TIR y la TREMA. INVERSIÓN INICIAL 1000000 USD

Egresos ( E ) 900000

Ingresos ( I ) 2400000 Utilidad ( E-I ) 1500000

TIIE (%) TREMA (%) 10 25

VPN TIR (%) 1480000 70

3.3 DESARROLLO SUSTENTABLE “El desarrollo sustentable es aquel que satisface las necesidades del presente sin poner en riesgo la habilidad de generaciones futuras de satisfacer las propias” La producción de plástico verde permite cumplir este concepto debido a las siguientes características:

El buen manejo de los recursos naturales para la producción de plástico verde se confirma con la reutilización total del agua, ya sea para la creación del plástico como para el enfriamiento y calentamiento lo que evita el desperdicio de este vital líquido. Además las materias primas son todas renovales, lo que permite velar por el bienestar de las generaciones futuras.

La biodegradabilidad del plástico producido ayuda al cuidado del medio ambiente, lo que podría sustituir a uno de los principales contaminantes del suelo, “el plástico derivado del petróleo” 3.4 SEGURIDAD EN LA PLANTA Los elementos que se consideraron en el diseño del proceso fueron: Técnicas o métodos de prevención de incendios y explosiones: los equipos y materiales inflamables están distanciados adecuadamente lo que permite una buena ventilación. Modelos de dispersión adecuados. Se implementara un análisis HAZOP para riesgos y peligros Las materias primas utilizadas en la producción del plástico verde no son de riesgo para los trabajadores, a acepción del NAOH que para altas concentraciones representa un riesgo importante (Apéndice F). Los equipos utilizados son de menor grado de seguridad para su operación, a acepción de la caldera por la temperatura utilizada.

35

3.5 CONCLUSIONES

• El desarrollo de plásticos degradables será una alternativa para sustituir a los plásticos derivados de materiales fósiles.

• El proyecto de desarrollo de plásticos verdes tiene beneficio social y ambiental, debido a la generación de empleos y a la disminución de la contaminación por el uso de materias primas renovables de productos agrícolas.

• La implementación del proyecto permitirá el desarrollo e innovación de

nuevas tecnologías para el uso de materiales biodegradables, así como ayudará al bienestar social, la economía y el medio ambiente, factores clave del desarrollo sustentable.

• El proyecto es económicamente factible porque la inversión inicial se puede recuperar en 5 años.

3.6 BIBLIOGRAFÍA. Treybal,E Robert “Operaciones de transferencia de masa”. Ed Mc-GawHill , Coulson, M,J. “Ingenieria quimica”, Ed Reverté, España 1988. Huang, F.,Francis “Ingenieria Termodinámica”, editorial CECSA, México 1994. Foust, S.,Alan, “Principios de operaciones unitarias”, Ed. Continental, México 1996. BAASEL, W.D. “Preliminary Chemical Engineering Plant Design”. Ed. Van Nostrand Reinhold. New York. 1990 Davis L. Mackencie, Cornwell David A. “Introduction to Environmental Engineering”. 1991. Treybal, E, Robert “ Froment Gilbert F. “Chemical Reactor Analysis and Design”. 1990. Hinojosas Carrasco Mercedes. Drenaje Acido de San Quintín: Estudio y Alternativas de Remediación. 2001-2002. LLorente Martínez V. “Equipos para la Industria Química y Alimentaría”.1985. MECKLENBURGH, J.C. “Plant Layout: A guide to the layout of process plant and sites”. Leonard Hill Books in Association with The Institution of Chemical Engineers”. Ulrich Gael D. “Diseño y Economía de los Procesos de Ingeniería Química”1986.

36

APÉNDICE A. Niveles de migración Directiva 2002/72/CE de la Comisión relativa a los materiales y objetos plásticos destinados a entrar en contacto con productos alimenticios, de 6 de agosto de 2002. Lista de monómeros u otras sustancias de partida autorizadas para usarse en la fabricación de materiales y objetos plásticos. Se utilizan una serie de abreviaturas, cuyo significado es el siguiente LME o LME(T) = Límite de migración específica en alimentos. CM = cantidad máxima permitida de sustancia residual en el material u objeto, expresada como total de los grupos o sustancias indicados. NCO = Grupo isocianato NO.REF NO CAS NOMBRE RESTRICCIONES Y/O

ESPECIFICACIONES 1 2 3 4

24100 008050-09-7 Colofonia Ver >colofonia> 24130 008050-09-7 Goma de Colofonia 24160 008052-10-6 Colofonia de aceite de tall 24190 009014-63-5 Colofonia de madera 24250 009006-04-6 Caucho natural 24270 000069-72-7 Ácido salicílico 24280 000111-20-6 Ácido sebácico 24430 002561-88-8 Anhídrido sebácico 24475 001313-82-2 Sulfuro de sodio 24490 000050-70-4 Sorbitol 24520 008001-22-7 Aceite de soya 24540 009005-25-8 Almidón, calidad alimnetaria 25250 000057-11-4 Ácido esteárico 24610 000100-42-5 Estireno 24760 026914-43-2 Ácido estirendulfónico LME= 0.05 mg/kg 24820 000110-15-6 Ácido succínico 24850 000108-30-5 Anhídrido succínico 24880 000057-50-1 Sacarosa 24887 006362-79-4 Ácido 5-Sulfoisoftálico, sal monosódica LME= 5 mg/kg 24888 003965-55-7 5-Sulfoisoftalato de dimetilo, sal

monosódica LME=0.05 mg/kg

24910 000100-21-0 Ácido tereftálico LME=7.5mg/kg 24940 000100-20-9 Dicloruro del ácido tereftálico LME=7.5 mg/kg (Expresado como ácido

terftálico) 24970 000120-61-6 Tereftálato de dimetilo 25080 001120-36-1 1-Tetradeceno 25090 000112-60-7 Tetraetilenglicol 25120 000116-14-3 Tetrafluoretileno LME(T)=0.05 mg/kg 25150 000109-99-9 Tetrahidrofurano LME=0.6 mg/kg 25180 000102-60-3 N,N,N´,N´,-Tetrakis(2-

hidroxipropil)etilendiamina

25210 000584-84-9 2,4-Diisocianato de tolueno CM(T)=1 mg/kg (espresado como NCO) 25240 000091-08-7 2,6-Diisocianato de tolueno CM(T)=1 mg/kg (espresado como NCO) 25270 026747-90-0 2,4-Diisocianato de tolueno, dimerizado CM(T)=1 mg/kg (espresado como NCO) 25360 ------------------

---- Trialquil(C5-C19)acetato de 2,3-epoxipropilo

CM=1 mg/kg (espresado como grupo epoxi peso molecular=43

25380 ----------------------

Trialquil(C7-C17)acetato de 2,3-epoxipropilo

CM=0.05 mg/6 dm2

25385 000102-70-5 Trialilamina 25420 000108-78-1 2,4,6-Triamino-1,3,5-triazina LME=30 mg/kg 25450 02896-48-0 Triciclodecanodimetanol LME=0.05 mg/kg 25510 000112-27-6 Trietilenglicol 25600 000077-99-6 1,1,1-Trimelolpropano LME=6 mg/kg

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AAPPEENNDD IICCEE BB

Tabla A. Propiedades de la PAS

PROPIEDADES % AMINOÁCIDOS MINERALES % Proteína (N x 6.25) 90 Lisina 6.3 Humedad 6.0 Potasio 0.1 Grasa 1.5 Treonina 4.3 pH (1:10 Dispersión)

7.0 Leucina 7.9

Isoleucina 4.9 Tirosina 3.5 Sodio 0.9 Fósforo 0.8 Valina 5.0

APENDICE C Condiciones del TA XT2: Tipo de prueba: Medida de fuerza en tensión Velocidad antes de prueba 1.0 mms-1 Velocidad durante la prueba 10 mms-1 Velocidad después de la prueba 5 mms-1 Tiempo de prueba 30 segundos Distancia 3.7 mm Tipo Trigger Auto Fuerza Trigger 1.0 g Velocidad de adquisición 400 pps Se utilizó una sonda A/TG Pinzas de Tensión, las muestras fueron tomadas de la parte más representativa de las muestras proporcionadas, de un tamaño de 35mm x 70 mm, la prueba fue realizada a temperatura ambiente 20°C ± 1 °C.

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APÉNDICE D Enlace Peptídico: En las proteínas, los aminoácidos están unidos uno seguido de otro, sin ramificaciones, por medio del enlace peptídico, que es un enlace amido entre el grupo α-carboxilo de un aminoácido y el grupo α-amino del siguiente. Este enlace se forma por la deshidratación de los aminoácidos en cuestión. Esta reacción es también una reacción de condensación, que es muy común en los sistemas vivientes:

Figura: reacción de condensación para la formación del enlace peptídico. Tres aminoácidos pueden ser unidos por dos enlaces peptídicos para formar un tripéptido, de manera similar se forman los tetrapéptidos, pentapéptidos y demás.

Los enlaces peptídicos no se rompen con condiciones que afectan la estructura tridimensional de las proteínas como la variación en la temperatura, la presión, el pH o elevadas concentraciones de moléculas como el SDS (dodecil sulfato de sodio, un detergente), la urea o las sales de guanidinio. Los enlaces peptídicos pueden romperse de manera no enzimática, al someter simultáneamente a la proteína a elevadas temperaturas y condiciones ácidas extremas.

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El orden de los aminoácidos en la proteína. Por convención, el extremo amino terminal (NH3

+) de la cadena polipeptídica denominado simplemente N-terminal, se escribe a la izquierda de la secuencia, por ende, el grupo carboxilo o C-terminal, se escribe a la derecha de la secuencia. Todas las secuencias se leen desde el N-terminal hasta el C-terminal. Esta convención se debe a que en el ribosoma, que es la enzima que hace los enlaces peptídicos en la naturaleza, la cadena crece agregando un nuevo aminoácido al carboxilo terminal, por lo tanto el extremo que emerge primero del ribosoma, es el N-terminal. En la siguiente figura el dipéptido se lee valina, alanina y no al revés Tomando en cuenta lo anterior, debe quedar claro una proteína o péptido tendrá diferentes características dependiendo de la cantidad y cualidad de los grupos ionizables presentes en la molécula. De manera que la proteína o péptido tendrá, al igual que los aminoácidos libres, curvas de titulación y pH isoeléctrico (pI) específicos, en los cuales el pH no sufre variaciones en un campo eléctrico. APÉNDICE E Procedimiento de aumento de escala. El procedimiento para aumentar de escala las condiciones iniciales, donde los tamaños geométricos dados en la Tabla 3.3 son DT1, Da1, H1, W1, y así sucesivamente, hasta las condiciones finales de Da2, DT1. Se calculó el aumento de escala R, suponiendo que el recipiente original es un cilindro estándar con DT1 = H1, el volumen V1 es

Por tanto, la relación entre los volúmenes es

Así, la relación de aumento de escala es

Al usar este valor de R, se aplica a todas las dimensiones de la figura E1 para calcular las nuevas dimensiones. Por ejemplo,

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Después debe elegirse una regla de aumento de escala y aplicarse para determinar la rapidez del agitador N2 que debe usarse para duplicar los resultados a pequeña escala que se obtuvieron empleando N1. Esta ecuación es la siguiente

donde n = 1 para igual movimento de líquidos, n= 3/4 para igual suspensión de sólidos, y n = 2/3 para iguales tasas de transferencia de masa (lo que equivale a igual potencia por volumen unitario). Este valor de n se basa en consideraciones empíricas y teóricas. Al conocer N2, la potencia necesaria puede determinarse usando la ecuación

y la figura E1

Figura E1 Tanque de agitación: El diseño de los tanques de agitación para la producción de plástico se baso en el aumento de la escala a nivel laboratorio, con las siguientes especificaciones:

Ec (E1)

41

5.0..3.0 aDD

T

a = 1=TD

H

31

=TD

C

32

=aD

W

41

=aD

L

121

=TD

J

Proporciones geométricas para un sistema de agitación normal

A nivel laboratorio

3064.0 mDT = , 3064.0 mH = , 3025.0 mDa = , mW 016.0= , mC 13.2= , RPMN 20001 = =33.33 RPS

33

1 0002058.04

)064.0( mmV ==π

3

1 0857.10 mV =

5053.373/1

1

2 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VV

R

Este es el factor de escala y con las ecuaciones del método de aumento de escala obtenemos a nivel planta:

34.2 mDT = , 34.2 mH = , 3937.0 mDa = , mW 6.0= , mC 798.0= , RPMN 65.661 = = 1.11RPS

Para calcular la potencia requerida se tiene: Calcular el número de Reynolds del impulsor

4322

6197.3*028.0

/1040*11.1*)937.0(Re EsPa

mkgRPSmNDa ===µρ

Np= 3.5 y obtener la potencia por medio de la ecuación E1

sJmRPSmkgDNNpP a /57.3595)937.0(*)11.1(*/1040*5.3 53353 === ρ

hpkWP 5595.3 ==

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APÉNDICE F.

Toxicidad de sustancias peligrosas

Hidróxido de sodio NaOH,

Peso molecular: 40gr/mol · Propiedades físicas: Color: blanco (en sólido como lenteja), Olor: inoloro Estado: Sólido o en solución. Propiedades Químicas: · Función química: Hidróxido Tipo de reacción: Corrosiva, exotérmica. Preparación usar: · Disolvente: agua (H20) Neutralizante: Acido (HCL preferiblemente) Estandarizar frente: FAP, ácido benzóico, o yodato ácido de potasio Manejo y precauciones: Tener mucha precaución al manejar soluciones concentradas, ya que es muy corrosivo (tanto en solución como en sólido). Siempre que se preparen soluciones patrón de álcalis como NaOH o KOH se debe proteger la cara, así como usar guantes y ropa adecuada. Si el reactivo entra en contacto con la piel, inmediatamente lave el área con abundantes cantidades de agua. En caso de ingestión acuda lo mas pronto posible a un centro de salud. Se contamina fácilmente con CO2 de la atmósfera originando carbonato y disminuyendo su concentración efectiva. En solución guárdese en un recipiente preferiblemente plástico de sello hermético, lo cual garantiza una estabilidad por dos semanas máximo.

APENDICE G

Ácido esteárico. C18H36O2

Peso molecular: 284.5 gr/mol Producto no peligroso según la Directiva 67/548/CEE Estado físico: Cristales blancos o polvo, Peligros físicos: Es posible la explosión del polvo si se encuentra mezclado con el aire en forma pulverulenta o granular. Peligros químicos: Es un ácido débil, reacciona con bases, oxidantes y agentes reductores. Vías de exposición: La sustancia se puede absorber por inhalación del aerosol y por ingestión. Riesgo de inhalación: La evaporación a 20°C es despreciable; sin embargo, se puede alcanzar rápidamente una concentración molesta de partículas en el aire cuando se dispersa. Efectos de exposición de corta duración: La inhalación del polvo puede originar neumonitis química.

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Glicerol C3H8O3 Peso Molecular: 92.09 g/mol Estado físico: Líquido incoloro viscoso, higroscópico. Peligros químicos: La sustancia se descompone al arder, en contacto con superficies calientes u oxidantes fuertes, bajo la influencia de sustancias higroscópicas, produciendo acroleína. Reacciona con oxidantes fuertes originando riesgo de incendio y explosión. Vías de exposición: La sustancia se puede absorber por inhalación de sus nieblas. Riesgo de inhalación: La evaporación a 20°C es despreciable; sin embargo se puede alcanzar rápidamente una concentración molesta de partículas en el aire por pulverización. Efectos de exposición de corta duración: La sustancia irrita los ojos, la piel y el tracto respiratorio. El ácido esteárico. Es un ácido graso saturado proveniente de aceites y grasas animales y vegetales. Es un sólido parecido a la cera, su fórmula química es CH3(CH2)16COOH, su nombre IUPAC es ácido octadecanoico, tiene un punto de fusión de 70 °C y un punto de ebullición de 383 °C.

Se prepara tratando la grasa animal con agua a una alta presión y temperatura. También se puede obtener de la hidrogenización de los aceites.

Glicerol. Es un líquido incoloro viscoso, también es llamado propanotiol, es un alcohol con tres grupos hidroxilos de fórmula C3H8O3

H OH H CH2-OH | | | | H---C---C---C---H o OH-CH | | | | OH H OH CH2-OH

Es un plastificante que reduce la quebrajosidad e incrementa la dureza.

Biopolímero. Polímeros a partir de fuentes renovables, son biodegradables y el proceso de producción no genera sustancias tóxicas.

Biodegradable. Que puede ser transformado por sustancias más simples por la actividad de los organismos descomponedores del suelo y así ser eliminado del medio ambiente.

Polímero. Molécula larga constituida por muchas unidades pequeñas que se repiten.