Post on 17-May-2020
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Formulación y caracterización de un detergente enzimático para limpieza de
instrumental odontológico
Trabajo de titulación, modalidad Propuesta Tecnológica para la obtención del Título de
Ingeniero Químico
Autor: Pullas Sotamin Luis David
Tutora: BqF. Magdalena de los Ángeles Díaz Altamirano
Quito, 2019
ii
DERECHOS DE AUTOR
Yo, Luis David Pullas Sotamin, en calidad de autor y titular de los derechos morales y
patrimoniales del trabajo de titulación “FORMULACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE
UN DETERGENTE ENZIMÁTICO PARA LIMPIEZA DE INSTRUMENTAL
ODONTOLÓGICO”, modalidad Propuesta Tecnológica, de conformidad con el Art. 114
del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS
CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN, concedo a favor de la
Universidad Central del Ecuador una licencia gratuita, intransferible y no exclusiva para
el uso no comercial de la obra, con fines estrictamente académicos. Conservo a mi favor
todos los derechos de autor sobre la obra, establecidos en la normativa citada.
Así mismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la
digitalización y publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de
conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
El autor declara que la obra objeto de la presente autorización es original en su forma de
expresión y no infringe el derecho de autor de terceros, asumiendo la responsabilidad por
cualquier reclamo que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la Universidad de
toda responsabilidad.
En la ciudad de Quito, a los 27 días del mes de septiembre del 2019.
Luis David Pullas Sotamin
C.C. 1724231152
ldpullas@uce.edu.ec
iii
APROBACIÓN DE LA TUTORA
Yo, BqF. MAGDALENA DE LOS ÁNGELES DÍAZ ALTAMIRANO en calidad de
tutora del Trabajo de Titulación, modalidad propuesta tecnológica cuyo título es
FORMULACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN DETERGENTE ENZIMÁTICO
PARA LIMPIEZA DE INSTRUMENTAL ODONTOLÓGICO, elaborado por el
estudiante PULLAS SOTAMIN LUIS DAVID para la obtención del título de Ingeniero
Químico, considero que el mismo reúne los requisitos y méritos necesarios en el campo
metodológico y en el campo epistemológico, para ser sometido a la evaluación por parte
del jurado examinador que se designe, por lo que APRUEBO, a fin de que el trabajo sea
habilitado para continuar con el proceso de titulación determinado por la Universidad
Central del Ecuador.
En la ciudad de Quito, a los 27 días del mes de septiembre del 2019
…………………………………………………….
BqF. Magdalena de los Ángeles Díaz Altamirano
C.C: 1708079320
iv
DEDICATORIA
A mi madre Nancy quien ha sido mi fortaleza y
mi guía, me ha demostrado que con esfuerzo y
constante lucha, todas las metas son
alcanzables.
A mi abuelita Sarita Sotamin, quien, con su
amor incondicional me ha dado día a día
motivos para lograr convertirme en un
profesional.
A mi padrastro Carlos, de quien he aprendido
perseverancia y lucha diaria por las personas
amadas.
A mis hermanos quienes siempre me han
apoyado, me han llenado de amor y me han
dado fuerzas para continuar.
A mis amigas incondicionales Shirley, María
Belén, y Mishelle, quienes han sido un pilar
fundamental durante este largo camino, con
quienes compartí y espero seguir compartiendo
alegrías y sobre todo éxitos.
A mi primo y socio en este proyecto, Ing.
Mauricio Guamán, quien colocó en mí su
confianza y el respaldo para poder aplicar los
conocimientos adquiridos en mi facultad.
LUIS PULLAS
v
AGRADECIMIENTOS
A Dios por guiarme, por darme fortaleza y capacidad para asimilar los conocimientos que
me han formado como un Ingeniero Químico.
A mi familia quien confió en mis capacidades y siempre extendieron para mis sus palabras
de aliento.
A mi tutora quien además de guiarme supo motivarme y aconsejarme para desarrollar un
producto de calidad.
A la Facultad de Ingeniería Química que me acogió y me abrió sus puertas para
convertirme en un profesional.
A María Belén Campoverde, compañera y amiga quien depositó en mí su absoluta
confianza y respaldo, para el desarrollo de este trabajo.
A quién será una de las mejores doctoras Shirley Rojas, la persona que me enseño que no
importan los obstáculos que se presenten en tu vida, si tienes un sueño en tu mente y
corazón siempre lucharas hasta conseguirlo. Te admiro, gracias en verdad.
vi
CONTENIDO
Pág.
LISTA DE TABLAS ..................................................................................................... xiii
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................... xv
LISTA DE ANEXOS ................................................................................................... xvii
RESUMEN .................................................................................................................. xviii
ABSTRACT .................................................................................................................. xix
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1
1 MARCO TEÓRICO ........................................................................................... 4
1.1 Detergentes .......................................................................................................... 4
1.2 Estructura de los detergentes ............................................................................... 4
1.3 Estructura química de los detergentes ................................................................. 5
1.3.1 Estructura química de los diferentes tipos de surfactantes ................................. 5
1.3.1.1 Surfactantes Aniónicos ....................................................................................... 5
1.3.1.2 Surfactantes catiónicos ....................................................................................... 6
1.3.1.3 Surfactantes no iónicos ....................................................................................... 6
1.3.1.4 Surfactantes anfóteros ........................................................................................ 7
1.4 Función de los tensoactivos................................................................................. 7
1.4.1 Poder mojante o humectación ............................................................................ 7
1.4.2 Espumante .......................................................................................................... 7
1.4.3 Detergencia ......................................................................................................... 7
1.5 Las enzimas en los detergentes ........................................................................... 8
vii
1.6 Importancia de las enzimas en los detergentes.................................................... 8
1.7 Enzimas ............................................................................................................... 9
1.8 Cofactores............................................................................................................ 9
1.9 Actividad enzimática ......................................................................................... 10
1.9.1 Factores que influyen en la actividad enzimática ............................................. 10
1.9.1.1 Temperatura ...................................................................................................... 10
1.9.1.2 Potencial hidrógeno .......................................................................................... 11
1.9.1.3 Concentración de sustrato ................................................................................ 11
1.9.1.4 Concentración de enzimas ................................................................................ 12
1.9.1.5 Presencia de inhibidores ................................................................................... 12
1.10 Clasificación de las enzimas ............................................................................. 12
1.11 Cinética de la catálisis enzimática ..................................................................... 13
1.12 Diseño de procesos ............................................................................................ 13
1.12.1 Ingeniería conceptual o diseño preliminar ....................................................... 13
1.12.2 Ingeniería básica ............................................................................................... 13
1.12.3 Ingeniería de detalle o diseño final ................................................................... 14
1.13 Norma INEN 848 .............................................................................................. 14
2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ............................................................. 15
2.1 Diseño de la investigación................................................................................. 15
2.2 Diseño experimental .......................................................................................... 15
2.2.1 Factores de Estudio .......................................................................................... 15
2.3 Parte experimental ............................................................................................. 16
2.3.1 Materiales y Equipos ........................................................................................ 16
2.3.2 Materias primas ................................................................................................ 17
2.3.3 Procedimiento ................................................................................................... 17
2.4 Caracterización de la materia prima .................................................................. 17
viii
2.4.1 Agua ................................................................................................................. 17
2.4.2 Lauril éter sulfato de sodio ............................................................................... 18
2.4.3 Ácido sulfónico lineal ...................................................................................... 18
2.4.4 Metasilicato de sodio ........................................................................................ 18
2.4.5 Ácido etilendiaminotetraacécito (EDTA) ........................................................ 18
2.4.6 Enzimas ............................................................................................................ 19
2.5 Matriz de experimentación ................................................................................ 20
2.6 Análisis económico obtenido de la experimentación 8 ..................................... 23
2.7 Determinación del pH ....................................................................................... 23
2.8 Determinación de la densidad ........................................................................... 23
2.9 Determinación de la viscosidad......................................................................... 23
3 BASES Y CRITERIOS DE DISEÑO .............................................................. 24
3.1 Sistemas de unidades de medición .................................................................... 24
3.2 Ubicación geográfica del proyecto .................................................................... 24
3.3 Capacidad de diseño .......................................................................................... 25
3.4 Criterios para el diseño de la planta piloto ........................................................ 25
3.4.1 Intercambiador de Calor ................................................................................... 25
3.4.1.1 Ecuación de diseño de un intercambiador de calor .......................................... 25
3.4.1.2 Calor perdido por el fluido Caliente ................................................................. 26
3.4.1.3 Calor ganado por el fluido frío ......................................................................... 26
3.4.1.4 Diferencia de temperatura media logarítmica .................................................. 26
3.4.1.5 Factor de corrección de la diferencia de temperatura media logarítmica ......... 27
3.4.1.5.1 Razones R y P para el cálculo del factor de corrección ................................. 27
3.4.1.6 Área del Intercambiador de calor ..................................................................... 27
3.4.1.7 Coeficiente de transferencia de calor ............................................................... 27
3.4.1.8 Número de Reynolds ........................................................................................ 27
ix
3.4.1.9 Numero de Nusselt ........................................................................................... 28
3.4.1.10 Número de Nusselt para flujo laminar ............................................................. 29
3.4.1.11 Número de Nusselt para flujo turbulento ......................................................... 29
3.4.1.12 Coeficiente global de transferencia de calor .................................................... 29
3.4.1.13 Diámetro de los tubos del intercambiador de calor .......................................... 29
3.4.1.14 Diámetro de la carcasa del intercambiador de calor ......................................... 30
3.4.1.15 Número de tubos del intercambiador de calor.................................................. 30
3.4.2 Tuberías ............................................................................................................ 30
3.4.2.1 Dimensionamiento de las tuberías .................................................................... 30
3.4.3 Bomba centrífuga ............................................................................................. 31
3.4.3.1 Carga neta de succión positiva ......................................................................... 31
3.4.3.2 Presión normal de succión ................................................................................ 31
3.4.3.3 Perdidas dinámicas en la línea de succión ........................................................ 32
3.4.3.4 Presión normal de descarga .............................................................................. 32
3.4.3.5 Perdidas dinámicas en la línea de descarga ...................................................... 33
3.4.3.6 Presión diferencial ............................................................................................ 33
3.4.3.7 Potencia hidráulica de la bomba ....................................................................... 33
3.4.3.8 Potencia al freno de la bomba .......................................................................... 33
3.4.3.9 Potencia del motor de la bomba ....................................................................... 34
3.4.4 Tanque de agitación .......................................................................................... 34
3.4.4.1 Impulsadores (agitadores) ................................................................................ 34
3.4.4.2 Diseño estándar de una turbina ........................................................................ 34
3.4.4.3 Diámetro del tanque de agitación ..................................................................... 34
3.4.4.4 Diámetro del agitador ....................................................................................... 35
3.4.4.5 Ancho de las paletas ......................................................................................... 35
3.4.4.6 Longitud de la paleta del impulsor ................................................................... 35
3.4.4.7 Distancia del agitador sobre el fondo del tanque de agitación ......................... 35
x
3.4.4.8 Ancho del deflector ......................................................................................... 35
3.4.4.9 Números adimensionales ................................................................................. 36
3.4.4.9.1 Número de Reynolds ....................................................................................... 36
3.4.4.9.2 Número de Froude ........................................................................................... 36
3.4.4.10 Cálculo del consumo de potencia .................................................................... 37
3.4.4.10.1 Consumo de potencia para régimen laminar con o sin placas deflectoras .... 37
3.4.4.10.2 Consumo de potencia para régimen turbulento con o sin placas deflectoras 37
4 CÁLCULOS ..................................................................................................... 38
4.1 Diseño del intercambiador E-001 ...................................................................... 38
4.1.1 Calor ganado por el fluido frío ......................................................................... 38
4.1.2 Caudal de la temperatura de salida del fluido caliente ..................................... 38
4.1.3 Diferencia de temperatura media logarítmica .................................................. 39
4.1.4 Superficie de transferencia de calor ................................................................. 39
4.1.5 Diámetro de los tubos y carcasa del intercambiador de calor .......................... 40
4.1.6 Determinación del número de tubos ................................................................. 40
4.1.7 Longitud de los tubos del intercambiador de calor .......................................... 40
4.2 Dimensionamiento de la tubería de la planta piloto .......................................... 40
4.2.1 Diámetro de la tubería de succión de la bomba centrifuga .............................. 40
4.2.2 Diámetro de la tubería de descarga de la bomba centrífuga ............................. 41
4.3 Diseño de la bomba centrífuga P-001 ............................................................... 42
4.3.1 Cálculo de la presión normal de succión .......................................................... 42
4.3.1.1 Cálculo de la presión del recipiente de succión ............................................... 42
4.3.1.2 Cálculo de la presión hidrostática en la línea de succión ................................. 42
4.3.1.3 Cálculo de las pérdidas dinámicas en la línea de succión ................................ 43
4.3.1.3.1 Pérdidas por fricción en la línea de succión .................................................... 43
4.3.2 Cálculo de la presión normal de descarga ........................................................ 43
xi
4.3.2.1 Cálculo de la presión del recipiente de descarga .............................................. 43
4.3.2.2 Cálculo de la presión hidrostática en la línea de descarga ............................... 43
4.3.2.3 Cálculo de las pérdidas dinámicas en la línea de descarga .............................. 44
4.3.2.3.1 Pérdidas por fricción en la línea de descarga .................................................. 44
4.3.3 Cálculo de la presión diferencial ...................................................................... 45
4.3.4 Cálculo de la potencia hidráulica de la bomba ................................................. 45
4.3.5 Cálculo de la potencia al freno de la bomba .................................................... 45
4.3.6 Cálculo de la potencia del motor de la bomba ................................................. 45
4.3.7 Cálculo de la NPSH disponible ........................................................................ 45
4.4 Diseño del tanque de agitación.......................................................................... 45
4.4.1 Dimensiones del tanque de agitación ............................................................... 46
4.4.2 Altura del líquido.............................................................................................. 46
4.4.3 Cálculo del diámetro del agitador .................................................................... 46
4.4.4 Ancho de las paletas ......................................................................................... 47
4.4.5 Distancia del agitador sobre el fondo del tanque de agitación ......................... 47
4.4.6 Ancho del deflector .......................................................................................... 47
4.4.7 Número adimensional de Reynolds .................................................................. 47
4.4.8 Determinación del número de la potencia ........................................................ 48
4.4.9 Cálculo de la potencia de agitación .................................................................. 48
5 RESULTADOS ................................................................................................ 49
5.1 Formulación detergente enzimático .................................................................. 49
5.2 Resultados de los análisis físico-químicos y microbiológicos .......................... 49
5.3 Ensayos preliminares de instrumental odontológico contaminado ................... 50
5.4 Actividad del detergente enzimático ................................................................. 51
5.5 Análisis económico de la materia prima ........................................................... 51
5.6 Dimensionamiento del intercambiador de calor de tubo y carcasa E-001 ........ 52
xii
5.7 Dimensionamiento de las tuberías..................................................................... 53
5.8 Bomba centrífuga .............................................................................................. 54
5.9 Tanques de agitación ......................................................................................... 54
5.9.1 Tanque de agitación ST-001 ............................................................................. 54
5.9.2 Tanque de agitación ST-002 ............................................................................. 55
5.9.3 Tanque de agitación ST-003 ............................................................................. 55
6 DISCUSIÓN ..................................................................................................... 56
7 CONCLUSIONES............................................................................................ 59
8 RECOMENDACIONES .................................................................................. 61
CITAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................................... 63
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 65
ANEXOS ........................................................................................................................ 66
xiii
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1 Efecto de limpieza causado por diferentes enzimas ........................................... 8
Tabla 2 Propiedades fisicoquímicas del agua destilada ................................................. 17
Tabla 3 propiedades fisicoquímicas del lauril éter sulfato de sodio .............................. 18
Tabla 4 Propiedades fisicoquímicas del ácido sulfónico lineal ..................................... 18
Tabla 5 Propiedades fisicoquímicas del metasilicato de sodio ...................................... 18
Tabla 6 Propiedades fisicoquímicas del EDTA ............................................................. 18
Tabla 7 Test químicos de las enzimas ........................................................................... 19
Tabla 8 Matriz de experimentaciones de la formulación del detergente enzimático .... 20
Tabla 9 Análisis económico de la experimentación 8 ................................................... 23
Tabla 10 Sistemas de unidades de medición ................................................................. 24
Tabla 11 Constantes KL y KT para el cálculo de la potencia ....................................... 37
Tabla 12 Parámetros para el diseño del intercambiador de calor de tubo y carcasa ..... 38
Tabla 13 Parámetros para el diseño de la bomba centrífuga ......................................... 42
Tabla 14 Datos de la tubería de succión y descarga ...................................................... 42
Tabla 15 Longitud equivalente de los accesorios de la línea de succión ....................... 43
Tabla 16 Longitud equivalente de los accesorios de la línea de descarga ..................... 44
Tabla 17 Parámetros para el diseño del tanque de agitación ST-001 ............................ 46
Tabla 18 Dimensiones para el diseño de los tanques de agitación ................................ 46
Tabla 19 Composición de la materia prima para la formulación del detergente enzimático
........................................................................................................................................ 49
Tabla 20 Resultados del análisis físico-químico del detergente enzimático ................. 49
Tabla 21 Resultados del análisis microbiológico del detergente enzimático ................ 50
Tabla 22 Ensayo preliminar de UFC’s con agar nutritivo para bacterias aerobias ....... 50
Tabla 23 Ensayo preliminar de UFC’s con agar sabouraud para hongos y levaduras .. 50
Tabla 24 Actividad del detergente en agar nutritivo para bacterias aerobias ................ 51
xiv
Tabla 25 Actividad del detergente en agar sabouraud para hongos y levaduras ........... 51
Tabla 26 Análisis económico de la formulación final del detergente enzimático ......... 51
Tabla 27 Resultado del dimensionamiento del intercambiador de calor E-001 ............ 52
Tabla 28 Temperaturas y calor transferido en el intercambiador de calor .................... 52
Tabla 29 Dimensionamiento de tuberías ....................................................................... 53
Tabla 30 Parámetros de operación de la bomba P-001.................................................. 54
Tabla 31 Potencia de la bomba P-001 ........................................................................... 54
Tabla 32 Dimensiones del tanque de agitación ST-001 ................................................ 54
Tabla 33 Potencia del tanque de agitación ST-001 ....................................................... 54
Tabla 34 Dimensiones del tanque de agitación ST-002 ................................................ 55
Tabla 35 Potencia del tanque de agitación ST-002 ....................................................... 55
Tabla 36 Dimensiones del tanque de agitación ST-003 ................................................ 55
Tabla 37 Potencia del tanque de agitación ST-003 ....................................................... 55
Tabla 38 Cotización de materias primas para la producción de detergente .................. 69
xv
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1 Sustancias que componen un detergente líquido .............................................. 4
Figura 2 Estructura química de los surfactantes aniónicos ............................................. 5
Figura 3 Estructura química de los surfactantes catiónicos............................................. 6
Figura 4 Estructura química de los surfactantes no iónicos ............................................ 6
Figura 5 Estructura química de los surfactantes anfóteros .............................................. 7
Figura 6 Tipo de enzimas y porcentajes de uso en diferentes industrias ......................... 9
Figura 7 Efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad inicial de una reacción
catalizada por enzimas .................................................................................................... 11
Figura 8 Diagrama del diseño experimental .................................................................. 16
Figura 9 Ubicación geográfica real de la planta ............................................................ 25
Figura 10 Ensayo preliminar con agar nutritivo ............................................................ 71
Figura 11 Ensayo preliminar con agar sabouraud ......................................................... 73
Figura 12 Actividad del detergente enzimático en agar nutritivo ................................. 75
Figura 13 Actividad del detergente enzimático en agar sabouraud ............................... 77
Figura 14 Factor de corrección para un intercambiador de tubo y carcasa ................... 78
Figura 15 Valores comunes del coeficiente de transferencia de calor .......................... 79
Figura 16 Constantes para el cálculo del número de tubos ........................................... 79
Figura 17 Diámetro de la carcasa del intercambiador de calor ..................................... 80
Figura 18 Calor transferido en el intercambiador de calor determinado en un software
........................................................................................................................................ 80
Figura 19 Nomenclatura de los intercambiadores de calor ........................................... 81
Figura 20 Diagrama de Moody...................................................................................... 82
Figura 21 Número de diámetros equivalentes para accesorios y válvulas .................... 83
Figura 22 Velocidades recomendadas en la Norma API RP 14E ................................. 84
xvi
Figura 23 Propiedades del agua saturada ...................................................................... 84
Figura 24 Diagrama de relación entre el número de la potencia y el número de Reynolds.
........................................................................................................................................ 85
xvii
LISTA DE ANEXOS
Pág.
ANEXO A Informe de resultados de análisis microbiológicos ..................................... 67
ANEXO B Certificado de análisis de las enzimas ......................................................... 68
ANEXO C Cotización para la producción del detergente ............................................. 69
ANEXO D Ensayos preliminares................................................................................... 70
ANEXO E Actividad del detergente .............................................................................. 74
ANEXO F Intercambiador de Calor .............................................................................. 78
ANEXO G Tuberías y Bomba Centrífuga ..................................................................... 82
ANEXO H Tanques de agitación ................................................................................... 85
ANEXO I Diagrama de flujo de la planta piloto ........................................................... 86
xviii
TITULO: Formulación y caracterización de un detergente enzimático para limpieza
de instrumental odontológico
Autor: Luis David Pullas Sotamin
Tutora: BqF. Magdalena de los Ángeles Díaz Altamirano
RESUMEN
El Ecuador aún no se coloca en el mercado competitivo de la producción de detergentes
por falta de insumos. En este trabajo se formuló y caracterizó un detergente cuya función
de limpieza aumenta por la adición de biocatalizadores o enzimas que proporcionan al
detergente la capacidad de remover materia orgánica de los instrumentales de acero
quirúrgico que son utilizados por los profesionales de odontología.
Para tal efecto, en la formulación del detergente enzimático que contiene 2% (m/m) de
enzimas tipo amilasa, proteasa, lipasa, celulasa, pectinasa y mananasa se determinó la
composición óptima de tensoactivos, coadyuvantes y aditivos. El producto obtenido se
caracterizó mediante ensayos microbiológicos y físico-químicos, donde se obtuvo una
densidad de 984.12 Kg/m3 y un pH de 8, cumpliendo requerimientos técnicos de la
normativa INEN 848 para detergentes líquidos de uso especial.
Se realizó el diseño de una planta piloto empleando conceptos de ingeniería conceptual e
ingeniería básica, se dimensionó las tuberías y los tanques de agitación para un flujo
volumétrico de 180 L/h y se elaboró el diagrama de flujo del proceso (PFD).
Mediante ensayos preliminares se comprueba la calidad y efectividad del detergente
enzimático formulado, en un rango de pH de 7 a 8.
PALABRAS CLAVES:
DETERGENTE ENZIMÁTICO/ PLANTA PILOTO/ DISEÑO INDUSTRIAL/
ENZIMAS
xix
TITLE: Formulation and characterization of an enzymatic detergent for cleaning
dental instrument
Author: Luis David Pullas Sotamin
Tutor: BqF. Magdalena de los Ángeles Díaz Altamirano
ABSTRACT
Ecuador is not yet a country in the competitive market of the detergent’s productions due
to lack of inputs. In this study, a detergent was formulated and characterized, whose
cleaning function is increased by the addition of biocatalysts or enzymes, which provide
the detergent the ability to remove organic waste from surgical steel instruments that are
used by dentistry professionals.
For this purpose, in the formulation of the enzyme detergent which contains 2% (m/m) of
enzymes type amylase, protease, lipase, cellulase, pectinase and mannanase, the optimum
composition of surfactants, adjuvants and additives was determined. The product
obtained was characterized by microbiological and physical-chemical tests, where a
density of 984 Kg/m3, and a pH of 8 were obtained, complying with technical
requirements of INEN 848 standard for liquid detergents for special use.
The design of a pilot plant was achieved by using concepts of conceptual engineering and
basic engineering; the sizing of the pipes and the agitation tanks were performed for a
volumetric flow of 180 L/h, and the process flow diagram was developed (PFD).
Preliminary tests verify the quality and effectiveness of the formulated enzymatic
detergent, in a pH range of 7 to 8.
KEYWORDS:
ENZYMATIC DETERGENT/ PILOT PLANT/ INDUSTRIAL DESIGN/ ENZYME
1
INTRODUCCIÓN
El primer agente limpiador elaborado por el hombre fue el jabón, los primeros registros
del uso y elaboración del jabón datan 3000 años A.C procedentes de los Sumerios. A
partir de la segunda mitad del siglo XVIII el jabón paso de ser un artículo de lujo aún
producto más económico y de uso general. Después de la primera guerra mundial, debido
a conflictos comerciales, las grasas naturales fueron difíciles de conseguir por lo que el
jabón se convirtió nuevamente en un artículo exclusivo. Para intentar solucionar este
problema dos químicos, H. Günther y M. Hetzer elaboraron el primer detergente
comercial, creando así una industria que ha ido creciendo a nivel mundial.
Por otro lado, los agentes de limpieza se han convertido en aliados de la salud de las
personas; desde su desarrollo los detergentes se han orientado a la limpieza de prendas de
vestir y la limpieza del hogar, evitando de esta forma la propagación y desarrollo de
enfermedades. A partir del descubrimiento de los detergentes sus avances no se ha
detenido y la adición de sustancias complementarias en los detergentes ha aumentado,
dando como resultado productos más especializados que ayudan a la limpieza no
solamente de ropa sino de instrumental y material más sensibles a la contaminación.
A pesar del continuo avance tecnológico de los detergentes, estos productos aún se
encuentran relacionados con la contaminación de los cuerpos de agua, afectando los
ecosistemas. Si bien todos los detergentes por naturaleza tienden a degradarse, el tiempo
de degradación es la variable principal que se desea minimizar. Estos productos son
responsables del fenómeno conocido como eutrofización del agua, la mayoría de
detergentes tienen como materia prima polifosfatos y carbonatos, que aportan con una
excesiva cantidad de nutrientes al agua, ocasionando el crecimiento descontrolado de
plantas y otros microrganismos.
2
Para encontrar una solución a este problema se han desarrollado los “detergentes
biodegradables” tales como los detergentes enzimáticos, ya que, al tener como aditivos a
las enzimas, estas ayudan a digerir, transformar y eliminar grasas, favorecen los ciclos
biológicos naturales, generan poca presencia de espuma, además, las enzimas contenidas
aceleran el proceso de degradación de residuos orgánicos (Secretaria de Ambiente
D.M.Q).
Por otra parte, instrumentales de uso odontológico son costosos y sensibles a la
contaminación de microorganismos patógenos y necesitan un alto grado de limpieza, por
lo tanto, el uso de detergentes enzimáticos son una de las mejores alternativas y motivos
de estudios ya que ayudan a catalizar la reacción de hidrólisis que se produce en la materia
orgánica.
Según el Instituto Ecuatoriano de Estadísticas y Censos (INEC), el gasto anual total de
los hogares del Distrito Metropolitano de Quito (D.M.Q) en detergentes líquidos y en
polvo es de US$33.361.353, además el consumo de detergentes se centra
mayoritariamente en las ciudades de Quito y Guayaquil, sin embargo, en el Ecuador la
comercialización de detergentes está dominado por empresas multinacionales, de firmas
regionales y algunas locales. En un informe de la revista “LIDERES” de enero del 2016,
revela que en el país la empresa anglo-holandesa Unilever ocupa el número uno en el
ranking de compañías de productos para lavado con detergentes en polvo y líquidos. La
nula producción de enzimas, es la razón principal para que comerciantes y empresas
nacionales de productos de limpieza opten por la importación de detergentes enzimáticos
de otros países de la región.
El proyecto planteado, presenta una propuesta que inicia con la formulación de un
detergente enzimático que ayude a la remoción completa de restos biológicos y que
preserve el instrumental de problemas de corrosión, se trabaja con una mezcla enzimática
que contiene seis tipos de enzimas: Amilasa, Celulasa, Proteasa, Lipasa, Pectinasa y
Mananasa.
3
La parte experimental consiste en obtener el porcentaje óptimo de componentes del
detergente, además de controlar la variable de pH para la adición de la mezcla enzimática
al detergente formulado anteriormente. Se realiza una caracterización fisicoquímica del
producto final y ensayos microbiológicos con los que se comprueba su efectividad en la
limpieza de curetas de profilaxis manual (instrumental odontológico). En el proyecto se
contempla el diseño de una planta piloto, destinada a la fabricación de detergentes
enzimáticos. Se realiza una ingeniería conceptual y una ingeniería básica del diseño de
los equipos necesarios para la producción de este tipo de productos.
4
1 MARCO TEÓRICO
1.1 Detergentes
Los detergentes son productos que resultan de la combinación de diferentes sustancias,
que en las proporciones adecuadas facilitan la limpieza de la superficie de materiales, es
decir, que ayudan a la remoción de sustancias que son consideradas no deseables sobre la
superficie de materiales compactos o sólidos por la interacción química de las moléculas
del detergente y las moléculas de suciedad que se encuentran sobre la superficie.
1.2 Estructura de los detergentes
La composición de los detergentes varía dependiendo de su aplicación, sustrato o
impureza específica que se desea remover, además de su presentación, ya sean
detergentes en polvo y/o líquidos. A pesar de que existe una gran variedad de
componentes que se pueden añadir a los detergentes, estos se caracterizan por tener en su
composición una sustancia activa conocida como surfactante o tensoactivo.
Figura 1 Sustancias que componen un detergente líquido (García y Montoya, 2017)
5
1.3 Estructura química de los detergentes
Los detergentes son compuestos, que se encuentran formados principalmente por
moléculas anfipáticas, es decir, moléculas que poseen un extremo hidrofílico y un
extremo hidrocarbonado de carácter lipofílico. Estas moléculas, son conocidas como
tensoactivos o surfactantes porque disminuyen la tensión superficial del agua. Esta
característica en la estructura de los detergentes, permiten que, al formar una solución
acuosa, los tensoactivos se disocien.
1.3.1 Estructura química de los diferentes tipos de surfactantes
1.3.1.1 Surfactantes Aniónicos
Los surfactantes aniónicos se caracterizan porque al formar una solución acuosa, se
disocian en una parte aniónica y una parte catiónica que comúnmente es un metal alcalino.
Al momento de la disociación su estructura se modifica y consta de una parte extrema
polar cargada negativamente (cabeza) y una la cadena larga alquílica. Debido a su carga
negativa, al entrar en contacto con el agua de lavado, la parte aniónica del surfactante
pueden reaccionar con los iones de calcio y magnesio que ocasionan la dureza del agua,
es por esta razón que para utilizar este tipo de surfactantes es necesario la ayuda de un
coadyuvante, el cual secuestra las moléculas de calcio y magnesio ocasionando que el
surfactante no pierda su actividad.
Figura 2 Estructura química de los surfactantes aniónicos (Calixto, 2011)
6
1.3.1.2 Surfactantes catiónicos
Los surfactantes catiónicos se forman de reacciones producidas entre los haluros de
alquilo y aminas grasas primarias, secundarios o terciarias. Al momento de formar una
solución acuosa, se produce una disociación de sus moléculas en una parte catiónica y
una parte aniónica que comúnmente es un halógeno. La carga catiónica de este tipo de
surfactantes reduce la tensión superficial y son utilizados como agentes humectantes en
medios ácidos.
Figura 3 Estructura química de los surfactantes catiónicos (Calixto, 2011)
1.3.1.3 Surfactantes no iónicos
Los surfactantes no iónicos se caracterizan porque al momento solubilizarse en agua,
estos no aportan iones a la solución acuosa. “Los alcoholes etoxilados, las aminas
etoxiladas y óxido de aminas son las más utilizadas en la producción de surfactantes no
iónicos” (Azarmi y Ashjaran, 2015, p. 5). Debido a sus diferentes grados de etoxilación
este tipo de surfactantes pueden ser utilizados como un buen tipo de detergente para fibras
textiles.
Figura 4 Estructura química de los surfactantes no iónicos (Calixto, 2011)
7
1.3.1.4 Surfactantes anfóteros
Los tensoactivos anfóteros tiene dos grupos funcionales, uno de tipo aniónico y otro de
tipo catiónico unidos a la misma molécula. Se caracteriza por ser muy poco irritantes,
haciéndolo muy útil para ser utilizado en la industria farmacéutica y cosmética. Además
de tener una buena compatibilidad con otro tipo de surfactantes, un ejemplo de esto, es
que aumentan la viscosidad en soluciones que utilizan surfactantes aniónicos.
Figura 5 Estructura química de los surfactantes anfóteros (Calixto, 2011)
1.4 Función de los tensoactivos
1.4.1 Poder mojante o humectación
Los tensoactivos contenidos en los detergentes, son moléculas que al disminuir la tensión
superficial del líquido ocasiona que éste pueda extenderse a lo largo de la superficie del
sólido, es decir, lo moja. “Si el líquido es polar (agua), y el sólido apolar, las moléculas
de tensioactivo se disponen con la parte lipófila hacia el sólido, y la parte hidrófila hacia
el agua”. (Solé A., 2014, p. 8)
1.4.2 Espumante
Es una característica propia de los tensoactivos, la espuma se genera por el ingreso del
aire al interior del líquido. Al momento del ingreso de aire, el tensoactivo lo rodea de
inmediato, con la parte apolar dirigida hacia el agua y la parte polar dirigida hacia el aire.
1.4.3 Detergencia
El poder detergente, es la característica más relevante y de mayor utilidad de los
tensoactivos, la remoción de material no deseado sobre una superficie hace que los
tensoactivos sean utilizados en gran cantidad, esta capacidad de detergencia se debe
8
principalmente a su composición química, la cadena hidrofóbica o lipofílica (cola) se
dirige hacia la materia a remover, mientras que la parte hidrofílica (cabeza) se dirige hacia
el agua formando de esta manera las denominadas micelas, que ayudan a remover y
transportar moléculas insolubles de los materiales.
Los aditivitos enzimáticos permiten potencializar la acción de detergencia, éstas catalizan
reacciones de hidrólisis de moléculas complejas (proteínas, lípidos, etc.), generando
estructuras de menor tamaño y más fáciles de eliminar.
1.5 Las enzimas en los detergentes
El uso de enzimas como aditivos en detergentes generan una potencialización del factor
de limpieza del detergente sobre un material. Por ejemplo, la adición de la enzima
proteasa a un detergente en condiciones de pH y temperatura óptimas ayuda a la
liberación de material proteico contenidas en las manchas que se desean remover. En la
tabla 1, se observa algunos tipos de enzimas y como estas ayudan a la limpieza de un
material.
Tabla 1 Efecto de limpieza causado por diferentes enzimas
Enzima Actividad Usos
Proteasas Catalizan la hidrólisis de proteínas hacia
los aminoácidos que los componen.
Remueven proteínas, elimina
el detritus de base proteica
(sangre, esputos, mucosidad).
Amilasas
Hidrolizan los enlaces alfa-glucósidos de
almidones, para la formación de
azúcares simples.
Se utilizan para eliminar
residuos de almidón.
Lipasas Hidrolizan el triglicerol a glicerol. Remueve grasas.
Celulasas Hidrolizan los enlaces beta-1,4 glucosa
en dextrinas hidrosolubles.
Descompone la celulosa,
transformándola en múltiples
monómeros de glucosa.
Fuente: Jacho, 2018.
1.6 Importancia de las enzimas en los detergentes
Las proteasas alcalinas microbianas dominan el mercado de las enzimas en la industria
de los detergentes. Estas proteasas añadidas a los detergentes ayudan a la liberación de
9
material proteico de las manchas. Además, permiten temperaturas de lavado menores y
períodos cortos de agitación, después del periodo de enjuagado. (García y Montoya, 2017,
p. 31)
Figura 6 Tipo de enzimas y porcentajes de uso en diferentes industrias (García y
Montoya, 2017)
1.7 Enzimas
Son catalizadores biológicos conocidas también como biocatalizadores, son protagonistas
fundamentales de los procesos del metabolismo celular y presentan características que las
hacen de vital importancia para el ser humano como son su poder catalítico y su
especificidad, es decir, son capaces de acelerar una reacción química.
Además, estos polímeros biológicos, al operar en condiciones adecuadas de pH y
temperatura se han convertido en pilares esenciales para la sostenibilidad de muchos
procesos industriales, catalizando reacciones para la generación de productos.
1.8 Cofactores
Los cofactores son sustancias no proteicas que colaboran en los procesos de catálisis de
las enzimas, ya que estas sustancias son capaces de llevar acabo reacciones químicas que
no se pueden realizar únicamente por el conjunto de aminoácidos que conforman a la
enzima.
Las enzimas que no cuentan con un cofactor se denominan apoenzima, mientras que la
apoenzima y el cofactor constituyen el complejo catalítico conocido como haloenzima.
10
Mientras que los metales son los cofactores más conocidos, las moléculas orgánicas
pequeñas son otro tipo de cofactores conocidos como coenzimas.
1.9 Actividad enzimática
Las enzimas aumentan la velocidad de reacción aproximadamente un millón de veces
más, desde reacciones complejas hasta las reacciones más sencillas son catalizadas por
las enzimas. La capacidad catalítica de estos biocatalizadores se debe principalmente a la
formación del complejo enzima-sustrato, los sustratos quedan unidos a la región de la
enzima conocida como centro activo.
Los centros activos de una enzima contienen residuos conocidos como grupos catalíticos
que participan directamente en la producción y ruptura de enlaces, es por esta razón que
la correcta formación del complejo enzima-sustrato ayuda a la formación del estado de
transición.
1.9.1 Factores que influyen en la actividad enzimática
Las enzimas son sustancias específicas y catalíticas capaces de producir un aumento en
la velocidad de reacción en factores de 106 o incluso mayores, pero para poder lograr este
poder catalítico se requieren condiciones especializadas. Las variables que afectan de
manera directa la actividad enzimática son las que se detallan a continuación.
1.9.1.1 Temperatura
La velocidad de una reacción química es duplicada cuando se produce un aumento de
10°C en la temperatura, es decir, que existe una dependencia entre la temperatura y la
velocidad de una reacción química y las reacciones bioquímicas no son la excepción. La
reacción química manifiesta este aumento en su velocidad por el incremento de energía
cinética que se producen en las moléculas, las mismas que aumentan su velocidad y
ocasionan de esta manera una mayor frecuencia de colisión entre ellas.
Sin embargo, temperaturas extremas pueden producir efectos negativos en las enzimas,
ocasionando su desnaturalización y afectando de esta manera al desarrollo de sus
funciones normales.
11
1.9.1.2 Potencial hidrógeno
Las reacciones catalizadas por enzimas, muestran una dependencia importante con la
concentración de ion hidrógeno. Los valores óptimos de pH para la actividad de las
enzimas, se encuentran en un rango de 5 a 9 (Harper, 2018, p. 74), valores inferiores o
superiores de pH pueden ocasionar una desnaturalización de las enzimas, afectando de
esta manera al proceso de formación del complejo enzima-sustrato.
1.9.1.3 Concentración de sustrato
Las enzimas muestran una clara dependencia con la concentración de sustrato, a medida
que la concentración de sustrato aumenta, la velocidad de reacción enzimática también
aumentara hasta que se alcance un valor máximo conocido como velocidad máxima. La
velocidad máxima de reacción enzimática se alcanza cuando todos los sitios activos de
las enzimas se encuentran saturados con sustratos, formando así el complejo enzima-
sustrato, de esta manera cuando se alcance este punto, el aumento en la concentración de
sustrato no representa un incremento considerable a la velocidad de reacción.
Figura 7 Efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad inicial de una
reacción catalizada por enzimas (Harper, 2013)
Donde:
Vi= Velocidad de reacción bioquímica
Vmax= Velocidad máxima de reacción bioquímica
Km= Concentración de sustrato donde se alcanza la mitad de la velocidad máxima de
reacción
A, B y C= Representa las diferentes concentraciones de sustrato que pueden ser
catalizados por enzimas
12
1.9.1.4 Concentración de enzimas
En una reacción enzimática al incrementar la concentración de biocatalizador (enzimas)
existirá un aumento en la velocidad de la reacción, ya que se podrá tener una mayor
participación de las mismas en la reacción catalizada. Sin embargo, un incremento
constante en la concentración de las enzimas no garantiza que la velocidad de reacción
continúe aumentando, puesto que cada vez existirán una menor cantidad de sustratos
utilizados para la formación del complejo enzima-sustrato, ocasionado un nulo impacto
sobre la velocidad de la reacción.
1.9.1.5 Presencia de inhibidores
Los inhibidores, son sustancias capaces de inhibir las actividades catalíticas de las
enzimas. Los agentes inhibidores pueden clasificarse en dos tipos: los inhibidores
competitivos, los cuales se caracterizan por tener una estructura similar a la molécula
sustrato y se unen con facilidad al centro activo de la enzima bloqueando el acceso del
sustrato, mientras que los inhibidores no competitivos son los que producen un cambio
en la forma de las enzimas por la reacción con su sitio activo.
1.10 Clasificación de las enzimas
Las enzimas en su mayoría se clasifican por la reacción que catalizan, de esta manera la
International Union of Biochemists (IUB), creo un sistema de nomenclatura de enzimas,
donde se identifica a la enzima, debido al tipo de reacción catalizada, de esta manera
según Harper, las enzimas se agrupan en seis clases:
1. Oxidorreductasas: catalizan oxidaciones y reducciones
2. Transferasas: catalizan la transferencia de porciones, como grupos glucosilo, metilo
o fosforilo.
3. Hidrolasas: catalizan la división hidrolítica de C-C, C-O, C-N y otros enlaces
covalentes.
4. Liasas: catalizan la división de C-C, C-O, C-N y otros enlaces covalentes mediante
eliminación de un átomo, dejando dobles enlaces.
5. Isomerasas: catalizan cambios geométricos o estructurales dentro de una molécula.
6. Ligasas: catalizan la unión de dos moléculas en reacciones acopladas a la hidrólisis
de ATP.
13
1.11 Cinética de la catálisis enzimática
Todas las enzimas aceleran una reacción al disminuir la energía libre de Gibbs para la
formación de estados de transición.
La catálisis enzimática ocurre cuando el intermedio del estado de transición forma un
enlace covalente con la enzima conocida como catálisis covalente (Harper, 2010, p. 74).
El proceso de la catálisis enzimática se puede resumir en los siguientes pasos:
1. El sustrato accede al sitio activo de la enzima
2. Se forma un complejo enzima-sustrato (E-S)
3. Se lleva a cabo la reacción
4. Se liberan los productos
1.12 Diseño de procesos
El ingreso de un nuevo proceso en el ámbito industrial debe cumplir criterios de viabilidad
técnica y viabilidad económica, por tal motivo, el diseño de procesos es una tarea
interdisciplinaria que se encarga de la selección, dimensionamiento, configuración
adecuada de los equipos y de un análisis económico del nuevo proceso que ayudará a la
transformación de materia prima a productos con valor agregado.
Un proceso industrial solamente tiene estabilidad en el mercado y podrá mantenerse en
el tiempo si su aspecto económico es favorable, podemos identificar tres tipos de niveles
para el diseño de un proceso.
1.12.1 Ingeniería conceptual o diseño preliminar
En este primer nivel se toma información básica del proyecto, con diseños aproximados
y análisis económicos simples, se realizan balances de masa y energía, además de realizar
un diagrama de flujo del proceso, para tener un panorama más claro del nuevo proceso
industrial que se desea desarrollar.
1.12.2 Ingeniería básica
En el segundo nivel de ingeniería básica, se realiza un análisis económico más riguroso y
un diseño de equipos más elaborado, se procede a realizar el cálculo y selección de
equipos, tuberías y accesorios que formaran parte de la planta industrial que se está
diseñando.
14
1.12.3 Ingeniería de detalle o diseño final
El tercer nivel se lleva a cabo comúnmente por una firma especializada, ya que en este
nivel se requiere el diseño de planos altamente especificados y de detalle para la
construcción de los equipos seleccionados, además, se elabora un diseño más minucioso
de equipos de seguridad y se establece la filosofía del control automático de la planta de
procesos.
1.13 Norma INEN 848
Norma del Servicio Ecuatoriano de Normalización referida a los detergentes líquidos
utilizados en la industria y en máquinas lavadoras de uso domésticos y los requisitos que
este tipo de productos deben cumplir:
• INEN 815. Agentes tensoactivos muestreo.
• INEN 816. Agentes tensoactivos. Determinación de la materia insoluble en agua.
• INEN 817. Agentes tensoactivos. Determinación de la materia insoluble en
alcohol.
• INEN 818. Agentes tensoactivos. Determinación de humedad y materia volátil.
• INEN 848. Agentes tensoactivos. Detergentes líquidos para usos especiales.
15
2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
En este capítulo se describe la parte experimental, materias primas y la descripción del
procedimiento para la elaboración del detergente enzimático.
2.1 Diseño de la investigación
• Experimental: se planteó la formulación de un detergente con adición de una mezcla
de enzimas. Además, se caracteriza el detergente enzimático obtenido mediante
análisis físico-químicos y microbiológicos.
• Diseño: se realiza una ingeniería básica y conceptual para el diseño de la planta piloto
de producción de detergentes enzimáticos.
2.2 Diseño experimental
Para el diseño experimental se eligió un diseño factorial 2k, debido que muchos
experimentos implican variar algunos factores y estos pueden afectar los resultados.
2.2.1 Factores de Estudio
Factor de respuesta:
• Número de unidades formadoras de colonias en curetas para profilaxis manual
(instrumental odontológico).
Factores de estudio seleccionadas:
• Concentración del ion hidrógeno: el pH del detergente enzimático se establece en
un rango de 7 a 8, siendo 7 un valor “bajo” y 8 un valor “alto”
• Porcentaje de enzimas: el porcentaje de enzimas se establece entre 1% a 2%,
siendo 1% un valor “bajo” y 2% un valor “alto”.
Factores Fijos
• Presión y temperatura del laboratorio.
• Porcentaje de materias primas.
• Velocidad y tiempo de agitación.
16
• Calidad de los componentes.
Figura 8 Diagrama del diseño experimental
Donde:
pH= Concentración del ion hidrógeno
PE= Porcentaje de enzimas adicionadas
R= Número de unidades formadoras de colonias
2.3 Parte experimental
2.3.1 Materiales y Equipos
• Balanza R= [0-2000]g Ap.=±0.01g
• Vaso de precipitación R= [0-500]mL Ap.=±100 mL
• Vasos de precipitación R= [0-1000]mL Ap.=±200 mL
• Probeta R= [50-1000]mL Ap.=±10 mL
• Agitador magnético de placa caliente
• Potenciómetro
• Picnómetro
Detergente formulado
pH1
PE11 R111
PE12 R121
pH2
PE21 R211
PE22 R221
17
2.3.2 Materias primas
• Agua H2O (l)
• Ácido Etilendiaminotetraacético C10H16N2O8 (s)
• Metasilicato de sodio Na2SiO3 (s)
• Ácido sulfónico lineal C19H32O3S (l)
• Lauril éter sulfato de sodio C12H25NaO3S (gel)
• Enzimas
2.3.3 Procedimiento
• Colocar el lauril éter sulfato de sodio en un vaso de precipitación de 1L.
• Añadir un tercio de agua destilada en el recipiente, calentar hasta una temperatura
máxima de 40°C y agitar constantemente hasta formar una mezcla homogénea y
totalmente transparente.
• Colocar el ácido sulfónico lineal en otro vaso de precipitación y añadir agua
destilada, agitar constantemente hasta formar una mezcla homogénea.
• Añadir la mezcla anterior a la solución de agua y lauril éter sulfato de sodio, agitar
constantemente hasta que se forme una solución transparente.
• Añadir los componentes sólidos: ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) y
metasilicato de sodio, de manera individual y agitar hasta formar una solución
transparente.
• Registrar el pH con el uso de un potenciómetro y adicionar las enzimas cuando el
pH marcado por el equipo se encuentre en un rango de 7 a 8.
• Se envasa en un recipiente que no permita el paso de la luz, para evitar la
degradación de las enzimas con el transcurso del tiempo.
2.4 Caracterización de la materia prima
2.4.1 Agua
Tabla 2 Propiedades fisicoquímicas del agua destilada
Parámetro Unidad Valor
Densidad Kg/m3 998.204
Viscosidad (18°C) Kg/m-s 0.001054
Fuente: Perry y Green, 1997.
18
2.4.2 Lauril éter sulfato de sodio
Tabla 3 propiedades fisicoquímicas del lauril éter sulfato de sodio
Parámetro Unidad Valor
Densidad Kg/m3 1030
Viscosidad (25°C) Kg/m-s 25
pH (1% en solución acuosa) - >7
Fuente: Grupo Transmerquim (GTM), 2017.
2.4.3 Ácido sulfónico lineal
Tabla 4 Propiedades fisicoquímicas del ácido sulfónico lineal
Parámetro Unidad Valor
Densidad Kg/m3 1060
Viscosidad (25°C) Kg/m-s 1.25
pH - 1
Fuente: Grupo Transmerquim (GTM), 2016.
2.4.4 Metasilicato de sodio
Tabla 5 Propiedades fisicoquímicas del metasilicato de sodio
Parámetro Unidad Valor
Presentación Microgránulos blancos
Densidad Kg/m3 950-1030
pH (solución acuosa) - 12.4
Fuente: Fermagri, 2019.
2.4.5 Ácido etilendiaminotetraacético (EDTA)
Tabla 6 Propiedades fisicoquímicas del EDTA
Parámetro Unidad Valor
Estado físico Cristales
Densidad Kg/m3 900
Solubilidad (20°C) g/mL 0.05/100
Fuente: Grupo Transmerquim (GTM), 2017.
19
2.4.6 Enzimas
Tabla 7 Test químicos de las enzimas
Enzima Valor estándar Resultado Método de análisis
Amilasa no menor a 4500 IU/mL 5550 IU/mL Espectrofotométrico
Proteasa no menor a 10000 IU/mL 10050 IU/mL Espectrofotométrico
Lipasa no menor a 10000 IU/mL 10150 IU/mL Titrimétricos
Celulasa no menor a 500 IU/mL 550 IU/mL Espectrofotométrico
Pectinasa no menor a 300 IU/mL 320 IU/mL Espectrofotométrico
Mananasa no menor a 100 IU/mL 110 IU/mL Espectrofotométrico
Fuente: Suministros químicos (SUMIQUIN), 2017.
20
2.5 Matriz de experimentación
En la matriz de experimentación se detalla el número de experimentaciones y las observaciones más relevantes.
Tabla 8 Matriz de experimentaciones de la formulación del detergente enzimático
Características
Experimentación
Composición de materia prima Cambios en la formulación Observaciones
Experimentación 1
Agua destilada
Lauril éter sulfato de sodio
Metasilicato de sodio
Tripolifosfato de sodio
Ácido sulfónico lineal
Citrato de sodio
Enzimas
Base de detergente líquido
70%
9%
9%
3%
3%
3%
2%
1%
Ninguno.
El tiempo de agitación aumenta para la
disolución total del surfactante.
Mediante análisis de estabilidad se
observa la formación de un precipitado
blanquecino.
Experimentación 2
Agua destilada
Lauril éter sulfato de sodio
Metasilicato de sodio
Tripolifosfato de sodio
Ácido sulfónico lineal
Citrato de sodio
Base de detergente líquido
Enzimas
75%
10%
7%
2%
2%
2%
1%
1%
Se aumenta el porcentaje de
agua destilada.
Continua la formación de precipitado
blanquecino, además no es posible
obtener un pH óptimo entre 7 a 8 para la
adición de las enzimas.
Experimentación 3
Agua destilada
Lauril éter sulfato de sodio
Metasilicato de sodio
Tripolifosfato de sodio
Ácido sulfónico lineal
Citrato de sodio
75%
10%
8%
2%
2%
2%
Se elimina como materia
prima la base para detergente
líquido.
Para controlar una excesiva formación
de espuma, se opta por la eliminación de
la base para detergente. Se evidencia
problemas al momento de la disolución
total del surfactante lauril éter sulfato de
sodio.
21
Enzimas 1%
Experimentación 4
Agua destilada
Lauril éter sulfato de sodio
Metasilicato de sodio
EDTA
Ácido sulfónico lineal
Citrato de sodio
Enzimas
75%
10%
8%
2%
2%
2%
1%
Se elimina como materia
prima el uso de tripolifosfato
de sodio y es reemplazado por
el EDTA.
Mediante una consulta bibliográfica se
determina que el tripolifosfato de sodio
es causante de la eutrofización. Se
observa la disminución de precipitado
blanquecino.
Experimentación 5
Agua destilada
Lauril éter sulfato de sodio
Metasilicato de sodio
EDTA
Ácido sulfónico lineal
Enzimas
79%
10%
3%
3%
3%
2%
Se disminuye la adición del
metasilicato de sodio y se
elimina el citrato de sodio,
debido a que producen un
aumento en la viscosidad del
producto.
No se obtiene el pH óptimo para la
adición de las enzimas. Desaparición del
precipitado blanquecino. Se observa la
presencia de grumos no disueltos del
lauril éter sulfato de sodio.
Experimentación 6
Agua destilada
Lauril éter sulfato de sodio
Metasilicato de sodio
EDTA
Ácido sulfónico lineal
Enzimas
78%
8%
5%
4%
3%
2%
Se disminuye el porcentaje
del lauril éter sulfato de sodio
y se aumenta la temperatura
del agua.
Se observa una completa disolución del
surfactante, el producto presenta poca
viscosidad y se mantiene transparente.
No se consigue el pH óptimo para la
adición de las enzimas.
Experimentación 7
Agua destilada
Lauril éter sulfato de sodio
Metasilicato de sodio
EDTA
Ácido sulfónico lineal
Enzimas
81%
6%
4%
4%
3%
2%
Se aumenta la concentración
de agua destilada en la
formulación del detergente.
Se obtiene un pH entre 7 a 8 y se
adiciona las enzimas.
Experimentación 8
Agua destilada
Lauril éter sulfato de sodio
EDTA
Ácido sulfónico lineal
Metasilicato de sodio
Enzimas
81%
7%
4%
3%
3%
2%
Se disminuye el porcentaje de
metasilicato de sodio.
Se obtiene un producto con un pH
óptimo, poco viscoso, se procede a
fabricar un litro para validación
microbiológica en la Facultad de
Ciencias Químicas de la Universidad
Central del Ecuador.
22
Experimentación 9
Agua destilada
Lauril éter sulfato de sodio
EDTA
Ácido sulfónico lineal
Metasilicato de sodio
Enzimas
81%
7%
4%
3%
3%
2%
Igual que la experimentación
8.
Se realiza un lavado de instrumental
dental provenientes del centro de salud
Malchingui del M.S.P. Se observa la
eliminación de manchas de sangre y no
se observa inicios de corrosión.
Experimentación 10
Agua destilada
Lauril éter sulfato de sodio
EDTA
Ácido sulfónico lineal
Metasilicato de sodio
Enzimas
81%
7%
4%
3%
3%
2%
Igual que la experimentación
8 y 9.
Se realiza una prueba microbiológica en
la Facultad de Ingeniería Química.
Número Total de
experimentaciones: 10
Número Total de formulaciones: 10 Número Total de
modificaciones:7
Número Total de observaciones: 9
23
2.6 Análisis económico obtenido de la experimentación 8
Tabla 9 Análisis económico de la experimentación 8
Composición Concentración Peso (g) Costo ($)
Agua 81% 3778.18 2.50
Lauril éter sulfato de sodio 7% 326.51 1.05
Ácido Etilendiaminotetraacético 4% 186.58 1.85
Acido sulfónico lineal 3% 139.93 0.38
Metasilicato de sodio 3% 139.93 0.18
Enzimas 2% 93.29 4.66
Costo 10.62
Los costos de los diferentes componentes para la producción del detergente enzimático
se visualizan en el Anexo C.
2.7 Determinación del pH
La determinación del pH del detergente se realiza con un potenciómetro siguiendo la
norma INEN 820. La misma que indica que se debe realizar una solución 1% del
detergente, después se introduce el potenciómetro, con agitación de la solución y se
registra el valor del pH marcado.
2.8 Determinación de la densidad
La determinación de la densidad se la realiza mediante el uso de un picnómetro. Este
método se basa en pesar el picnómetro completamente limpio y seco (para evitar errores
en la experimentación), se coloca el detergente líquido hasta el aforo y se procede a tapar.
Se pesa el picnómetro con el detergente líquido y se realiza una diferencia de los dos
pesos determinados.
Se obtiene la densidad de la muestra, al dividir la masa calculada con el volumen conocido
del picnómetro.
2.9 Determinación de la viscosidad
La viscosidad del detergente enzimático se determinó mediante el uso de un viscosímetro
de caída de bola. Este método consiste en determinar el tiempo en el que tarda en caer
una esfera de diámetro y densidad conocida por el seno de un fluido por acción de la
gravedad, la viscosidad del fluido se puede determinar mediante la ecuación de Stokes.
24
3 BASES Y CRITERIOS DE DISEÑO
3.1 Sistemas de unidades de medición
Las unidades de medición utilizadas son del Sistema Internacional (SI), a excepción de la
temperatura la cual se midió en °C para una mejor interpretación de los resultados.
Tabla 10 Sistemas de unidades de medición
Variable Unidad
Flujo másico Kilogramos por segundo (Kg/s)
Flujo volumétrico Metro cúbico por segundo (m3/s)
Velocidad Metro por segundo (m/s)
Densidad Kilogramo por metro cubico (Kg/m3)
Viscosidad Kilogramo por metro segundo (Kg/m-s)
Longitud Metro (m)
Diámetro Metro (m)
Temperatura Grados Celsius (°C)
Masa Kilogramo (Kg)
Volumen Metro cubico (m3)
Presión Pascal (Pa)
Potencia Watts (W)
Numero de Reynolds Adimensional
Numero de la potencia Adimensional
3.2 Ubicación geográfica del proyecto
La planta de producción de detergentes enzimáticos se planificó ubicarla en la comunidad
de Cochasqui, cantón Pedro Moncayo, ubicada en la provincia de Pichincha, a
continuación, se muestra la ubicación geográfica.
25
Coordenadas geográficas: 0°01’53.3”N 78°18’45.7”O
Figura 9 Ubicación geográfica real de la planta
3.3 Capacidad de diseño
El diseño de los equipos de la planta piloto de detergentes enzimáticos se dimensionó
para la producción de 180 L/h, en un tiempo de operación de 6 horas diarias.
3.4 Criterios para el diseño de la planta piloto
3.4.1 Intercambiador de Calor
El agua que disuelve al lauril éter sulfato de sodio en el tanque de agitación, debe ingresar
a una temperatura de 40 °C. Se emplea un intercambiador de tubo y carcasa para aumentar
la temperatura del agua de una temperatura ambiental promedio de 18°C, por medio de
agua de calentamiento que ingresa a 60°C. Se emplea el método de la LMDT
(Diferencia de temperatura media logarítmica) el cual resulta adecuado para la
determinación del tamaño de un intercambiador de calor. (Cengel, 2007, p. 632)
3.4.1.1 Ecuación de diseño de un intercambiador de calor
𝑄 = 𝑈 ∗ 𝐴𝑠 ∗ ∆𝑇𝑚𝑙 (1)
Donde:
Q= Calor transferido, W
26
As= Superficie de Transferencia de Calor, m2
ΔTml= Diferencia de temperatura media logarítmica, °C
3.4.1.2 Calor perdido por el fluido Caliente
𝑄 = 𝑚1 ∗ 𝐶𝑝1 ∗ (𝑇1 − 𝑇2) (2)
Donde:
Q= Calor transferido, W
m1= Flujo másico del fluido caliente, Kg/s
Cp1= Calor específico del fluido caliente, J/ Kg °C
T1= Temperatura de entrada del fluido caliente, °C
T2= Temperatura de salida del fluido caliente, °C
3.4.1.3 Calor ganado por el fluido frío
𝑄 = 𝑚2 ∗ 𝐶𝑝2 ∗ (𝑡1 − 𝑡2) (3)
Q= Calor transferido, W
m2= Flujo másico del fluido frío, Kg/s
Cp2= Calor específico del fluido frío, J/ Kg °C
t1= Temperatura de entrada del fluido frío, °C
t2= Temperatura de salida del fluido frío, °C
3.4.1.4 Diferencia de temperatura media logarítmica
∆𝑇𝑚 =(𝑇1−𝑡2)−(𝑇2−𝑡1)
ln(𝑇1−𝑡2
𝑇2−𝑡1)
(4)
Donde:
t1= Temperatura de entrada del fluido frío, °C
t2= Temperatura de salida del fluido frío, °C
27
T1= Temperatura de entrada del fluido caliente, °C
T2= Temperatura de salida del fluido caliente, °C
3.4.1.5 Factor de corrección de la diferencia de temperatura media logarítmica
∆𝑇𝑚𝑙 = 𝐹 ∗ ∆𝑇𝑚 (5)
3.4.1.5.1 Razones R y P para el cálculo del factor de corrección
𝑃 =𝑡2 − 𝑡1
𝑇1 − 𝑡1 (6)
𝑅 =𝑇1 − 𝑇2
𝑡2 − 𝑡1 (7)
Donde:
t1= Temperatura de entrada del fluido del lado tubo, °C
t2= Temperatura de salida del fluido del lado del tubo, °C
T1= Temperatura de entrada del fluido del lado coraza, °C
T2= Temperatura de salida del fluido del lado coraza, °C
El factor de corrección F, puede ser determinado mediante las gráficas del anexo F.
3.4.1.6 Área del Intercambiador de calor
𝐴𝑠 =𝑄
𝑈 ∗ ∆𝑇𝑚𝑙 (8)
3.4.1.7 Coeficiente de transferencia de calor
Los coeficientes de transferencia de calor se calcularán en la superficie interna y en la
superficie externa del intercambiador de calor.
3.4.1.8 Número de Reynolds
𝑅𝑒 =𝜌 ∗ 𝑣𝑖 ∗ 𝐷𝑖
𝑢 (9)
28
𝑅𝑒 =𝜌 ∗ 𝑣0 ∗ 𝐷𝑜
𝑢 (10)
Donde:
Re= Número de Reynolds, adimensional
vi= Velocidad del fluido que circula por el tubo interno, m/s
vo= Velocidad del fluido que circula por el tubo externo, m/s
Di= Diámetro del lado tubos, m
Do= Diámetro del lado carcasa, m
u= Viscosidad del fluido, Kg/m-s
3.4.1.9 Numero de Nusselt
𝑁𝑢 =ℎ𝑖 ∗ 𝐷𝑖
𝑘 (11)
𝑁𝑢 =ℎ𝑜 ∗ 𝐷𝑜
𝑘 (12)
𝑃𝑟 =𝑢 ∗ 𝐶𝑝
𝑘 (13)
Donde:
Un= Número de Nusselt, adimensional
Pr= Número de Prandlt, adimensional
hi= Coeficiente de transferencia de calor en el lado tubos, W/m2-°C
ho= Coeficiente de transferencia de calor en el lado carcasa, W/m2-°C
k= Conductividad térmica, W/m-°C
29
3.4.1.10 Número de Nusselt para flujo laminar
El flujo dentro de un tubo se considera laminar cuando el número de Reynolds es menor
a 2300
𝑁𝑢 = 3.66 +0.065 ∗ (𝐷/𝐿) ∗ 𝑅𝑒 ∗ 𝑃𝑟
1 + 0.04 ∗ [(𝐷/𝐿) ∗ 𝑅𝑒 ∗ 𝑃𝑟]23
(14)
3.4.1.11 Número de Nusselt para flujo turbulento
Un flujo se considera turbulento cuando el Re>10 000
𝑁𝑢 =(𝑓/8) ∗ (𝑅𝑒 − 1000) ∗ 𝑃𝑟
1 + 12.7 ∗ (𝑓/8)0.5(𝑃𝑟2/3 − 1) (15)
3.4.1.12 Coeficiente global de transferencia de calor
Debido a que el intercambiador de calor a diseñar es un tipo de intercambiador de calor
agua-agua, es posible utilizar un valor de coeficiente global de transferencia de calor
recomendado por la bibliografía (Ver anexo F). Sin embargo, este valor también puede
ser determinado mediante la siguiente ecuación:
𝑈 =1
1ℎ𝑖
+1
ℎ𝑜+ 𝑅𝑓𝑖 + 𝑅𝑓𝑜 +
𝐿𝑛2𝜋 ∗ 𝑘 ∗ 𝐿
(16)
Donde:
Rfi= Factor de ensuciamiento en la superficie interna, m2*°C/W
Rfo= Factor de ensuciamiento en la superficie externa, m2*°C/W
k= conductividad térmica del material, W/m °C
L= Longitud del intercambiador de calor, m
3.4.1.13 Diámetro de los tubos del intercambiador de calor
Los diámetros de los tubos utilizados en intercambiadores de calor se encuentran en el
rango de 5/8 pulgadas (16mm) a 2 pulgadas (50mm), mientras que la longitud preferente
para los tubos de los mismos son 6ft (1.83m), 8ft (2.44m), 12ft (3.66m), 16 ft (4.88m),
20 ft (6.10m) y 24ft (7.32 m) (Towler y Sinnott, 2008).
30
3.4.1.14 Diámetro de la carcasa del intercambiador de calor
La British Standard BS 3274 recomienda que el diámetro de la carcasa de un
intercambiador de calor puede tener un rango de 6 pulgadas (150 mm) hasta 42 pulgadas
(1067 mm), sin embargo, según la TEMA se puede alcanzar hasta valores de 60 pulgadas
(1520mm) (Towler y Sinnott, 2008).
3.4.1.15 Número de tubos del intercambiador de calor
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 = 𝑘 ∗ (𝐷𝑏
𝑑𝑜)
𝑛
(17)
Donde:
K y n= constante para el número de tubos
Db= diámetro de la carcasa, mm
Do= diámetro externo de los tubos, mm
3.4.2 Tuberías
3.4.2.1 Dimensionamiento de las tuberías
Para el dimensionamiento de las tuberías de utilizo las velocidades recomendadas para
líquidos fuera del punto de ebullición de la norma API RP 14E. Se asumió un diámetro
inicial de la tubería y se procedió a realizar un proceso iterativo hasta obtener las
velocidades recomendadas en la norma mencionada.
𝐴 =𝜋 ∗ 𝐷2
4 (18)
𝑣 =𝑄
𝐴 (19)
𝑅𝑒 =𝜌 ∗ 𝑣 ∗ 𝐷
𝜇 (20)
Donde:
D= Diámetro de la tubería, m
31
Q= Flujo volumétrico, m3/s
𝜌= Densidad del fluido, Kg/m3
v= Velocidad del fluido, m/s
μ= Viscosidad del fluido, Kg/m-s
Re= Numero de Reynolds, adimensional
3.4.3 Bomba centrífuga
Las bombas son las encargadas del transporte de un fluido de un punto a otro, para esto,
las bombas incrementan la energía del fluido, aumentado de esta manera, su velocidad,
presión o elevación, o las tres anteriores.
3.4.3.1 Carga neta de succión positiva
En las bombas centrifugas el NSPH (Net positive succion head), es un parámetro que
relaciona la presión de succión y la presión de vapor. Si la presión de succión es sólo
ligeramente mayor a la presión de vapor, es posible que una cantidad de líquido se
evapore, ocasionado un fenómeno llamado cavitación (McCabe y Smith, 2007)
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 𝑃𝑆 − 𝑃𝑣𝑎𝑝 ± 𝐻𝑠 − 𝑃ℎ𝑓 (21)
Donde:
Ps= Presión de succión, Pa
Pvap= Presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, Pa
Hs= diferencia de elevación entre el nivel del fluido en el depósito y la entrada de la
bomba, m
Phf= pérdidas dinámicas en la tubería de succión, Pa
3.4.3.2 Presión normal de succión
𝑃𝑆 = 𝑃1 + 𝐻𝑆1 − ∆𝑃𝑓𝑠 (22)
𝐻𝑠1 = 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ ℎ (23)
32
Donde:
P1= Presión del recipiente de succión, Pa
Hs1= Presión hidrostática del fluido, Pa
∆𝑃𝑓𝑠= Pérdidas dinámicas en la tubería de succión, Pa
h= Diferencia de altura entre la superficie del líquido y la entrada de la bomba, m
𝜌 = Densidad del fluido a la temperatura de bombeo, Kg/m3
g= Fuerza de gravedad, m/s2
3.4.3.3 Perdidas dinámicas en la línea de succión
∆𝑃𝑓𝑠 = ∆𝑃𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 + ∆𝑃𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 (24)
∆𝑃𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 = 8𝑓 ∗ (𝐿𝑒𝑞
𝐷𝑠𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛) ∗
𝜌𝑣2
2 (25)
Donde:
f= Factor de fricción, adimensional
D= Diámetro de la tubería de succión, m
Leq= Longitud equivalente, m
3.4.3.4 Presión normal de descarga
𝑃𝑑 = 𝑃2 + 𝐻𝑆2 + ∆𝑃𝑓𝑑 (26)
Donde:
P2= Presión del recipiente de descarga, Pa
Hs2= Presión Hidrostática, Pa
∆𝑃𝑓𝑑= Perdidas dinámicas en la línea de descarga, Pa
33
3.4.3.5 Perdidas dinámicas en la línea de descarga
∆𝑃𝑓𝑑 = ∆𝑃𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 + ∆𝑃𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 (27)
∆𝑃𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 = 8𝑓 ∗ (𝐿𝑒𝑞
𝐷𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎) ∗
𝜌𝑣2
2 (28)
Donde:
f= Factor de fricción, adimensional
D= Diámetro de la tubería de descarga, m
Leq= Longitud equivalente, m
3.4.3.6 Presión diferencial
Resulta de la diferencia de la presión de descarga y la presión de succión
∆𝑃 = 𝑃𝑑 − 𝑃𝑠 (29)
3.4.3.7 Potencia hidráulica de la bomba
𝐻. 𝐻𝑃 =𝑄 ∗ ∆𝑃
1714 (30)
Donde:
H.HP= Potencia hidráulica de la bomba, hp
Q= Flujo volumétrico, gpm
∆𝑃= Diferencia de presión de succión y descarga, Psia
3.4.3.8 Potencia al freno de la bomba
𝐵. 𝐻𝑃 =𝐻. 𝐻𝑃
𝑛𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 (31)
Donde:
nbomba= eficiencia de la bomba hidráulica
34
3.4.3.9 Potencia del motor de la bomba
𝐸. 𝐻𝑃 =𝐵. 𝐻𝑃
𝑛𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 (32)
Donde:
nmotor= eficiencia del motor
3.4.4 Tanque de agitación
El éxito de un proceso industrial depende en ocasiones de la efectividad de la operación
de agitación y mezclado. La operación de agitación se realiza a nivel industrial con
numerosos propósitos, sin embargo, para el diseño principal de la planta de producción
de detergentes enzimáticos, el objetivo es la mezcla de líquidos miscibles con un alto
grado de homogeneidad (McCabe y Smith, 2008).
3.4.4.1 Impulsadores (agitadores)
La viscosidad del fluido es una de las principales variables de diseño de un tanque agitado.
Los agitadores tipo turbina son recomendables para líquidos que presenta viscosidades de
hasta 100 Pa*s, los propulsores son recomendados para fluidos con viscosidad inferior a
los 3 Pa*s, mientras que los agitadores helicoidales se han utilizado y han resultado
adecuados para fluidos con hasta 25000 Pa*s (Geankoplis, 1998).
3.4.4.2 Diseño estándar de una turbina
Como punto de partida para el diseño de un sistema de agitación, generalmente se utiliza
un agitador tipo turbina.
3.4.4.3 Diámetro del tanque de agitación
𝐻
𝐷𝑡= 1 (33)
Donde:
H= altura del fluido, m
Dt= diámetro del tanque de agitación, m
35
Sin embargo, para un factor de sobre diseño se considera una relación de:
𝐻
𝐷𝑡= 2 𝑎 3 (34)
3.4.4.4 Diámetro del agitador
𝐷𝑎
𝐷𝑡=
1
3 (35)
Donde:
Da= Diámetro del impulsor o agitador, m
3.4.4.5 Ancho de las paletas
𝑊
𝐷𝑎=
1
5 (36)
Donde:
W= ancho de las paletas del impulsor, m
3.4.4.6 Longitud de la paleta del impulsor
𝐿
𝐷𝑎=
1
4 (37)
L= Longitud de la paleta del impulsor
3.4.4.7 Distancia del agitador sobre el fondo del tanque de agitación
𝐸
𝐷𝑡=
1
3 (38)
Donde:
E= altura desde el fondo del tanque de agitación hasta el centro del agitador, m
3.4.4.8 Ancho del deflector
𝐽
𝐷𝑡=
1
12 (39)
36
Donde:
J= ancho del deflector del tanque de agitación, m
3.4.4.9 Números adimensionales
3.4.4.9.1 Número de Reynolds
𝑁´𝑅𝑒 =𝜌 ∗ 𝑁 ∗ 𝐷𝑎
2
𝑢 (40)
Donde:
𝜌= densidad del fluido, Kg/m3
N= velocidad de rotación, rev/s
Da= diámetro del impulsor (agitador), m
μ = viscosidad del fluido, Kg/m-s
El flujo es laminar cuando N´Re <10, turbulento cuando N´Re> 10000 y para un intervalo
de 10 a 10000 el flujo es de transición (Geankoplis, 1998).
3.4.4.9.2 Número de Froude
𝐹𝑟 =𝑁2 ∗ 𝐷𝑎
𝑔 (41)
Donde:
N= velocidad de rotación, rev/s
Da= diámetro del impulsor (agitador), m
g= aceleración de la gravedad, m/s2
Número de la potencia
𝑁𝑝 =𝑃
𝜌 ∗ 𝑁3 ∗ 𝐷𝑎5 (42)
37
Donde:
P= Potencia consumida por el motor del agitador, W
3.4.4.10 Cálculo del consumo de potencia
3.4.4.10.1 Consumo de potencia para régimen laminar con o sin placas deflectoras
𝑁𝑝 =𝐾𝐿
𝑅𝑒 (43)
𝑃 = 𝐾𝐿 ∗ 𝑁2 ∗ 𝐷𝑎3 ∗ 𝑢 (44)
Donde:
KL, constante para el cálculo de la potencia en régimen laminar
3.4.4.10.2 Consumo de potencia para régimen turbulento con o sin placas deflectoras
𝑁𝑝 = 𝐾𝑇 (45)
𝑃 = 𝐾𝑇 ∗ 𝑁3 ∗ 𝐷𝑎5 ∗ 𝜌 (46)
Donde:
KT= constante para el cálculo de la potencia en régimen turbulento
Tabla 11 Constantes KL y KT para el cálculo de la potencia
Tipo de impulsor KL KT
Hélice paso cuadrado, tres palas 41 0.32
Hélice paso de 2, tres palas 43.5 1.00
Turbina, seis palas planas 71.0 6.30
Turbina, seis palas curvas 70.0 4.80
Turbina de ventilador, seis palas 70.0 1.65
Turbina de dos palas planas 36.5 1.70
Turbina cerrada, seis palas curvas 97.2 1.08
Fuente: Castillo, 2013
38
4 CÁLCULOS
4.1 Diseño del intercambiador E-001
Para el diseño del intercambiador de calor de tubo y carcasa se consideró los siguientes
criterios.
Tabla 12 Parámetros para el diseño del intercambiador de calor de tubo y carcasa
Variable Valor Unidad
Fluido frio-Agua
Temperatura de entrada 18.00 °C
Temperatura de salida 40.00 °C
Flujo másico 0.03 Kg/s
Densidad del fluido 996.2 Kg/m3
Capacidad calorífica 4178.40 J/Kg-°C
Fluido de calefacción-Agua
Temperatura de entrada 60.00 °C
Densidad del fluido 985.08 Kg/m3
Capacidad calorífica 4182.88 J/Kg-°C
4.1.1 Calor ganado por el fluido frío
𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 0.03𝑘𝑔
𝑠∗ 4178.4
𝐽
𝐾𝑔 °𝐶∗ (40 − 18) °𝐶
𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 2757.74 𝑊
Se conoce que por balance de energía
𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜
4.1.2 Caudal de la temperatura de salida del fluido caliente
Para el cálculo de la temperatura de salida del agua de calentamiento, se asume un valor
de flujo másico. Este valor asumido, se comprueba con las dimensiones recomendadas
para intercambiadores de calor.
39
Para un flujo másico asumido de 0.07 Kg/s, se obtiene la siguiente temperatura de salida
del fluido caliente:
𝑇2 = 60 °𝐶 −2757.74 𝑊
0.07𝐾𝑔𝑠
∗ 4182.88𝐽
𝐾𝑔 °𝐶
𝑇2 = 50.58 °𝐶
4.1.3 Diferencia de temperatura media logarítmica
∆𝑇𝑚 =(60 − 40)°𝐶 − (50.58 − 18)°𝐶
ln (60 − 40
50.58 − 18)
∆𝑇𝑚 = 25.78 °𝐶
Factores para usar en el monograma para determinar el factor de corrección de la
diferencia de temperatura media logarítmica.
𝑃 =40 − 18
60 − 18= 0.52
𝑅 =60 − 50.58
40 − 18= 0.43
Por lo tanto, el factor de corrección de la diferencia de temperatura media logarítmica es
de 0.93.
∆𝑇𝑚 = 25.78 ∗ 0.93
∆𝑇𝑚 = 23.97 °𝐶
4.1.4 Superficie de transferencia de calor
El valor del coeficiente global de transferencia de calor se obtuvo mediante bibliografía
recomendado, este valor se puede ver en el Anexo F.
𝐴 =2757.74 𝑊
800𝑊
𝑚2 °𝐶∗ 23.97 °𝐶
𝐴 = 0.14 𝑚2
40
4.1.5 Diámetro de los tubos y carcasa del intercambiador de calor
El diámetro seleccionado para los tubos es de 0.0381 m, el cual se encuentra en el rango
recomendado. El diámetro seleccionado para la carcasa es de 0.15m, siendo el diámetro
mínimo recomendado. Estos valores fueron seleccionados, para tener concordancia con
el valor del área de transferencia de calor determinada.
4.1.6 Determinación del número de tubos
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 = 0.215 ∗ (381 𝑚𝑚
1500 𝑚𝑚)
2.207
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 = 4.43 ≈ 5
Los valores de las constantes K y n fueron determinados en el anexo F.
4.1.7 Longitud de los tubos del intercambiador de calor
𝐴 = 𝑛 ∗ 𝜋 ∗ 𝐿 ∗ 𝐷𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
𝐿 =0.14𝑚2
4.43 ∗ 𝜋 ∗ 0.0381 𝑚
𝐿 = 0.27 𝑚
4.2 Dimensionamiento de la tubería de la planta piloto
El diámetro de las tuberías de la planta piloto de producción de detergentes enzimáticos,
es calculado para una tubería de Acero inoxidable 304.
4.2.1 Diámetro de la tubería de succión de la bomba centrifuga
Para evitar la formación de espuma al ingreso de la bomba centrifuga, el número
adimensional de Reynolds debe encontrase en un régimen laminar.
𝐷𝑠𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 0.0191 𝑚
𝐴 =𝜋(0.0191 𝑚)2
4
𝐴 = 2.85𝑥10−4 𝑚2
41
𝑣 =4.55𝑥10−5 𝑚3
𝑠2.85𝑥10−4𝑚2
𝑣 = 0.159𝑚
𝑠
𝑅𝑒 =(984.12
𝑘𝑔𝑚3) ∗ (0.159
𝑚𝑠 ) ∗ (0.0191𝑚)
0.0015𝐾𝑔𝑚 𝑠
𝑅𝑒 = 1993.96
El número adimensional de Reynolds obtenido es de 1993.96, con este valor el flujo de
ingreso a la bomba centrífuga se encuentra en régimen laminar.
4.2.2 Diámetro de la tubería de descarga de la bomba centrífuga
𝐷𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 0.0127 𝑚
𝐴 =𝜋(0.0127 𝑚)2
4
𝐴 = 1.27𝑥10−4𝑚2
𝑣 =4.55𝑥10−5 𝑚3
𝑠1.27𝑥10−4𝑚2
𝑣 = 0.358𝑚
𝑠
𝑅𝑒 =(984.12
𝑘𝑔𝑚3) ∗ (0.358
𝑚𝑠
) ∗ (0.0127𝑚)
0.0015𝐾𝑔𝑚 𝑠
𝑅𝑒 = 2990.94
El número adimensional de Reynolds obtenido es de 2990.94, con este valor es posible
asegurar que el flujo a la salida de la bomba centrífuga no se encuentra en régimen
turbulento, evitando de esta manera la formación de espuma en la tubería y en el tanque
de agitación ST-003.
42
4.3 Diseño de la bomba centrífuga P-001
Tabla 13 Parámetros para el diseño de la bomba centrífuga
Variable Valor Unidad
Flujo másico 0.0448 Kg/s
Temperatura 20 °C
Densidad 984.12 Kg/m3
Viscosidad 0.0015 Kg/m-s
Tabla 14 Datos de la tubería de succión y descarga
Datos de la tubería Valor Unidad
Diámetro de succión 0.0191 m
Diámetro de descarga 0.0127 m
Rugosidad 4.6 x 10-5 m
Longitud de succión 2.20 m
Longitud de descarga 9.70 m
Accesorios en la línea de succión • Codo estándar de 90
• Válvula de compuerta
Accesorios en la línea de descarga • Codo estándar de 90
• Válvula check
• Medidor de flujo
• Válvula de compuerta
4.3.1 Cálculo de la presión normal de succión
4.3.1.1 Cálculo de la presión del recipiente de succión
𝑃1 = 0.7105 𝑎𝑡𝑚 ∗101325 𝑃𝑎
1 𝑎𝑡𝑚= 71991.41 𝑃𝑎
4.3.1.2 Cálculo de la presión hidrostática en la línea de succión
𝐻𝑠1 = (984.12𝐾𝑔
𝑚3∗ 9.81
𝑚
𝑠2∗ (1 + 1.2)𝑚) + 4898.73 𝑃𝑎
𝐻𝑠1 = 26138.01 𝑃𝑎
43
4.3.1.3 Cálculo de las pérdidas dinámicas en la línea de succión
4.3.1.3.1 Pérdidas por fricción en la línea de succión
Tabla 15 Longitud equivalente de los accesorios de la línea de succión
Accesorio Longitud equivalente
Codo estándar de 90 23.00
Válvula de compuerta 7.50
𝑅𝑒 = 1993.96
Con el valor calculado del número de Reynolds y el anexo G, se determina un factor de
fricción de 0.0036
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 (𝑓) = 0.0036
𝐿𝑒𝑞 = (23 ∗ 0.0191𝑚) + (7.50 ∗ 0.0191𝑚) + 2.20𝑚
𝐿𝑒𝑞 = 2.78 𝑚
∆𝑃𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 = 8 ∗ 0.036 ∗ (2.78 𝑚
0.0191 𝑚) ∗
(984.12𝐾𝑔𝑚3) ∗ (0.159
𝑚𝑠 )
2
2
∆𝑃𝑓𝑠 = ∆𝑃𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 = 52.66 𝑃𝑎
𝑃𝑠 = 71991.41 𝑃𝑎 + 26138.01 𝑃𝑎 − 52.66 𝑃𝑎
𝑷𝒔 = 𝟗𝟖𝟎𝟕𝟔. 𝟕𝟔 𝑷𝒂
𝑷𝒔 = 𝟏𝟒. 𝟐𝟑 𝑷𝒔𝒊𝒂
4.3.2 Cálculo de la presión normal de descarga
4.3.2.1 Cálculo de la presión del recipiente de descarga
𝑃2 = 0.7105 𝑎𝑡𝑚 ∗101325 𝑃𝑎
1 𝑎𝑡𝑚= 71991.41 𝑃𝑎
4.3.2.2 Cálculo de la presión hidrostática en la línea de descarga
𝐻𝑠2 = (984.12𝐾𝑔
𝑚3∗ 9.81
𝑚
𝑠2∗ (1.3 + 0.2)𝑚) + 4898.73 𝑃𝑎
𝐻𝑠1 = 19380.05 𝑃𝑎
44
4.3.2.3 Cálculo de las pérdidas dinámicas en la línea de descarga
4.3.2.3.1 Pérdidas por fricción en la línea de descarga
Tabla 16 Longitud equivalente de los accesorios de la línea de descarga
Accesorios Longitud equivalente
Codo estándar de 90 23.00
Válvula de compuerta 7.50
Válvula check 100
𝑅𝑒 = 2990.94
Con el valor calculado del número de Reynolds y el anexo G, se determina un factor de
fricción de 0.0025
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 (𝑓) = 0.0025
𝐿𝑒𝑞 = (23 ∗ 0.0127𝑚) + (7.50 ∗ 0.0127𝑚) + (100 ∗ 0.0127𝑚) + 9.70𝑚
𝐿𝑒𝑞 = 11.35 𝑚
∆𝑃𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 = 8 ∗ 0.0025 ∗ (11.35 𝑚
0.0127) ∗
(984.12𝐾𝑔𝑚3) ∗ (0.358
𝑚𝑠 )
2
2
∆𝑃𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 = 1134.00 𝑃𝑎
∆𝑃𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 = 4 𝑃𝑠𝑖 ∗6894.76 𝑃𝑎
1 𝑃𝑠𝑖= 27579.04 𝑃𝑎
∆𝑃𝑓𝑑 = 1134.00 𝑃𝑎 + 27579.04 𝑃𝑎
∆𝑃𝑓𝑑 = 28713.05 𝑃𝑎
𝑃𝑑 = 71991.41 𝑃𝑎 + 19380.05 𝑃𝑎 + 28713.05 𝑃𝑎
𝑷𝒅 = 𝟏𝟐𝟎𝟎𝟖𝟒. 𝟓𝟐 𝑷𝒂
𝑷𝒅 = 𝟏𝟕. 𝟒𝟐 𝑷𝒔𝒊𝒂
45
4.3.3 Cálculo de la presión diferencial
∆𝑃 = 120084.52 𝑃𝑎 − 98076.76 𝑃𝑎
∆𝑃 = 22007.75 𝑃𝑎
∆𝑃 = 3.19 𝑃𝑠𝑖𝑎
4.3.4 Cálculo de la potencia hidráulica de la bomba
𝐻. 𝐻𝑃 =0.711 𝑔𝑝𝑚 ∗ 3.19 𝑃𝑠𝑖𝑎
1714
𝐻. 𝐻𝑃 = 0.0013 𝐻𝑃
4.3.5 Cálculo de la potencia al freno de la bomba
𝐵. 𝐻𝑃 =0.0013
0.6
𝐵. 𝐻𝑃 = 0.0022 𝐻𝑃
4.3.6 Cálculo de la potencia del motor de la bomba
𝐵. 𝐻𝑃 =0.0022 𝐻𝑃
0.9
𝐵. 𝐻𝑃 = 0.0025 𝐻𝑃
𝐵. 𝐻𝑃 = 1.85 𝑊
4.3.7 Cálculo de la NPSH disponible
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 14.23 𝑃𝑠𝑖𝑎 − 0.34 𝑃𝑠𝑖𝑎 + 3.83 𝑃𝑠𝑖𝑎 − 0.0075 𝑃𝑠𝑖
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 17.67 𝑃𝑠𝑖𝑎
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 121830.36𝑃𝑎
4.4 Diseño del tanque de agitación
Para el diseño de los tanques de agitación se seleccionó un impulsor tipo turbina de 6
paletas, debido a que este tipo de agitador produce corrientes muy intensas en líquidos,
además, este tipo de impulsores son recomendados para un amplio rango de viscosidades.
46
Las dimensiones de los tanques de agitación se estandarizaron para el diseño de la planta
piloto.
Tabla 17 Parámetros para el diseño del tanque de agitación ST-001
Variable Valor Unidad
Flujo másico 0.03 Kg/s
Densidad 998.00 Kg/m3
Viscosidad 0.0010 Kg/m-s
4.4.1 Dimensiones del tanque de agitación
Los tanques de agitación por lo general tienen forma cilíndrica y deben cumplir las
relaciones establecidas en el apartado 3.4.4. El volumen de agua (diluyente) que ingresa
al tanque de agitación ST-001 será de 119.04 L, por lo que el equipo tendrá las siguientes
dimensiones:
Tabla 18 Dimensiones para el diseño de los tanques de agitación
Altura, m Diámetro, m Volumen, L
1.00 0.50 196.35
4.4.2 Altura del líquido
Para un sobre diseño de la planta se utilizará una relación entre la altura del líquido y el
diámetro del tanque de 2.
𝐻
𝐷𝑡= 2
𝐻 = 1 𝑚
4.4.3 Cálculo del diámetro del agitador
𝐷𝑎
𝐷𝑡=
1
3
𝐷𝑎 =0.50 𝑚
3
𝐷𝑎 = 0.167 𝑚
47
4.4.4 Ancho de las paletas
𝑊
𝐷𝑎=
1
5
𝑊 =0.167 𝑚
5
𝑊 = 0.033 𝑚
4.4.5 Distancia del agitador sobre el fondo del tanque de agitación
𝐸
𝐷𝑡=
1
3
𝐸 =0.50 𝑚
3
𝐸 = 0.167 𝑚
4.4.6 Ancho del deflector
𝐽
𝐷𝑡=
1
12
𝐽 =0.50
12
𝐽 = 0.0416 𝑚
4.4.7 Número adimensional de Reynolds
Debido a que el fluido que se agitará es un fluido poco viscoso los valores de las
revoluciones por minuto (RPM) para este tipo de fluido se encuentra en un rango de 90 a
170 RPM.
Se utilizará un valor de 170 RPM para el agitador ST-001 y ST-002, sin embargo, para el
agitador ST-003 se utilizará un valor de 120 RPM, debido a que en este tanque de
agitación se adicionaran las enzimas, por lo que es necesario evitar la formación de
espuma y acciones mecánicas fuertes.
𝑁´𝑅𝑒 =998
𝐾𝑔𝑚3 ∗
170 𝑅𝑃𝑀60 ∗ 0.1672
0.0010 𝑃𝑎 ∗ 𝑠
48
𝑁´𝑅𝑒 = 78546.30
4.4.8 Determinación del número de la potencia
Mediante el anexo H, es posible determinar el número de la potencia de un agitador de
turbina de seis paletas. Con el valor del número de Reynolds de 78546.30 y el uso de la
curva 2, se determina un Np de 4.
4.4.9 Cálculo de la potencia de agitación
𝑁𝑝 =𝑃
𝑁3 ∗ 𝐷𝑎5 ∗ 𝜌
𝑃 = 𝑁𝑝 ∗ 𝑁3 ∗ 𝐷𝑎5 ∗ 𝜌
𝑃 = 4 ∗ (170 𝑅𝑃𝑀
60)
3
∗ (0.167 𝑚)5 ∗ 998𝐾𝑔
𝑚3
𝑃 = 11.68 𝑊
49
5 RESULTADOS
En este capítulo se presentan los siguientes resultados: formulación genérica obtenida,
análisis microbiológicos y físico-químicos del detergente enzimático, análisis del costo
de la materia prima. Se presentan los resultados de las especificaciones de los equipos y
cálculos obtenidos en el diseño de la planta piloto.
5.1 Formulación detergente enzimático
Tabla 19 Composición de la materia prima para la formulación del detergente
enzimático
Componentes Porcentaje en
masa (%)
Especificación
Agua 81 Solvente
Lauril éter sulfato de sodio 7 Surfactante Aniónico
Ácido Etilendiaminotetraacético 4 Coadyuvante
Ácido sulfónico lineal 3 Surfactante aniónico
Metasilicato de sodio 3 Aditivo
Enzimas 2 Aditivo
5.2 Resultados de los análisis físico-químicos y microbiológicos
Tabla 20 Resultados del análisis físico-químico del detergente enzimático
Parámetro Unidad Resultado
Organolépticos
Color N/A Característico
Olor N/A Característico
Aspecto N/A Liquido poco viscoso
Fisicoquímicos
pH -- 8.0
Densidad Kg/m3 984.12
50
Tabla 21 Resultados del análisis microbiológico del detergente enzimático
CONCENTRACIÓN: DIRECTO
Microorganismo 5min 10min 20min 40min
escherichia Coli - - - -
bacillus cereus - - - -
salmonella spp. - - - -
pseudomona aeruginosa - - - -
staphylococcus aureus - - - -
Fuente: Facultad de Ciencias Químicas, Laboratorio de microbiología. Oferta de
Servicios y Productos (OSP).
5.3 Ensayos preliminares de instrumental odontológico contaminado
Tabla 22 Ensayo preliminar de UFC’s con agar nutritivo para bacterias aerobias
Medio de cultivo Agar Nutritivo
Método Análisis por placa pobre
Tiempo 24 horas
Número de
muestra Parámetro
Valor
estándar Resultados
M1
Número de unidades
formadoras de colonias
(UFC/mL)
≤ 100 UFC
90
M2 44
M3 11
M4 0
Tabla 23 Ensayo preliminar de UFC’s con agar sabouraud para hongos y levaduras
Medio de cultivo Agar Dextrosa de Sabouraund
Método Análisis por pocillo
Tiempo 7 días
Número de
muestra Parámetro
Valor
estándar Resultados
M1
Número de unidades
formadoras de colonias
(UFC/mL)
≤ 100 UFC
0
M2 0
M3 0
M4 0
51
5.4 Actividad del detergente enzimático
Tabla 24 Actividad del detergente en agar nutritivo para bacterias aerobias
Medio de cultivo Agar Nutritivo
Método Análisis por placa pobre
Tiempo 24 horas
Número de
muestra Parámetro
Valor
estándar Resultados
M1
Número de unidades
formadoras de colonias
(UFC/mL)
0 UFC/ml de
detergente
0
M2 0
M3 0
M4 0
Tabla 25 Actividad del detergente en agar sabouraud para hongos y levaduras
Medio de cultivo Agar Dextrosa de Sabouraund
Método Análisis por placa pobre
Tiempo 7 días
Número de
muestra Parámetro
Valor
estándar Resultados
M1
Número de unidades
formadoras de colonias
(UFC/mL)
0 UFC/ml de
detergente
0
M2 0
M3 0
M4 0
5.5 Análisis económico de la materia prima
Tabla 26 Análisis económico de la formulación final del detergente enzimático
Composición Concentración Peso (g) Costo ($)
Agua 81% 3778.18 2.50
Lauril éter sulfato de sodio 7% 326.51 1.05
Ácido Etilendiaminotetraacético 4% 186.58 1.85
Acido sulfónico lineal 3% 139.93 0.38
Metasilicato de sodio 3% 139.93 0.18
Enzimas 2% 93.29 4.66
Costo 10.62
52
5.6 Dimensionamiento del intercambiador de calor de tubo y carcasa E-001
Tabla 27 Resultado del dimensionamiento del intercambiador de calor E-001
Variables Condición normal de diseño Unidad
MLDT 23.97 °C
Área de transferencia 0.14 m2
Diámetro de los tubos 0.038 m
Diámetro carcasa 0.15 m
Número de tubos 5.00 -
Longitud de los tubos 0.27 m
Tabla 28 Temperaturas y calor transferido en el intercambiador de calor
Variables Condición normal
de diseño
Unidad
Temperatura de ingreso de los tubos 18.00 °C
Temperatura de salida de los tubos 40.00 °C
Temperatura de ingreso a carcasa 60.00 °C
Temperatura de salida de carcasa 50.58 °C
Calor transferido 2757.44 W
53
5.7 Dimensionamiento de las tuberías
Tabla 29 Dimensionamiento de tuberías
Parámetro Sección
2 3 5 6 7 8 12 Unidad
Temperatura 18 40 18 20 20 20 20 °C
Diámetro calculado 0.0064 0.0064 0.0032 0.0191 0.0191 0.0127 0.0064
m
Diámetro comercial 1/4 1/4 1/8 3/4 3/4 1/2 1/4 pulgadas
Velocidad del fluido 0.948 0.948 1.265 0.116 0.159 0.359 1.604 m/s
Velocidad del fluido dentro del
rango de la API RP 14E 3.112 3.112 4.150 0.384 0.523 1.177 5.263 ft/s
Número de Reynolds 5636.53 9153.30 3757.68 2066.72 1993.96 2990.94 6683.67 Adimensional
54
5.8 Bomba centrífuga
Tabla 30 Parámetros de operación de la bomba P-001
Parámetro Sección
7 8 Unidad
Diámetro de succión 0.0191 - m
Diámetro de descarga - 0.0127 m
Presión de succión 98076.76 - Pa
Presión de descarga 120084.52 Pa
NPSH Disponible 121830.36 Pa
NPSH Disponible 17.67 Psia
Tabla 31 Potencia de la bomba P-001
Parámetro Valor Unidad
H.HP 1.00 W
B.HP 1.67 W
E.HP 1.85 W
5.9 Tanques de agitación
5.9.1 Tanque de agitación ST-001
Tabla 32 Dimensiones del tanque de agitación ST-001
Parámetro Valor Unidad
Tipo de agitador Turbina de seis palas
Altura 1.00 m
Diámetro del tanque 0.50 m
Diámetro del agitador 0.167 m
Ancho de las paletas 0.033 m
Distancia del agitador del fondo 0.167 m
Ancho del deflector 0.0416 m
Tabla 33 Potencia del tanque de agitación ST-001
Parámetro Valor Unidad
Flujo másico 0.033 Kg/s
Número de revoluciones 170 rpm
Número de Reynolds 78546.30 -
Número de la Potencia 4 -
Potencia del agitador ST-001 11.68 W
55
5.9.2 Tanque de agitación ST-002
Tabla 34 Dimensiones del tanque de agitación ST-002
Parámetro Valor Unidad
Tipo de agitador Turbina de seis palas
Altura 1.00 m
Diámetro del tanque 0.50 m
Diámetro del agitador 0.167 m
Ancho de las paletas 0.033 m
Distancia del agitador del fondo 0.167 m
Ancho del deflector 0.0416 m
Tabla 35 Potencia del tanque de agitación ST-002
Parámetro Valor Unidad
Flujo másico 0.0447 Kg/s
Número de revoluciones 170 rpm
Número de Reynolds 51635.93 -
Número de la Potencia 4 -
Potencia del agitador ST-001 11.51 W
5.9.3 Tanque de agitación ST-003
Tabla 36 Dimensiones del tanque de agitación ST-003
Parámetro Valor Unidad
Tipo de agitador Turbina de seis palas
Altura 1.00 m
Diámetro del tanque 0.50 m
Diámetro del agitador 0.167 m
Ancho de las paletas 0.033 m
Distancia del agitador del fondo 0.167 m
Ancho del deflector 0.0416 m
Tabla 37 Potencia del tanque de agitación ST-003
Parámetro Valor Unidad
Número de revoluciones 120 rpm
Número de Reynolds 36448.89 -
Número de la Potencia 4 -
Potencia del agitador ST-001 4.05 W
56
6 DISCUSIÓN
• Formulación del detergente enzimático
Para que exista un correcto proceso de sanitización y esterilización del instrumental de
uso odontológico es necesario un paso previo de limpieza y remoción de materia orgánica
residual, por lo cual se utilizan enzimas como aditivos en la formulación de detergentes.
Con la finalidad de garantizar esta propiedad de limpieza se elabora un tipo de detergente
enzimático que debe reunir y pasar un control de calidad durante la etapa de producción
basado en la norma INEN 848 que recoge los requisitos de los detergentes líquidos para
usos especiales. Una de estas especificaciones hace referencia a la composición de
materia prima activa (tensoactivos), el detergente enzimático formulado tiene un valor
del 10% (m/m) superando el valor mínimo del 1 % (m/m) de materia activa que establece
la normativa citada. El rango seleccionado de pH de 7 a 8, además de evitar la inhibición
de las enzimas también se encuentra dentro del rango establecido por la norma.
Finalmente, es necesario el control de variables como la velocidad de agitación, la cual
no debe ser mayor a 120 RPM para evitar la desnaturalización o inhibición de las enzimas.
En el desarrollo de la parte experimental se realizó variaciones en los porcentajes de los
componentes adicionados para la elaboración del detergente puesto que el producto
obtenido en las primeras experimentaciones no se encontraba en el rango de pH de 7 a 8
recomendado por el proveedor de las enzimas ocasionado por el pH alcalino que aporta
el lauril éter sulfato de sodio y el metasilicato de sodio al encontrase en solución acuosa
(ver tabla 3 y 5) , dando como resultado al término de la formulación un pH del detergente
de 11.8, para la neutralización del detergente se adicionó ácido sulfónico lineal.
Los resultados de los ensayos de actividad del detergente enzimático muestran que las
curetas para profilaxis manual (instrumental odontológico) se encontraban contaminadas
con un valor máximo aproximado de 90 ufc/mL. Después del proceso de limpieza del
instrumental con detergente enzimático en un tiempo de acción de 24 horas el número de
unidades formadoras de colonias disminuyo de manera notable a valores de 0 ufc/mL,
cómo se observa en la tabla 24 actividad del detergente en agar nutritivo y en el anexo E.
57
Las curetas de profilaxis manual que sirvieron como muestras para ensayos, contenían
residuos sanguíneos en sus puntas y después de ser sumergidas en detergente enzimático
se observó la eliminación de la sangre por la catálisis enzimática de la reacción de
hidrolisis, la cual ocasiona la ruptura en los encales peptídicos, permitiendo de esta
manera mejorar la propiedad de detergencia, logrando eliminar los residuos orgánicos sin
necesidad de utilizar cepillos que pueden maltratar el instrumental odontológico.
Por otro lado, un gran número de instrumental odontológico como son fórceps, elevadores
y curetas de profilaxis se encuentran fabricados en acero inoxidable, haciendo que su
valor comercial aumente. Para evitar daños en el instrumental se realizó una prueba de
corrosión que consistió en mantener sumergido curetas de profilaxis por un periodo de
tiempo de 5 días, durante este tiempo, no se observó inicios de corrosión general en el
material.
• Diseño de la planta piloto
El diseño y dimensionamiento del intercambiador de calor se basó principalmente en el
método de la diferencia de temperaturas media logarítmica descrito en Cengel, 2007,
además, se consideró recomendaciones expuestas en Tower y Sinnott, 2008 y en la Norma
TEMA. El flujo de calor estimado para elevar la temperatura del agua (diluyente) a 40°C
con ayuda de agua de calentamiento fue de 2757.44 W, este valor fue comprobado con la
ayuda de un simulador comercial donde se obtuvo un valor similar de 2758.00 W (figura
18). El intercambiador diseñado presenta un área de transferencia de calor pequeña por el
flujo másico de 0.03 kg/s que por él circula, por lo que las dimensiones del intercambiador
de calor se ajustan a una planta piloto de pequeña escala.
Los tres tanques de agitación utilizados para la producción de detergente enzimático,
tienen las mismas dimensiones ya que se pretende estandarizar su diámetro y altura para
de esta manera disminuir gastos de mantenimiento. Para la selección del agitador tipo
turbina, se consideró la viscosidad del fluido mientras que la velocidad de giro del
agitador fue seleccionada en bibliografía recomendada. Se consideró la posibilidad de
formación de espuma en los tanques al aplicar una velocidad de agitación alta, por lo que
la potencia necesaria de los tres agitadores no supera los 12 W, debido a las bajas
revoluciones por minuto y a la poca viscosidad del detergente obtenido.
58
Para el dimensionamiento de las líneas de tuberías se basó en las velocidades
recomendadas en la Norma API RP 14E. El dimensionamiento de las tuberías se
considera aceptable, donde las velocidades obtenidas en las líneas 2,3,5 y 12 se
encuentran en el rango recomendado por la norma citada, sin embargo, para las líneas 6
y 7 se consideró para su diseño un diámetro y velocidad que permita al fluido encontrase
en un régimen laminar, comprobando esto mediante el cálculo del número de Reynolds
menor a 2100 y un régimen en transición en la corriente 8.
Terminado el dimensionamiento de los diámetros de las tuberías se diseñó la bomba
centrífuga, iniciando con la estimación del factor de fricción en las tuberías con resultados
de 0.0036 y 0.0025 en la línea de succión y de descarga respectivamente. Los valores
estimados son pequeños debido a que la planta piloto diseñada comienza a operar con
tuberías nuevas. Finalmente, la potencia determinada para la bomba es de 1.85 W por lo
que el uso de una bomba centrifuga de ¼ de hP puede satisfacer la necesidad de transporta
el fluido.
• Costos de producción del detergente enzimático.
Las diferentes experimentaciones presentan diferentes costos de producción, siendo el
más representativo el costo de las enzimas el cual encarece el producto final, sin embargo,
con el empleo del 2% de enzimas en la formulación es posible acelerar la velocidad de
reacción de hidrólisis de la materia orgánica del instrumental odontológico. En el mercado
nacional la empresa proquimec, importa presentaciones de un galón de detergente
enzimático, el cual tiene un valor de cincuenta y cinco dólares americanos.
59
7 CONCLUSIONES
• Se elaboró un detergente el cual contiene en su formulación un 2% de enzimas
(amilasa, proteasa, lipasa, celulasa, pectinasa y mananasa) y un pH en un rango
de 7 a 8, garantizando con estas características la limpieza del instrumental
odontológico mediante la eliminación de sangre y residuo dentario, previo a la
esterilización del material.
• Se determinó que el porcentaje óptimo de agua destilada como diluyente es del
81%, tensoactivos 10% (lauril éter sulfato de sodio y ácido sulfónico lineal),
coadyuvante 4% (EDTA) y aditivos 5% (metasilicato de sodio y enzimas), los
cuales al mezclarse proporcionan al detergente enzimático líquido una baja
viscosidad y una densidad de 984.12 kg/m3.
• La adición de enzimas como aditivos en los detergentes, permite potencializar la
acción de limpieza de los tensoactivos (Anexo E), puesto que este tipo de
catalizadores produce un aumento en la reacción de hidrólisis de los enlaces
peptídicos de la materia orgánica contenida en el instrumental odontológico.
• La producción de detergentes enzimáticos a escala industrial es posible debido a
que los equipos industriales tales como los tanques de agitación, el intercambiador
de calor y la bomba centrífuga son equipos de una larga vida útil con el
mantenimiento y manejo adecuado.
• A pesar del elevado costo de las enzimas en mercados extranjeros, el detergente
enzimático mantiene un precio rentable ya que los componentes activos como son
los tensoactivos, coadyuvantes y aditivos mantienen un bajo costo en el mercado
nacional, como se observa en el anexo C.
• Se diseño una planta piloto a pequeña escala destinada a la producción de
detergentes enzimáticos, con una capacidad de 180 L/h, siendo un flujo
60
volumétrico capaz de abastecer con el producto a pequeños clientes dentro de la
ciudad del Distrito Metropolitano de Quito.
• Se necesita un intercambiador de calor de tubo y carcasa con un área de
transferencia de calor de 0.14 m2 para calentar el agua de 18°C a 40°C,
necesitándose transferir una energía calorífica de 2577.44 W, debido
principalmente a que el flujo másico dentro de los tubos del intercambiador es de
0.03 Kg/s.
• Para el transporte del fluido al tanque de agitación ST-003 se requiere una bomba
centrifuga con una potencia de 1.86 W, sin embargo, en el mercado se puede
encontrar bombas de 186.43 W (1/4 hP), por lo que, si se instala una bomba
centrífuga de estas características, existiría un mayor consumo de energía.
• Se dimensionó tres tanques de agitación con una altura de 1m y diámetro de 0.5
m, capaz de almacenar 196.35 L, es decir, que los tanques se dimensionaron con
un factor de sobrediseño de 8.32%.
61
8 RECOMENDACIONES
• Se recomienda el uso de detergente enzimático con un pH de 8 ya que la
disminución del pH a un valor de 7 implica un mayor consumo de ácido sulfónico
lineal, aumentando el costo de producción del detergente enzimático.
• Dimensionar la planta de producción de detergentes enzimáticos con un sobre
diseño del 10% en el flujo másico, para de esta manera garantizar condiciones
normales y condiciones máximas de operación, evitando así daños en los equipos
dimensionados.
• Realizar un estudio de factibilidad para conocer el costo de instalación de la planta
piloto de producción de detergentes enzimáticos, en el canto de Pedro Moncayo,
en la comunidad de Cochasqui.
• Comprobar el dimensionamiento de las tuberías y su caída de presión mediante el
uso de un software comercial.
• Implementar sistemas de control automatizado, como transmisores de nivel en los
tanques de agitación, para evitar el derrame de producto, además de colocar un
controlador de velocidad en los motores del tanque de agitación, para asegurar
revoluciones bajas y evitar la formación de espuma.
• Colocar placas deflectoras en los tanques de agitación, para evitar la formación
del vórtice de agitación, y con este la formación de puntos muertos, que ocasionen
una mala agitación dentro del tanque.
• Plantear los cálculos de una bomba de desplazamiento positivo, para de esta
manera ver la viabilidad de realizar un cambio de bomba que permita transportar
el fluido con un menor consumo de energía.
62
• Modificar el diseño de la planta piloto de detergentes enzimáticos, a un diseño
tipo cascada, para de esta manera evitar la instalación de una bomba que transporte
el fluido, y así poder utilizar la fuerza de gravedad para el transporte de fluido a
los diferentes tanques.
• Realizar un análisis económico y un balance de energía para el cambio del
intercambiador de calor por un sistema de calentamiento del agua mediante el uso
de un sistema con una resistencia eléctrica.
63
CITAS BIBLIOGRÁFICAS
Azarmi R. y Ashjaran A. (2015). Type and application of some common surfactants.
Journal of Chemical and Pharmaceutical Research.
Berg. J., Tymoczko J. y Stryer L. (2007). Bioquímica. Sexta Edición. Editorial Reverté.
Calixto H. (2011). Surfactantes Química y Aplicaciones. Universidad Nacional de
Ingeniería. Escuela Profesional de Química. Perú.
Castillo V. Diseño y cálculo de un agitador de fluidos. Universidad del BIO-BIO.
Facultad de Ingeniería. Chile: Universidad del BIO-BIO.
Cengel Y. (2007). Transferencia de calor y masa. México. Editorial McGraw-Hill
Fermagrí (2017). Innovación en los fertilizantes. Recuperado el 14 de septiembre del
2019, de: http://www.fermagri.com/
García J. y Montoya L. (2017). Evaluación de la incorporación de enzimas proteasas en
un detergente líquido para la remoción de manchas de sangre, aplicando la metodología
de diseño de productos químicos. Fundación Universidad de América. Facultad de
Ingenierías. Colombia.
Geankoplis C. (1998). Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. México.
Compañía Editorial Continental.
Grupo Transmerquim (GTM), (2017). Recuperado el 10 de septiembre del 2019, de:
http://www.gtm.net/es/industrial/hojasdeseguridad.html
Murray R. y et al. (2013). Bioquímica Ilustrada. México. Editorial McGraw-Hill.
McCabe W, Smith J. y Harriott P. (2007). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química.
México. Editorial McGraw-Hill.
Perry R. y Green D. (1997). Manual del Ingeniero Químico. Editorial McGraw-Hill.
64
Secretaría de Ambiente de Municipio de Quito (2014). Estudio de la línea base sobre el
uso y consumo de detergentes biodegradables y aceites comestibles de uso comercial
domésticos con la finalidad de plantear posibles políticas para su regulación e
incentivos”. Ecuador.
Solé A. (2014). Tensoactivos en la Industria Textil. Revista Tecnología.
Revista LÍDERES (2016). El detergente en polvo es el preferido en el mercado nacional.
Grupo el Comercio.
Towler y Sinnott (2008). Chemical Engineering Design-Principles Practice and
Economics of Plant and Process Design.
65
BIBLIOGRAFÍA
Altmajer D. (2004). Formulaciones de detergentes biodegradables: Ensayos de Lavado.
Universidad de Granda. Facultad de Ciencias. Departamento de Ingeniería Química.
Granada.
Branan C. (s/f). Soluciones Prácticas para el Ingeniero Químico. Segunda edición.
Editorial McGraw-Hill.
Cerda-Mejia L. (2016). Enzimas modificadoras de la pared celular vegetal. Celulasas de
interés biotecnológico papelero. Universidad de Barcelona. Facultad de Biología.
Departamento de Microbiología. España.
Gas Processors Suppliers Association (2004). Engineering Data Book. Volumen II.
Jacho M. (2018). Capacidad de eliminación en residuos orgánicos en limas-k a nivel del
tercio coronal, medio y apical utilizando ultrasonido vs limpieza manual en dientes
uniradiculares. Estudio in vitro. Universidad Central del Ecuador. Facultad de
Odontología.
Jiménez A. (2003). Diseño de Procesos en Ingeniería Química. México. Editorial
Reverté.
Levenspiel O. (2004). Ingeniería de las Reacciones Químicas. Editorial Limusa Wiley.
Muthuprasanna P. et al. (2009). Basic and Potencial Aplications of Surfactants.
International Journal of PharmTech Research.
Ocon J. y Tojo G. (1976). Problemas de Ingeniería Química-Operaciones Básicas.
Editorial Aguilar.
Vásquez Joselyn (2018). Diseño de planta piloto para pirólisis con reactor tipo Spouted
bed de neumáticos usados. Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniería
Química.
66
ANEXOS
67
ANEXO A Informe de resultados de análisis microbiológicos
68
ANEXO B Certificado de análisis de las enzimas
69
ANEXO C Cotización para la producción del detergente
Tabla 38 Cotización de materias primas para la producción de detergente
CLIENTE LUIS PULLAS
DIRECCIÓN MENA DEL HIERRO
TELEFONO 6017511
RUC --
FECHA 07-11-2019
Ord Descripción Presentación Cantidad P.V. P
1 Agua destilada GALÓN 1.0 2.50
2 Lauril éter sulfato de sodio Kg 0.5 1.61
3 Ácido sulfónico lineal Kg 0.5 1.35
4 Metasilicato de sodio Kg 0.5 0.64
5 EDTA chino Kg 1.0 4.42 Subtotal 10.52
12% I.V. A 1.26
TOTAL 11.78
Fuente: LA CASA DE LOS QUÍMICOS LAQUIN CIA LTDA (2019). Quito-Ecuador
70
ANEXO D Ensayos preliminares
Características Resultado
Muestra: N°1
Material muestreado:
Cureta para profilaxis
Muestra: N°2
Material muestreado:
Cureta para profilaxis
71
Continuación
Características Resultado
Muestra: N°3
Material muestreado:
Cureta para profilaxis
Muestra: N°4
Material muestreado:
Piso del Aula N° 304
Lab. De Biotecnología
Industrial de la FIQ-
UCE
Figura 10 Ensayo preliminar con agar nutritivo
72
Características Resultado
Muestra: N°1
Material muestreado:
Cureta para profilaxis
Muestra: N°2
Material muestreado:
Cureta para profilaxis
73
Continuación
Características Resultado
Muestra: N°3
Material muestreado:
Cureta para profilaxis
Muestra: N°4
Material muestreado:
Piso del Aula N° 304
Lab. De Biotecnología
Industrial de la FIQ-
UCE
Figura 11 Ensayo preliminar con agar sabouraud
74
ANEXO E Actividad del detergente
Características Resultado
Muestra: Blanco
Muestra: N°1
Material muestreado:
Cureta para profilaxis
75
Continuación
Características Resultado
Muestra: N° 2
Material muestreado:
Cureta para profilaxis
Muestra: N° 3
Material muestreado:
Cureta para profilaxis
Figura 12 Actividad del detergente enzimático en agar nutritivo
76
Características Resultado
Muestra: Blanco
Muestra: N° 1
Material muestreado:
Cureta para profilaxis
77
Continuación
Características Resultado
Muestra: N° 2
Material muestreado:
Cureta para profilaxis
Muestra: N° 3
Material muestreado:
Cureta para profilaxis
Figura 13 Actividad del detergente enzimático en agar sabouraud
78
ANEXO F Intercambiador de Calor
Figura 14 Factor de corrección para un intercambiador de tubo y carcasa (Cengel,
2007)
79
Figura 15 Valores comunes del coeficiente de transferencia de calor (Towerl y Sinnott,
2008)
Figura 16 Constantes para el cálculo del número de tubos (Towerl y Sinnott, 2008)
80
Figura 17 Diámetro de la carcasa del intercambiador de calor (Towler y Sinnottt, 2008)
Figura 18 Calor transferido en el intercambiador de calor determinado en un software
81
Figura 19 Nomenclatura de los intercambiadores de calor (TEMA, 2007)
82
ANEXO G Tuberías y Bomba Centrífuga
Figura 20 Diagrama de Moody
83
Figura 21 Número de diámetros equivalentes para accesorios y válvulas (Towler y
Sinnott, 2008)
84
Figura 22 Velocidades recomendadas en la Norma API RP 14E
Figura 23 Propiedades del agua saturada (Cengel, 2007)
85
ANEXO H Tanques de agitación
Figura 24 Diagrama de relación entre el número de la potencia y el número de
Reynolds.
86
ANEXO I Diagrama de flujo de la planta piloto