UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE … · ii DERECHOS DE AUTOR Yo, Luis David Pullas...

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

[email protected]

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



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 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


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


Densidad Kg/m3 1060

Viscosidad (25°C) Kg/m-s 1.25

pH - 1


2.4.4 Metasilicato de sodio

Tabla 5 Propiedades fisicoquímicas del metasilicato de sodio


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


Estado físico Cristales

Densidad Kg/m3 900

Solubilidad (20°C) g/mL 0.05/100


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





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





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



EDTA


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



EDTA


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



EDTA


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



EDTA


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


EDTA



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


EDTA



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


EDTA



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:


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)


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



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



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


M1

Número de unidades


(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


Tiempo 24 horas

Número de

muestra Parámetro

Valor


M1

Número de unidades


(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


Tiempo 7 días

Número de

muestra Parámetro

Valor


M1

Número de unidades


(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


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



Número de revoluciones 170 rpm

Número de Reynolds 78546.30 -

Número de la Potencia 4 -

Potencia del agitador ST-001 11.68 W

55





Altura 1.00 m

















Altura 1.00 m












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

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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



71

Continuación


Muestra: N°3



Muestra: N°4


Piso del Aula N° 304

Lab. De Biotecnología

Industrial de la FIQ-

UCE

Figura 10 Ensayo preliminar con agar nutritivo

72


Muestra: N°1



Muestra: N°2



73

Continuación


Muestra: N°3



Muestra: N°4


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


Muestra: Blanco

Muestra: N°1



75

Continuación


Muestra: N° 2



Muestra: N° 3



Figura 12 Actividad del detergente enzimático en agar nutritivo

76


Muestra: Blanco

Muestra: N° 1



77

Continuación


Muestra: N° 2



Muestra: N° 3



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

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