Universidad Nacional de San Juan Departamento de Ingeniería Química Proyecto de Instalación Industrial “DISEÑO DE UNA PLANTA PARA LA FABRICACIÓN DE DETERGENTE TIPO LAVAVAJILLA” Por: Celina Valeria Podetti San Juan, Abril 2019 Fabricación de Detergente AGRADECIEMINTOS INDICE Resumen Instalación de una planta industrial de producción de detergentes con la fabricación propia de botellas con un porcentaje de plástico reciclado. Se desea fomentar el desarrollo institucional y de la industria local, insertando al mercado un producto con un precio competitivo y con altos estándares de calidad. Fabricación de Detergente Capítulo I INTRODUCCIÓN Fabricación de Detergente Objetivo Generales Desarrollar la ingeniería básica de una planta comercial de detergente sintético tipo lavavajillas, a partir de la utilización de una mezcla de agentes tensioactivos como materia prima y agregando sustancias adicionales como fragancias y mejoradores que le confieren propiedades particulares al detergente, competitivas con el mercado existente. El objetivo general de la investigación es determinar la viabilidad de mercado, tecnológica, financiera y ambiental para la instalación de una planta productora de detergente líquido. Objetivos Específicos Elaborar un estudio de mercado que permita definir la viabilidad comercial y la forma como se comporta el mercado de los detergentes en Argentina y el Mercosur. Ratificar la existencia de una necesidad insatisfecha en el mercado, o la posibilidad de la introducción al mercado a un mejor precio de los existentes. Definir la participación de nuestra empresa en el mercado e identificar potenciales mercados en la zona del Mercosur. Determinar la mejor ubicación de la planta procesadora. Proponer un DFP (Diagrama de flujo del proceso) que cumpla con los objetivos técnicos y económicos citados, donde el proceso asegure alta flexibilidad en la operación. Realizar el diseño de los equipos necesarios para la implementación del proceso a escala industrial. Realizar el balance de masa y energía del proceso. Evaluar la viabilidad tecnológica y química del proyecto. Realizar una estimación de costos aproximado. Evaluar la factibilidad económica del proyecto mediante la tasa interna de retorno y el tiempo de retorno de inversión. Definición del Problema El producto a desarrollar y comercializar es un detergente líquido tipo lavaplatos. Hoy en día, el consumidor argentino cuenta con mayor información gracias a las nuevas tecnologías y a la globalización, lo que le permite ser cada vez más exigente en cuanto a calidad y presentación de los productos. Por otro lado, del análisis de diversas consultoras privadas, surge que son pocas las empresas en Argentina y el Mercosur que ofrecen productos que satisfacen las exigencias del consumidor sumado a que llevan muchos años fuertemente establecidas en el mercado. Esto ha generado un fenómeno muy particular, donde se ve un oligopolio, por no decir un monopolio de pocas empresas que lideran el mercado. Esto no es completamente saludable para este último porque las mismas son formadoras de precios, lo que preocupa a nivel económico y social, en especial frente a un escenario donde en el último mes el tipo de cambio se devaluó cerca de un 20% haciendo que se transfiera a los precios en los sectores de consumo masivo como son los detergentes. Según la consultora privada Focus Market, en el sector de limpieza, 6 fabricantes (de un total de 52) tienen 82,11% del mercado, con 10% de las empresas generando el 80% de la facturación. Si bien hoy en día el mercado viene creciendo, el objetivo se plantea como la generación de un producto de buena calidad, costo moderado y altamente competitivo. Fabricación de Detergente Además, se presenta el desafío de diseñar un producto que sea altamente biodegradable, amigable con el medioambiente y que no dañe la piel, ya que el componente activo es en gran medida abrasivo para las manos. Se pretende utilizar en la fabricación de botellas plástico reciclado. Hipótesis de Trabajo La instalación de una planta productora de detergente líquido es factible, pues existe un mercado aún no desarrollado en especial en algunas regiones del Norte y Cuyo de Argentina y de las algunas regiones de países limítrofes. Se puede fabricar un producto que cumpla con las exigencias del mercado, y además es tecnológicamente, económicamente y financieramente viable. Marco Teórico En términos generales un detergente es un producto que posee un poder limpiador de una superficie. Los detergentes contienen entre los componentes que forman parte de su formulación, uno o varios agentes tensoactivos o surfactantes, en combinación con otras sustancias orgánicas e inorgánicas, que incrementan la eficacia de la limpieza en comparación con la acción del agente tensoactivo aislado. Los detergentes difieren de los jabones por su modo de actuar con aguas duras. Los jabones forman compuestos insolubles con los iones de magnesio y calcio presentes en el agua dura; estos compuestos insolubles se precipitan y reducen las acciones espumante y limpiadora. Los detergentes pueden reaccionar con los iones del agua dura, pero los productos resultantes son solubles o permanecen dispersos de forma coloidal en el agua. A continuación, se presentará la información relacionada con detergentes, el proceso de detergencia, el proceso de manufactura y características de los detergentes sintéticos, sus componentes y funciones. Historia de los detergentes El desarrollo en la formulación y producción de detergentes ha sido escalonado a lo largo de la historia, desarrollando paulatinamente tecnologías y productos destinados a satisfacer las demandas técnicas y de mercado. En el año 600 a.C., los fenicios obtuvieron el primer jabón mezclando grasa de cabra con cenizas de madera. En Europa, la fabricación de jabones se inició en Marsella en la Edad Media y se extendió a Génova, Venecia y Savona. En el siglo XVIII, la fabricación de éste se convirtió en un negocio floreciente y se difundió en Europa y Norteamérica, llegando a ser una gran industria para fines de siglo. Para 1890, A. Krafft, químico alemán dedicado a la investigación, observó que ciertas moléculas de cadena corta, que no eran sustancias jabonosas, producían espuma como el jabón al unirse con alcohol. Krafft había producido el primer detergente del mundo, pero en aquel momento este descubrimiento no interesó a nadie y permaneció como mera curiosidad química. En 1907 una compañía alemana fabricó el primer detergente al añadirle al jabón tradicional perborato sódico, silicato sódico y carbonato sódico. El nombre elegido fue “PERSIL” (PERborato + SILicato). Después de la primera guerra mundial, el bloqueo aliado privó a Alemania del suministro de grasas naturales utilizadas para fabricar lubricantes, las grasas de los jabones fueron sustituidas, y el propio jabón se convirtió en un artículo difícil de conseguir en el país. Fabricación de Detergente Dos químicos, H. Gunther y M. Hetzer, recordaron entonces hallazgo de Krafft y elaboraron el primer detergente comercial, llamado Nekal, creyendo que serviría como sustituto del jabón tan sólo en tiempos de guerra. Sin embargo, las ventajas del detergente con respecto al jabón no tardaron en manifestarse, de tal manera que para el año 1930, gran parte del mundo industrializado fabricaba una amplia gama de detergentes sintéticos que no dejaban residuo alguno, y que en muchos aspectos eran muy superiores al jabón. Posteriormente a la Segunda Guerra Mundial, la rápida disponibilidad de hidrocarburos procedentes de la industria petroquímica en desarrollo, hizo atractiva la idea de que existiese un sistema de detergentes económico y eficiente, y es en 1946, cuando aparece el primer detergente para lavar la ropa en casa: el Tide®, que coincidió con el momento en que las amas de casa en los Estados Unidos no podían vivir sin una lavadora automática. El éxito del Tide® fue rápido y se convirtió en el precursor de muchísimos detergentes delicados que no tardarían en llenar las estanterías de los supermercados. A partir de la década de 1960 se resaltó la importancia de producir productos biodegradables teniendo como materia prima las cadenas de hidrocarburos lineales, las cuales reducen la contaminación del agua. (Ver sección de consideraciones ambientales). El jabón es una sustancia con dos partes, una de ellas llamada lipófila (o hidrófoba), que se une a las gotitas de grasa y la otra, denominada hidrófila, se une al agua. De esta manera se consigue disolver la grasa en agua. Químicamente es una sal alcalina de un ácido graso de cadena larga. El detergente es una mezcla de muchas sustancias. El componente activo de un detergente es similar al de un jabón, su molécula tiene también una larga cadena lipófila y una terminación hidrófila. Suele ser un producto sintético normalmente derivado del petróleo. Una de las razonas por las que los detergentes han desplazado a los jabones es que se comportan mejor que estos en aguas duras. Mecanismo de acción de los detergentes Los detergentes constan de moléculas con una parte que presenta repulsión por el agua (hidrofobia), compuesta por una cadena hidrocarbonada, y otra parte muestra un grado de afinidad o atracción hacia el agua (hidrofilia), formada por el grupo sulfonato de sodio (SO3-Na). El principal agente tensoactivo usado en los detergentes se produce de la reacción química entre el ácido dodecilbensulfónico y el Carbonato de sodio, originándose una sal conocida como Dodecilbencensulfonato de sodio (NaLAS), sustancia que actúa como detergente. Su estructura se representa en la siguiente figura: Figura N°1 Cuando se añade detergente al agua, sus cabezas hidrofílicas cargadas eléctricamente tienden a disolverse en el agua, mientras que las largas cadenas hidrofóbicas se unen a las partículas de grasa y permanecen en el interior, escapando del agua. De esa manera, se Fabricación de Detergente forman grupos circulares llamados micelas, con el material graso absorbido dentro y atrapado, proporcionando un medio no polar en el sistema acuoso, en el que puede disolverse la grasa. Figura N° 2 Se origina entonces una emulsión de aceite en agua, liberando las partículas de grasa. El detergente limpia actuando como emulsificante, permitiendo que la grasa y el agua se mezclen. Mecanismos de limpieza de un Detergente a. Emulsificación: Al igual que muchos otros detergentes, la emulsificación es el principal mecanismo de limpieza de restos de grasa en el lavado manual. En este mecanismo, los tensoactivos actúan en la interfase agua-aceite, y reducen de esta forma la tensión interfacial (IFT). Esto permite que las grasas formen una emulsión de pequeñas partículas en el agua de lavado. Estas partículas de emulsión son <0,5 micras de tamaño y termodinámicamente inestable. Sin embargo, dado que el tiempo de lavado es relativamente corto, esta inestabilidad termodinámica no afecta significativamente la eficacia de la limpieza. En superficies altamente hidrofóbicas (por ejemplo, plásticos), el mecanismo de emulsificación generalmente no es efectivo. Para mejorar la limpieza, suelen ser necesarios agentes humectantes y / o tensoactivos con fuertes capacidades de superficie de mojado para aumentar el ángulo de contacto y la fuerza de unión entre el sólido grasiento y la superficie hidrofóbica. b. Solubilización: En detergencia, el mecanismo de solubilización difiere de emulsificación en que las partículas de grasa solubilizados son termodinámicamente estables en el agua. El tamaño de estas partículas es generalmente similar a las micelas de surfactante, es decir, de 5 a 100 nm de diámetro. La eficiencia del mecanismo de solubilización depende de un complejo conjunto de parámetros de surfactante como la estructura de las micelas y la concentración micelar crítica (CMC). TIPOS DE DERTERGENTES Los detergentes más comunes y conocidos son los utilizados en la limpieza del hogar y cuidado personal. Estos productos se pueden agrupar en cuatro categorías generales. 1. Detergentes para ropa y ayudantes de lavandería Estos incluyen detergentes en polvo, líquido, tabletas, gel, y en forma de barras, así como una gran variedad de productos de especialidad como pre-tratadores (como barras, geles, Fabricación de Detergente aerosoles), remojadores (líquidos, polvos), y blanqueadores (líquidos, polvos). La mayoría de los detergentes de lavandería típicos están formulados para proporcionar una limpieza general, que incluye la eliminación de la suciedad y las manchas, así como la capacidad para mantener la blancura. 2. Productos lavavajillas Estos incluyen detergentes para lavavajillas o lavaplatos, tanto para lavadas a mano como lavavajillas automáticos y por lo general siempre se encuentra en estado líquido, gel, o en crema. Los productos de lavaplatos están formulados para remover y suspender los restos de alimentos de una gran variedad de superficies. También debe generar espuma a largo plazo, incluso con altas cantidades de suciedad, y deben además ser suaves para la piel. Los productos diseñados para lavavajillas automáticos deben proporcionar la remoción de los restos de alimentos y de la suspensión de los mismos, el control de la dureza del agua y producir poca o ninguna espuma que de otra forma interferiría con el funcionamiento de la máquina. 3. Productos de limpieza Debido a que ningún producto puede ofrecer una gama de limpieza completa para todas las superficies encontradas en el hogar, se tienen en la actualidad una amplia gama de productos comercializados con usos específicos para el hogar. Estos suelen ser formulados en forma líquida o en polvo, aunque los productos de gel y crema están también disponibles. 4. Productos de limpieza personal Estas incluyen productos para las manos y cuerpo, así como champús, acondicionadores y cremas dentales. Se comercializan principalmente en barra, gel y líquidos. Una consideración importante en la formulación de estos productos es la estética de consumo deseado, tal como la espuma, sensación en la piel, olor, color, entre otras. Formas físicas Tabletas Barras Polvo Crema Liquido Componentes de los detergentes sintéticos y sus funciones La clasificación de los detergentes se realiza de acuerdo al tipo de agente tensoactivo y de los componentes secundarios que lo conforman. Su formulación varía enormemente dependiendo del fin o la aplicación que se le quiere dar, así como también de acuerdo al mercado donde va dirigido el producto. Su composición genérica es la siguiente: Fabricación de Detergente Detergentes Componentes Complementarios Materia Activa Tensioactivos Coadyuvantes Aniónicos Catiónicos Zeolitas EDTA Aditivos Blanqueadores ópticos No iónicos Enzimas Anfotéricos Perfumes Auxiliares de presentación Na2SO4 Agua Colorantes Suevizantes Tensioactivos o Surfactantes Es la materia activa en un detergente o agente tensoactivo que tiene la habilidad de adsorberse en una interfase entre dos fluidos inmiscibles, o en la superficie de una solución con el aire, modificando de esta forma la tensión interfacial. Los agentes tensoactivos tienen una estructura molecular común que puede consistir en una larga cadena no polar, casi siempre una cadena de hidrocarburo (que contiene entre 12 y 20 átomos de carbono) pudiendo ser hidrogenada o fluorada, lineal o ramificada, que es soluble en aceite, pero insoluble en agua, conocida como la parte lipofílica o hidrofóbica. El otro extremo de la molécula conocida como la parte hidrofílica, es insoluble en aceite, pero soluble en agua, y es lo suficientemente afín a ella para conferir solubilidad en agua a todo el compuesto. De acuerdo a este grupo, los tensioactivos se clasifican en: Tensoactivos aniónicos El tensoactivo aniónico es aquél que tiene un extremo polar con carga negativa. El catión normalmente es amonio, potasio o sodio que ejerce una escasa influencia sobre las propiedades superficiales de estas sustancias. Los más comunes son: a) Sulfonato de alquilbenceno lineal (LAS). b) Sulfonato de alquilbenceno ramificado. c) Sulfonato de metiléster. d) Sulfato de n-alquilo. e) Carboxilato de alquilo (jabón). Entre los tensioactivos aniónicos, el sulfonato de alquilbenceno lineal es el más utilizado. Hace unos 10 años aproximadamente que las industrias petroquímicas pueden sintetizarlo. Las ventajas de este tensioactivo son: Fabricación de Detergente Excelentes propiedades como tensioactivo. Buen comportamiento ambiental, ya que su biodegradabilidad muy alta Compatibilidad con todo tipo de fórmulas e ingredientes. Muy baja relación coste/rendimiento. Facilidad de procesado. Estabilidad del producto sulfonado. Fácil transporte, manipulación y almacenaje. Baja toxicidad. Tensioactivos catiónicos Están constituidos por un extremo polar hidrófilo cargado positivamente, habitualmente una sal de amonio cuaternaria, amina o sal de fosfonio, unida a un extremo hidrófobo que puede tener diferente naturaleza. Se usa como suavizante, antibactericidas, inhibidor de la corrosión. Tensioactivos anfóteros Poseen grupos funcionales que pueden ionizarse con carga negativa o positiva dependiendo de las condiciones del medio, por tanto, pueden actuar como tensioactivo aniónicos o catiónicos. Se usan para champús y cremas para la piel. Tensioactivos no iónicos Son sustancias que no están ionizadas en disolución. Los más conocidos son los alcoholes grasos polietoxilados, alquil fenoles polietoxilados y ácidos grasos polietoxilados. Agua: Es el componente mayoritario y el medio en el cual se disuelve el resto de los componentes del detergente. Debido a que puede facilitar la contaminación es importante que sea microbiológicamente apta, ya sea corriente o de pozo. Aditivos solubilizantes: Se utilizan para favorecer la solubilidad en agua de los tensioactivos. Dependiendo del tensioactivo elegido puede no ser necesaria su utilización. Como ejemplos se detallan: etanol, glicerina, propilenglicol, UREA. ADITIVOS CON FINES ESPECIALES: Coadyuvantes Los coadyuvantes dan soporte a los surfactantes secuestrando las partículas que dan dureza al agua (magnesio y calcio) para evitar la interacción de estos iones con los surfactantes. Se destacan el Ácido etilendiaminotetraacético (EDTA). Y disódico también. Conservante: Es para mantener la estabilidad evitando la contaminación bacteriana del detergente. Por ejemplo, propil y metil parabenos (NIPAGIN – NIPASOL). Colorantes y esencias: Son para darle la terminación agradable al producto y disminuir posibles feos olores debido a los tensioactivos o algún otro componente. La elección de los mismos dependerá de la propia necesidad o de las preferencias de los clientes a los cuales se destinará. Fabricación de Detergente Espesante: Aumenta la viscosidad del detergente y mejora su apariencia generando una sensación de mayor calidad. Por lo general, debido a su bajo costo, se utiliza cloruro de sodio (sal grueso común) disuelta en agua. Aditivos protectores de la piel: Contrarrestan la acción nociva de los tensioactivos sobre la piel. Algunos ejemplos serían glicerina, colágeno, aloe vera, trietanolamina, etc. Regulador de ph: Dado que para obtener un detergente neutro el pH debe arrojar un valor entre 6 o 7, se utilizan reguladores de pH para ajustar el mismo. Para aumentar el pH se utilizarán álcalis como, por ejemplo, hidróxido de sodio (soda cáustica) diluido o trietanolamina. Para disminuir el pH se utilizarán ácidos como el ácido cítrico, bórico o clorhídrico. BIBLIOGRAFIA https://www.pagina12.com.ar/118090-mercados-altamente-concentrados https://www.infobae.com/economia/2018/05/31/concentracion-y-precios-mas-del-90de-los-mercados-de-panales-cervezas-y-detergentes-en-manos-de-pocos-fabricantes/ https://www.lanacion.com.ar/1903314-ropa-limpia-un-negocio-con-espuma