REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA, CIENCIA, TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN UNIVERSIDAD POLITÉCNICA TERRITORIAL “ALONSO GAMERO” DEPARTAMENTO ACADEMICO DE QUÍMICA PNF QUÍMICA Diseño de una Planta de Producción de Plaguicidas Naturales (Bioplaguicidas) Presentado por: Acosta Rosa Anzola Mariana Rodríguez José Rafael Santa Ana de Coro; Abril 2016 SUMARIO Se presenta el diseño básico de una planta para producir plaguicida natural a partir de extractos de plantas obtenida una por hidrodestilación y otras por maceración con agua y alcohol usando reactores de tecnología sencilla. Estas tecnologías de fácil adquisición y operación y proporcionan resultados satisfactorios por utilizar poca energía e su operación y no generan aditivos tóxicos. Se pretende realizar un estudio de factibilidad técnico económico para la industrialización en la elaboración de insecticidas orgánicos a partir del residuo de cascara de naranja (Citrus sinensis), tabaco (Nicotiana tabacum) y flor de araña (Cleome spinosa) las cuales brindan una alternativa que permita desplazar o sustituir los insecticidas químicos sintéticos para disminuir las tasas de intoxicación del sector agrícola, además reducir los los niveles de contaminación del medio ambiente y por consiguiente el mejoramiento de la calidad de vida de las personas. Un plaguicida es cualquier sustancia o mezcla de sustancias destinadas a prevenir, destruir o controlar cualquier plaga, incluyendo los vectores de enfermedades humanas o de los animales, las especies no deseadas de plantas o animales que causan perjuicio o que interfieren de cualquier otra forma en la producción, elaboración, almacenamiento, transporte o comercialización de alimentos, productos agrícolas, madera y productos de madera o alimentos para animales, también aquellos que pueden administrarse a los animales para combatir insectos arácnidos u otras plagas en o sobre sus cuerpos. Otra plaguicida definición al de plaguicidas es la siguiente: Se le llama amplio conjunto de sustancias químicas, orgánicas o inorgánicas, o substancias naturales que se utilizan para combatir plagas o vegetales. Se emplean para eliminar insectos, ácaros, hongos, roedores, caracoles, gusanos, Entre otros. También se usan como defoliantes, desecantes, agentes para reducir la densidad, evitar la caída y/o deterioro de la fruta. Se agrupan según sus usos en: insecticidas, fungicidas, herbicidas, nematicidas, nticripotogámicos .Para acaricidas, conocer a defoliantes, mayor miticidas, detalle los rodenticidas, plaguicidas, es importante tener en cuenta la clasificación toxicológica de los plaguicidas y la clasificación de plaguicidas según su capacidad de producir daño. El término plaguicidas incluye también los siguientes tipos de sustancias: Sustancias reguladoras del crecimiento de las plantas. Coadyuvantes Fumigantes Insecticidas Fungicidas Herbicidas Rodenticidas Adhesivos para monitoreo, entre otros. Las preparaciones de plaguicidas incluyen, además del principio activo: Sustancias transportadoras (vehículos), usualmente diluyentes, como agua y derivados del petróleo. Aditivos que modifican las propiedades del líquido, otorgándoles otras características como absorción, retención y adhesión. Hay que tener en cuenta las consecuencias de estas sustancias, que constituyen de por sí gran parte del producto comercial y sus efectos adversos que a veces exceden el de los ingredientes activos. En el presente documento se plasma un Diagnostico de la situación actual que vive la Agricultura en el país, en términos de producción industrial además de hacer una investigación minuciosa de plaguicidas químicos y la problemática relacionada a los mismos, además la investigación referente a los insecticidas orgánicos naturales, que es la otra alternativa a los insecticidas químicos sintéticos, de donde se identifica un insecticida con muchas propiedades, excelente para una gran variedad de plagas, inofensivo para las personas y poco fomentado en nuestro país. “El plaguicida orgánico a base de extractos vegetales, dirigido al mercado Consumidor de los productos que se podían elaborar, así como el estudio del mercado abastecedor de materias primas requeridas para la elaboración de los mismos y también el estudio del mercado competidor del plaguicida. Parte fundamental de un estudio de Factibilidad es lo referente a los requerimientos técnicos o de Ingeniería, como los procesos, materias primas, mano de obra, Productos, entre otros, por lo que también el documento contiene información relacionada a lo que se necesitará en la Planta procesadora de plaguicida orgánico a partir de 3 especies vegetales diferentes y sus combinaciones, como parte del diseño del proyecto. Como parte del diseño se realiza la determinación del Tamaño óptimo del proyecto y de los factores que lo condicionan; de la misma manera se identifica la Localización optima evaluando diversos lugares mediante factores que Ingeniería condicionan la misma. del Proyecto, donde Seguidamente se se plasman todos los desarrolla la requerimientos necesarios como Materias Primas, Productos y Procesos, donde además se justifica el método de extracción de las 3 especies seleccionando la hidrodestilación y maceración. También se establece el proceso de producción del plaguicida, para luego establecer las características técnicas de la maquinaria a utilizar en el mismo. Además se realiza la planificación de la producción realizada en base a las proyecciones de la demanda de los productos; para ello se realiza de igual manera el balance de materiales como determinación de la materia prima a utilizar, balance de Línea con lo que se determina el personal requerido y El establecimiento del Lote económico de compra de los materiales e insumos. Posteriormente se realiza la distribución de la maquinaria y equipo en la planta junto con el resto de áreas importantes para las actividades de la misma. Por lo tanto, se pretende establecer el estudio de factibilidad técnico económico que permita determinar si será posible la producción de insecticidas elaborados a partir de especies vegetales en nuestro país de manera industrializada, y de esta manera ser una iniciativa para la contribución hacia el logro de una agricultura sostenible en el país que sirva como alternativa al uso de insecticida químicos sintéticos. Esta planta trae consigo el convenimiento de producir un plaguicida natural no toxico y de fácil obtención, extractos acuosos de aplicación directa que no dañan plantas ni contaminan el suelo y cuerpos de agua aledaños a los cultivos. Además las condiciones de la materia prima son importantes para mantener los principios activos de los plaguicidas y su vida útil, también su transporte y almacenamiento no tienen peligros. Estos plaguicidas serán elaborados bajo medidas de calidad siguiendo normas basadas en productos insecticidas naturales tales como FAO, OMS, COVENIN, IEC, como se elaboran localmente sus costos de producción lo hacen económicos y competitivos. La planta de producción de plaguicidas natural estará ubicada en la ciudad de Coro, específicamente en el sector El Cebollal, parroquia San Antonio, del municipio Miranda en la Carretera Falcón Zulia, vía al sector El Hatillo, comprendiendo un área de 1000 m 2, alinderada de la siguiente manera; Norte: carretera Falcón Zulia, Sur: Hacienda Familia Molina, Este: carretera vía sector El Hatillo y Oeste: Hacienda El Veguero. La planta tendrá una capacidad de 1880 Litros/días. Por consiguiente la planta de plaguicida producirá 3 líquidos principales que se usaran en una formulación y sus combinaciones para diversas presentaciones, estos contienen los principios activos o metabolitos secundarios de las especies vegetales que tienen la propiedad insecticida tales como flavonoides, fenoles, polifenoles, cumarinas, terpenos, nicotina, saponinas entre otros. Estos líquidos acuosos serán envasados y almacenados para luego distribuirlos para su colocación en el mercado. Se elaboraron los diagramas respectivos que describen los procesos involucrados, dimensiones de equipos, tuberías, distribución física, e instrumentación requerida. Bases de diseño Ubicación geográfica Estará instalada en el sector El Cebollal de la ciudad de Coro, municipio Miranda del estado Falcón (ver figura..), se ubica en esta zona por ser circundante a productores locales y se utilizaron los siguientes criterios: Figura 1. Ubicación geográfica planta de plaguicidas El terreno donde se ubicara está totalmente plano y posee ventajas ya que una de las materias prima es una planta naturalizada que compite con los cultivos, está fuera de la ciudad y a sus alrededores solo hay fincas y haciendas donde se cultivan algunos rubros hortícolas, tiene facilidades de acceso con vías totalmente asfaltadas, cuenta con pozo de agua, y el acueducto pasa por la carretera Falcón Zulia, posee las líneas de alta y baja tensión eléctrica lo que garantiza tener los servicios públicos. Capacidad de la planta Cuando se propone la industrialización de un producto, se evalúa el mercado potencial por lo que es claro que el principal interesado son los productores hortícolas y conociéndose la situación actual de escasez de productos para combatir insectos que atacan los cultivos se fija una capacidad de 56.400 litros/mensual que representa la capacidad instalada de la planta, esto da cabida a ser la primera empresa de este tipo en la zona occidental del país. Con este diseño se busca establecer las estrategias adecuadas para lograr que este proceso productivo logre la mayor eficiencia al menor costo posible, para que a futuro gane la competitividad suficiente y alcance el posicionamiento total en el mercado. Características y condiciones de la materia prima Los plaguicidas propuestos estarán principalmente compuestos por agua, alcohol isopropílico y los metabolitos extraídos de la planta en proporciones específicas, donde solo se aplica calor a la cascara de naranja, y las otras no generan gasto energético significativo. Entre las características relevantes se tienen las siguientes: Tabla1. Características materia prima Cascara de Tabaco Flor de araña naranja Condiciones Limpia sin pulpa Hojas secas Material ni fresco endocarpio vegetal (albedo) Picado sin Triturado Parte aérea de la síntomas de planta, flores, pudrición, no frutos, ramas muy maduras apicales previamente picados Fuente: Los autores Especificaciones de los insumos Otros insumos a usar son agua destilada y alcohol isopropílico al 70 % Especificaciones de los productos Coloración acorde a la planta extraída; tabaco marrón, cascara de naranja cristalina y flor de araña verde-pardo, todas fragantes con aroma intenso a nicotina, limón-naranja (cítrico) y dulce respectivamente, con apariencia acuosa. Características de los servicios Por lo general la producción industrial genera su propio autoabastecimiento y la planta propuesta no es la excepción, entre los servicios requeridos se encuentran los siguientes: Electricidad: suministrada por CORPOELEC, aunque se instalaran equipos auxiliares de generación de energía eléctrica, que será usada por los equipos e instrumentos instalados, controles, computadores, luminarias, alarmas, termostatos, calentadores entre otros Agua: por la hidrológica de estado HIDROFALCON, una gran parte para ser destilada y la otra para consumo humano, mantenimiento y sanitario Aseo: proporcionado por la alcaldía del municipio Miranda Telefonía e internet: por la empresa estadal del gobierno nacional CANTV Gasoil: suministro para la planta auxiliar de generación eléctrica Especificación de los Productos Se obtendrán como producto final 3 extractos (líquidos acuosos) con características propias del material vegetal usado en su elaboración Tabla 2. Características de los productos. Extracto Color Aroma Cascara de naranja Cristalino Cítrico Tabaco Marrón-pardo Nicotina Flor de araña Verde-pardo Dulce Fuente: Los autores Factor de Servicio Se tiene previsto que la planta opere 5 días a la semana durante 8 horas, con parada anual por 15 días, durante 10 meses del año, los otros meses son para inventario y disponibilidad de materia prima, por lo que el factor de servicio estaría por el orden del 84 % Manejo de Efluentes La planta dispondrá de rejillas de drenaje y solo producirá agua al desagüe no toxica ni con químicos las cuales solo serán, limpieza de la planta, lavado de cascara de naranja y el lavado de los equipos Se contara con unas canaletas en los extremos del área de producción de manera que se coloquen las aguas residuales provenientes del proceso productivo. Como esta agua proviene de un proceso que no contiene químicos, no causara ningún daño al ambiente, por lo que será descargada posteriormente Requerimientos de Almacén Para un correcto almacenamiento de los plaguicidas se debe tener en cuenta las recomendaciones siguientes: Dedicación exclusiva. En las bodegas de plaguicidas no debe almacenarse alimentos para el hombre o los animales, ropas, calzado, elementos de protección, artículos de uso doméstico, drogas ni, en general, ningún elemento cuya contaminación pueda representar un riesgo para las personas. Protección contra factores de deterioro. Los protegerse de plaguicidas deben la humedad, el sol directo y el calor excesivo, principales factores que contribuyen a su deterioro. Uso de estibas y estantes. Los envases o embalajes de plaguicidas no deben colocarse directamente en el suelo, sino colocar sobre cualquier sistema que evite el contacto con el piso Para envasar plaguicidas se utilizan diferentes clases de materiales. Las formulaciones líquidas se envasan en recipientes de plástico de diversas clases y metal (hojalata y aluminio) con una capacidad que varía desde 60 cc hasta 205 litros Los envases menores de 10 kilos o 20 litros generalmente se empacan en embalajes de diversa clase. Las cajas llevan en la parte superior la leyenda este lado arriba y además, en sus costados llevan pintadas flechas, que indican la posición correcta de almacenamiento. Generalmente llevan también la recomendación sobre el número máximo de cajas que pueden apilarse. Las cajas deben manejarse con cuidado y protegerse especialmente de la humedad. Se utilizaran envases plásticos bidones de 30 litros, envases plásticos con capacidad de 1 galón y 1 litro. En las estibas o palet metálicos las cajas deben apilarse en columna, de modo que sus cuatro esquinas coincidan. Los estantes pueden ser metálicos o de madera (a veces en concreto). Condiciones del Sitio Los equipos, instrumentos e incluso la infraestructura de la planta tienen que poseer un ambiente adecuado para su buena operación y por su ubicación hay que considerar las condiciones climáticas de la zona temperatura entre 2634 ºC, Hr = 60 %, velocidad del viento 30 km/h en dirección noreste, lluvia promedio anual 250mm, en terraplén plano Condiciones y Normas Aplicables Normas COVENIN Normas ASME Normas FAO, Normas OMS, IEC Decreto Presidencial Nº 1.847 Reglamento General de Plaguicidas, CRBV, Ley orgánica del ambiente FILOSOFÍA DE DISEÑO, SEGURIDAD Y PROTECCIÓN Para formular plaguicidas se necesitan dos elementos fundamentales: el vehículo o solvente, la principal materia prima son las sustancias activas. Estas son sustancias que pueden presentar una amplia gama de estructuras moleculares y son las que dan su forma de acción al plaguicida. Es la característica global de su composición lo que define la manera de actuar de cada sustancia activa. En la siguiente sección se analizan los criterios utilizados para mantener las medidas de seguridad para garantizar la calidad del producto y el mantenimiento, protección de las instalaciones y del personal operativo, al igual que la conservación del ambiente. Sistemas de Control y Seguridad: Cada equipo involucrado en el proceso posee lazos de control que permiten mantener las variables controladas en los rangos estipulados, mediante las variables manipuladas disminuyendo el efecto de las perturbaciones en el proceso. Filosofía de Control: Para establecer los sistemas y estrategias de control del proceso, se analizaran cada una de las variables involucradas, tanto en condiciones normales como en condiciones de seguridad. Estos sistemas están conformados por válvulas de control, nivel, temperatura, controladores y alarmas. Sobrediseño de Equipos: El sobrediseño si hay que hacerlo se tomara en cuenta las condiciones del proceso, para brindar mayor flexibilidad y seguridad en los equipos, sobretodo para el equipo de hidrodestilación y maceradores. Equipos de respaldo: Para asegurar el funcionamiento continuo de la planta, se contaran con equipos de respaldo, con el objetivo de poder realizar mantenimiento a los equipos sin parar la producción, en cuanto a energía eléctrica, se contara con la planta diesel auxiliar para que el proceso no cese cuando no exista fluido eléctrico suministrado por CORPOELEC Descripción del Proceso Diseño de la planta La planta debe estar diseñada de modo de minimizar riesgos de derrames por el manejo de los materiales, esto implica fáciles accesos desde las zonas de almacenamiento hacia las de operación. Además, las instalaciones deben ser protegidas del ingreso de personas extrañas a la operación y deben considerar desde su diseño la necesidad de las tecnologías de control antes descritas (sistemas de captación de emisiones). En general, se deben tomar en cuenta los siguientes puntos en el diseño a la hora de introducir cualquier modificación a los procesos: - Todos los equipos se utilizan para más de un producto químico, por lo tanto deben ser fáciles de limpiar. - Por el tipo de extracción que se realizara el proceso se hace en lotes. - Dentro de lo posible, los flujos serán por gravedad, en lugar de bombeo; de este modo, se reducen las presiones a las que se someten las tuberías y las fugas por el sistema de transporte en general. La planta operara con dos procesos de extracción, en la primera; la materia prima llega a la planta de acuerdo a la descripción de las condiciones establecidas, en cuanto a la hidrodestilación las cascaras de naranja primeramente llegan a un área de lavado y despulpado luego pasa a la picadora, luego se introducen por la parte superior del tanque, seguidamente se abre la válvula de agua destilada hasta sumergir las cascaras y tener un volumen de aproximadamente 60% de la capacidad del tanque se cierra herméticamente y se aplica calor, se regula la temperatura a 80 ºC y se deja ebullir hasta que comience a destilar. Esta hidrodestilación se lleva a cabo de 4 hora a flujo cerrado con purgas cada hora para evitar derrames y mezcla en el destilado. En cuanto a la segunda, se realizará en dos líneas simultaneas, para una de ellas las hojas de tabaco llegan totalmente secas y picadas, luego ingresan a la tolva del macerador, seguidamente se inunda con alcohol y agua, se deja en reposo por un periodo de 48 horas con una agitación de 10 min cada 12 horas, después de este tiempo se filtra para separar el líquido del residuo que queda. En paralelo en la otra línea, la flor de araña llega fresca y pasa una picadora, e introducida luego al macerador realizando el mismo procedimiento para el tabaco. Selección de la tecnología A continuación se detallaran las tecnologías que se utilizaran en la planta de plaguicidas cuyo alcance constituye de la unidad de hidrodestilación y dos baterías de maceración Diagrama de Bloque del Proceso (DBP) Consiste en la diagramación gráfica del proceso productivo en un bosquejo simplificando todas las operaciones que se dan lugar para obtener los productos, el DBP forma parte importante del documento de ingeniería. Diagrama de Flujo del Proceso (DFP) Es el documento que refleja de forma destallada todos los componentes del proceso productivo, son los planos descriptivos de equipos, dirección de flujos instrumentos, sistemas de control Diagrama de Tuberías e Instrumentación (DTI) Puntualiza cada componente del proceso tanto de productos y residuos, especificando lo que pasa en cada dispositivo y equipo, determina el sistema de control, y todos los equipos que se requieran además se especifican lo referido a las tuberías y todo lo que involucra Lista de Equipos del Proceso Se enumeran los equipos que componen las unidades de la planta de plaguicida natural, se catalogan de acuerdo a su funcionamiento y ubicación en el DTI además de la descripción respectiva en la operación Diseño de Equipos Principales Se señalan los principales equipos del proceso y se explican todos los componentes que posee, como los para este caso el hidrodestilador y el macerador, para la descripción se podría utilizar la heurística en los diseños respectivos. Hojas de Especificaciones En este documento se especifican los detalles de equipos, instrumentos y accesorios por parte de los fabricantes, poseen la información necesaria con las características físicas y propiedades de los materiales con los cuales fueron elaborados, estos datos son los que permiten que se seleccionen y se adquieran en el proceso que se ha elegido que involucra tecnología y diseño. Lista de Tuberías Se presentan las características particulares de las tuberías, juntas y elementos que compondrán estas líneas de procesos, dimensiones y servicios que se requieren Lista de Instrumentos Se listan todos los elementos que componen los equipos principales, como válvulas, controladores, indicadores entre otros que contribuyen al buen funcionamiento de los equipos para la obtención de un buen producto. Diseño de Estrategia y Control En este apartado se exponen lo relativo al control del proceso, es bastante importante ya que en el mismo se manejan las variables que podrían optimizar el proceso. Aquí se detallan las posibles fallas y las correcciones pertinentes de salvaguarda de equipos e instrumentos Estudio Económico Proporciona lo referido a los presupuestos requeridos en la adquisición de materiales, equipos, instrumentos, accesorios entre otros, así como también la rentabilidad del producto elaborado, se muestra los costos de inversión y posibles ganancias Conclusiones La competencia para los plaguicidas naturales se encuentra repartida mayormente por productos importados en su mayoría sustitutos de composición química sintética, siendo estos los que ocupan el mayor porcentaje del mercado, aunque existe competencia de plaguicidas comerciales con similares principios activos. Se deduce que el objetivo principal que se persigue es diseñar una iniciativa que contribuya a la sostenibilidad de la agricultura, mediante el uso de insecticidas orgánicos como alternativa a los químicos sintéticos. El tamaño a establecer para la planta productora de plaguicidas orgánicos Naturales elaborados a partir de tabaco, flor de araña y cascara de naranja está limitado principalmente por la disponibilidad de materia prima en el país, esto es para poder satisfacer una producción de 56400 litros al año. Todas son sencillas y no requieren equipos e instrumentos complejos ni costosos. El diseño de una palnta de palguicidas de este tipo tiene un impacto social y económico, porque las tecnologías involucr . Referencias Documento de Ingeniería Descripción del proceso Se ejemplifica y detalla gráficamente en el diagrama de flujo de proceso (ver DFP) Selección de la tecnología La producción de plaguicidas en el país ha sufrido una disminución en cuanto a disponibilidad y comercialización, en los últimos años la mayor parte son importados por sus componentes químicos, en cambio la manufactura de un producto de origen natural es novedoso por lo que requiere considerar ciertos criterios al momento de elegir entre los diferentes métodos de extracción el más acorde con las consideraciones de diseño y optimización del proceso Existen muchos factores para seleccionar una tecnología para diseñar una planta, entre ellos están el técnico, materia prima, costos, equipos, productos de desecho o subproductos, entre otros y estos aportan información concerniente a los requerimientos para elegir la tecnología más adecuada para llevar a cabo el proceso productivo de los plaguicidas Muchos aspectos son considerados para la elección, en cuanto al factor técnico es primordial tener en cuenta la flexibilidad del proceso, que el tipo de operación se adecue al producto a obtener, en este caso el proceso se dará por lotes por las características de la materia prima, en cuanto a los controles a utilizar solo se requerirán para el traslado de los fluidos y los requeridos en la hidrodestilacion, además una de la tecnología no requerirá consumo de energía porque esta simplemente contendrá en un periodo de tiempo la materia prima inmersa en la mezcla del solvente a utilizar en forma estacionaria y por ser una planta que procesara materia prima natural estos no representan ningún riesgo a la salud y la seguridad de las personas y el ambiente. Si se evalúa lo referido a la materia prima, su disponibilidad es factible, sin embargo estas dependerán de aspectos externos, la cascara de naranja dependerá de la cantidad de residuo que desechan los expendedores y del tipo de naranja que comercializan, el tabaco del precio de fluctuación en el mercado pero no es limitante, en cuanto a la flor de araña los cambios climáticos y la prolongación de sequias minimizaría la cantidad de este material fresco, además su procesamiento es sencillo Por otro lado, los productos de desecho que se generaran en el proceso productivo no tienen afectación con el ambiente, porque la cantidad que se produzca puede tener otro uso, son materia vegetal que podrían reusarse para compostaje u otra alternativa, como usar las cascara como harinas ya que solo su procesamiento implica utilización de agua. En cambio si tenemos en cuenta los aspectos referidos a los equipos el material de fabricación de estos es importante porque estos no deben tener afectación con la materia prima ni el proceso, además de accesibles, no deben encarecer el mantenimiento e instalación, así como también la posibilidad que estos sean sustituidos o reemplazados Estas consideraciones si se valoran porcentualmente por orden de importancia quedarían de la siguiente manera: Tabla 3. Factores de selección de tecnología Factor % Equipo 25 Costos 12 Desecho 15 Materia prima 18 Técnico 30 Fuete: Los autores Esto implica que al momento de elegir la tecnología más apropiada el factor técnico tiene el mayor peso en la toma de decisiones seguido de la selección de los equipos
