PROCESO DE ELABORACIÓN DE JABÓN EN REACTORES QUÍMICOS DISCONTINUOS

PROCESO DE ELABORACIÓN DE JABÓN EN REACTORES QUÍMICOS DISCONTINUOS

Uso del reactor químico discontinuo para hidrólisis de ésteres

1Pérez J., 1Álvarez J., 1Reyes A., 1Vanegas H., 1Sánchez L.

1Universidad del Atlántico, Km 7 Puerto Colombia

1. Introducción

La saponificación es el proceso de hidrólisis promovida por un hidróxido de los enlaces de éster en las grasas y aceites, uno de los productos de este proceso es el jabón. La palabra saponificación se deriva del latín saponis, que significa jabón. La saponificación se conoce desde hace mucho tiempo, alrededor de los años 500 A.C., cuando, al calentar grasa animal con ceniza de madera se obtenía una sustancia de consistencia espesa (similar a la gelatina). Esto se debe a que las sustancias alcalinas presentes en las cenizas, promueven la hidrólisis de los enlaces de éster de la grasa. Actualmente los jabones se preparan hirviendo aceite vegetal o grasa animal con una disolución de hidróxido de sodio. Desde el punto de vista químico, un jabón es la sal de sodio o de potasio de un ácido graso. El grupo carboxilo con carga negativa es hidrofílico (que tiene afinidad con el agua) y la cadena de hidrocarburo larga es hidrofóbica (que no tiene afinidad con el agua), pero es lipofílica (que tiene afinidad con los aceites). Los átomos de oxígeno del grupo carboxilato comparten la carga negativa y participan en la formación de enlaces por puente de hidrógeno fuertes con las moléculas de agua. El resto de la molécula es una cadena de hidrocarburo que no puede participar en la formación de enlaces por puente de hidrógeno con el agua. (Wade, 2012)

La hidrólisis de un éster catalizada por ácido es simplemente la reacción inversa en el equilibrio de la esterificación de Fischer. La adición de agua en exceso conduce al equilibrio hacia el ácido y el alcohol. La hidrólisis básica de ésteres (saponificación), evita el equilibrio que se presenta en la esterificación de Fischer. El ion hidróxido ataca al grupo carbonilo para formar un intermediario tetraédrico. La eliminación del ion alcóxido forma el ácido, y una transferencia de protón rápida produce el ion carboxilato y el alcohol. Esta transferencia de protón tan exotérmica conduce a la saponificación hasta su terminación. Se consume un mol completo de la base para desprotonar el ácido. (Wade, 2012)

En el agua, el jabón forma una disolución turbia de micelas: aglomerados de alrededor de 100 a 200 moléculas de jabón con sus cabezas polares (los grupos carboxilato) en la superficie del aglomerado y sus colas hidrofóbicas (las cadenas de hidrocarburo) confinadas adentro. La micela es una partícula energéticamente estable debido a que los grupos hidrofílicos forman enlaces por puente de hidrógeno con el agua que la rodea, mientras que los grupos hidrofóbicos están protegidos dentro del interior de la micela, interactuando con otros grupos hidrofóbicos. (Vollhardt y Schore, 2011)

Los jabones son agentes de limpieza útiles debido a las diferentes afinidades de los dos extremos de una molécula de jabón. La suciedad grasienta no se elimina fácilmente con agua pura debido a que la grasa es hidrofóbica e insoluble en agua. La cadena de hidrocarburo larga de una molécula de jabón se disuelve en la grasa, con la cabeza hidrofílica en la superficie de la gota pequeña de grasa. Una vez que la superficie de la gota pequeña de grasa está cubierta por varias moléculas de jabón, se puede formar una micela alrededor de ésta con la gota de grasa como su centro. Esta gota pequeña de grasa se suspende con facilidad en el agua debido a que está cubierta por los grupos carboxilato hidrofílicos del jabón. A la mezcla resultante de dos fases insolubles (grasa y agua), con una fase dispersa a lo largo de la otra en gotas pequeñas, se le llama emulsión. Se que la grasa ha sido emulsionada por la disolución jabonosa. Cuando el agua del lavado se enjuaga, la grasa se va con ella. (Martínez, 2017)

2. Descripción del proceso

La planta de alimentos Team Food tiene como principal función abastecer a los hogares colombianos con productos indispensables para la cocina, como lo son los aceites, las margarinas, cremas, bebidas, entre otros. Estos aceites representan la parte más importante en el proceso de saponificación de ésteres para la elaboración de jabones para lavar ropa.

Esta saponificación se llevará a cabo como se muestra en la reacción de la Imagen 1.

[pic 1]

Imagen 1. Saponificación de ésteres Fuente: (Anónimo, 2015)

2.1 La sosa caústica

Es un cuerpo alcalino que, en presencia del aire húmedo produce la delicuescencia de la sosa cáustica absorbiendo el ácido carbónico, por lo que se debe tener cuidado de no exponerla a este inconveniente. La sosa cáustica, disuelta con agua fría provoca una elevación de la temperatura (Gilabert, 1907)

En este proceso en el reactor hay una disolución de soda acústica al 48% en peso de hidróxido de sodio NaOH.

2.2 Aceites vegetales

Los aceites vegetales se obtienen de la palma cruda y la soja cruda. Esta materia prima es importante para el lavado de prendas en la industria textil. (Cruz, 2004)

El aceite de soja se obtiene del prensado de la soya. Mientras que el aceite de palma es de un color anaranjado-obscuro, que decolora con el tiempo y se extrae de una especie de palmera. (Gilabert, 1907)

Los ácidos láuricos que se encuentran en proporción importante en el aceite de soja y en el de palmiste son las grasas que presentan la mejor combinación de propiedades generalmente buscadas para el jabón. Intervienen en la mayoría de formulaciones ya que procuran un gran poder espumante y limpiador. Se utilizan en la saponificación en frio y en caliente, en mezclas con otras grasas para mejorar la dureza y ralentizar la velocidad de disolución de jabones fabricados.

2.3 Hidróxido de sodio

Los jabones producidos son duros, blancos, que son 60% solubles en agua, sin perder solidez y no son afectados en gran parte por el aire. (Cruz, 2004)

2.4 Etileno

La función del alcohol en el jabón es disolver los ácidos grasos que quedan de la saponificación, que dan la opacidad al mismo. Al ocurrir esta reacción ayuda a que el jabón se clarifique en el menor tiempo y que la mezcla no se tenga que calentar y agitar por tiempo prolongado. (Cruz, 2004)

2.5 Colorantes

El elemento de coloración viene dado por pigmentos que se disuelven fácilmente en agua.

2.6 La calidad del jabón

La calidad está determinada por la dureza, durabilidad, pH y temperatura

• pH: Es importante mantener el pH del jabón constante ya que si es demasiado ácido o básico no será adecuado para fines domésticos. El pH debe ser de 5.5 y 8.0 para uso doméstico. (Cruz, 2004)
• Temperatura: Mantener la temperatura en forma constante durante la fabricación es de vital importancia, debido a que si se sobrepasa el punto en el cual el ácido graso se descompone, la reacción podría no ser reversible y con ello se afecta nuestro producto final. Además, en el caso de la mezcla etanoica podría evaporarse el etanol de tal forma que la reacción no se llevaría a cabo para clarificar el jabón. (Cruz, 2004)

2.7 El reactor

La empresa Team Food dispone de un reactor discontinuo de tanque agitado. El funcionamiento discontinuo consiste en adicionar los reactivos de una vez en el interior del reactor, esperar el tiempo necesario para que se dé la reacción y vaciar el contenido. Por lo tanto, durante el tiempo de operación, propiamente dicho, no entra ni sale ningún flujo de materia del reactor, y por lo tanto la masa total de la mezcla de reacción se mantiene constante (Vilalta, 1999). Como se muestra en el esquema del Figura 1.[pic 2]

Figura 1. Esquema simple de reactor             discontinuo. Fuente: (Vilalta, 1999)

Este tipo de reactor es característico de reacciones en fase líquida. Se trata de un reactor tanque agitado de forma que se puede suponer que la mezcla es perfecta, y, por lo tanto, la concentración y temperatura son uniformes en todo el contenido del tanque. En la operación se ponen los reactivos en el tanque y se aumenta la temperatura al nivel deseado, para que se dé la reacción y a la velocidad requerida. (Vilalta, 1999)

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