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BIOTECNOLOGÍA Y ALIMENTOS 2014

PROYECTO TERMINAL III.

1

.



2

ÍNDICE TEMÁTICO Página.

Resumen ejecutivo 4

Abstract 5

CAPITULO 1 6

INTRODUCCIÓN 6

1.1 Antecedentes 6

1.1-1 Hoja de menta piperita 7

1.1-2 El producto y usos 7

1.1-3 Proceso de extracción de aceite esencial de menta piperita 8

1.1-4 Propiedades fisicoquímicas y organolépticas del aceite esencial 9

1.2 Estudio de Mercado 9

1.2-1 Oferta y Demanda 9

1.3 Ubicación de la planta 12

1.3-1 Factores que determinan la ubicación de la planta 12

1.3-2 Ubicación geográfica de la planta 14

1.4 JUSTIFICACIÓN 14

1.5 OBJETIVOS 15

1.5-1 Objetivo general del proyecto 15

1.5-2 Objetivo particular del proyecto 15

CAPITULO 2 16

2. EXPERIMENTAL 16

2.1 Metodología 16

2.1-1 Materiales y equipos experimentales 16

2.1-2 Secado 16

2.1-3 Cavitación 16

2.1-4 Extracción de la hoja de menta piperita 16

Diagrama preliminar del proceso 17

2.1-5 Rendimientos 18

2.1-6 Caracterización de aceite esencial de menta 18

2.1-7 Conclusión de la experimentación 19

CAPITULO 3 19

3. PROCESO 19

3.1 Diagrama de flujo 20

3.2 Balances de materia y energía 21

3.3 Dimensionamiento del equipo 26

3.4 Lay Out 44



3

CAPITULO 4

44

4. SUSTENTABILIDAD 44

4.1 Análisis económico 45

4.2 Análisis de Riesgos 48

4.3 Medio Ambiente 48

CONCLUSIONES 49

Memorias de calculo 50

APENDICE A 61

Costos y Factibilidad Económica (TIR) 61

BIBLIOGRAFÍA 63

ANEXO 1

Corrientes en el diagrama de flujo en el proceso de extracción de

aceite esencial.

64

ANEXO 2 66

Secado

ANEXO 3 68

Resultados y caracterización del aceite (experimental)

ANEXO 4 70

Aspectos de seguridad



4

Resumen ejecutivo

En este trabajo se investigó el proceso de extracción de aceite esencial de menta piperita. En base a

la literatura se analizó el mercado de aceite de menta, esto nos permitió conocer las cantidades y el

valor de la producción en la industria, exportaciones e importaciones que existen. Para la

localización de la planta extractora se consideraron factores de instalación, se realizó el método

cualitativo por puntos, de esa manera tomar una decisión de la ubicación de la planta. Se

investigaron las generalidades de la hoja de menta, así como sus usos, para conocer que compañías

utilizan éste producto, además de la composición y propiedades organolépticas físicas y químicas.

Se hizo un análisis de los principales métodos de extracción de aceites esenciales, para decidir de

cual se obtienen mejores rendimientos, posteriormente se diseñó un diagrama preliminar de cómo

podría ser nuestro proceso a escala laboratorio, cabe mencionar que la parte innovadora del

proyecto es el pre-tratamiento con ultrasonido (cavitación), y que en base a la literatura se sabe que

por 1 Kg de materia prima se obtienen 2.5 ml de aceite esencial.

Se diseñó un proceso a nivel planta piloto para posteriormente realizar experimentos, se preparó la

materia prima a través de un proceso de limpieza, secado y triturado. En cada prueba variamos

humedades con y sin sonicar. El tiempo de sonicado para cada muestra fue de 10 min variando la

humedad con una frecuencia de 40-60 KHz. Se extrajeron 4 ml por 500g de hoja seca, esto para

determinar rendimientos en cada muestra, se midió índice de refracción (IR), pH y densidad para

compararlos con datos de la literatura y datos de aceite comercial.

Los parámetros de operación del proceso fueron la presión y temperatura en la columna, tiempo de

operación, flujo de vapor, tiempo de sonicado y rendimientos de extracción de aceite. De acuerdo

con los rendimientos obtenidos con este método, se observó que la humedad resulto ser un

parámetro importante en el proceso.

Se realizó el diseño de un sistema de extracción de aceites esenciales basado en la experimentación

a nivel piloto. De acuerdo a la técnica que brinda mayores ventajas, se selecciona el método de

extracción por arrastre con vapor, el mismo que consta de un generador de vapor pirotubular, cuatro

torres de extracción, cuatro intercambiadores de tubos y coraza y un separador florentino, los cuales

se diseñaron mediante los resultados obtenidos como temperatura, presión, flujo, volumen,

propiedades de la materia prima y productos. Para realizar algunos diseños fue necesario utilizar un

simulador ASPEN Plus V8.2.

Finalmente se desarrolla el análisis económico del sistema, evaluando la TIR con el objetivo de ver

la rentabilidad del proyecto.



5

ABSTRACT

In this work the process related to the extraction of essential oil of peppermint was investigated.

Based on the literature market peppermint oil was analyzed as this allowed us to know the

quantities and value of industry production, exports and imports in the world. Installation factors

were considered for the location of the extraction plant, the qualitative method was by points, thus

making a decision on the location of the plant. Generalities mint leaf was investigated, and their

uses, to see that companies use this product as well as the physical and chemical composition and

organoleptic properties.

An analysis of the main methods of extraction of essential oils was made, to decide which better

yields then a preliminary diagram of how our process could be designed laboratory scale, it is

noteworthy that the innovative part of the project is pre -ultrasonic treatment (cavitation), and based

on the literature it is known that per 1 kg of raw material 2.5 ml of essential oil is obtained.

We designed a process at pilot plant later experiments where the raw material through a process of

cleaning, drying and grinding was prepared. In each test we varied humidities with and without

sonication. The time of each sample was sonicated for 10 min humidity varying with a frequency of

40-60 KHz. 4 ml 500 mg extracted by this to determine performance in each sample, the refractive

index (RI), pH and density for comparison with data from literature and data measured commercial

oil.

The operating parameters of the process were the pressure and temperature in the column, time of

operation, steam flow, sonication time and oil extraction yields. According to the yields obtained

with this method, it was observed that moisture Mint to carry out the process is an important

parameter.

Designing a system of extraction of essential oils based on pilot scale experimentation was

conducted. According to the technique that provides the greatest advantages the method of stripping

steam is selected, the same consisting of a steam generator pirotubular four extraction towers four

shell and tube heat exchangers and a Florentine separator, which were designed using the results as

temperature, pressure, flow, volume, properties of raw materials and products. To make some

designs was necessary to use a simulator ASPEN Plus V8.2.

Finally, the economic analysis of the system is developed, assessing the IRR in order to see the

project's profitability.



6

CAPITULO 1

INTRODUCCIÓN

La utilización de aceites esenciales y el conocimiento de sus propiedades curativas se conocen

desde las civilizaciones china, hindú, egipcia, griega y romana, por lo que se les considera como

una de las formas más antiguas de medicina y cosmética. [1]

La reintroducción de los aceites esenciales en la medicina moderna tuvo lugar a finales del siglo

XIX y principios del siglo XX.

Los aceites esenciales son compuestos formados por varias sustancias orgánicas volátiles, que

pueden ser alcoholes, acetonas, cetonas, éteres, aldehídos, y que se producen y almacenan en los

canales de la estructura de las plantas. Normalmente son líquidos a temperatura ambiente, y por su

volatilidad, son extraíbles por destilación en corriente de vapor de agua, aunque existen otros

métodos. En general son los responsables del olor de las plantas. Los componentes principales del

aceite de menta son: mentol, mentona y mentofurano.

El mentol es un alcohol secundario saturado, es un sólido cristalino que funde alrededor de los

40 °C, posee un efecto refrescante sobre las mucosas. Tiene también propiedades anti-picazón y

antisépticas. Es insoluble en agua y soluble en alcohol y éter.

En los siguientes capítulos se expondrán tanto los datos teóricos como los resultados experimentales

obtenidos durante el desarrollo de este trabajo, además del diseño de la planta en cuestión.

1.1 Antecedentes

La aromaterapia inicia en la época moderna, cuando en el siglo XX, René Maurice Gatefosse

(químico francés), llamado "el padre de la aromaterapia moderna", la incorpora a la medicina

natural. También en la aromaterapia moderna, en Milán (Italia), el Dr. Paolo Rovesti aliviaba la

depresión y estados de ansiedad, liberando así situaciones traumáticas.

El médico y cirujano Jean Valnet aportó la mayor contribución a la aromaterapia para ser valorada y

reconocida como medicina capaz de curar.

Utilizaba aceites esenciales para las heridas y quemaduras de los soldados en la Segunda Guerra

Mundial, logrando con ello aliviar tanto problemas físicos como mentales en pocos días,

corroborando así la rapidez con que actúan los aceites en el organismo.

En cuanto a la aromaterapia holística, es pionera la bioquímica francesa Margueritte Maury

(austríaca de nacimiento), a quien no convencía suministrar los aceites por vía oral; y basándose en

las distintas formas de incorporarlos al organismo, desarrolló una técnica de masaje aplicando aceite



7

en los centros nerviosos de la columna vertebral y en el rostro.

Ella introdujo la proporción de la fórmula específica de los aceites en cada cliente que visitaba su

gabinete para embellecerse y rejuvenecer; pudo comprobar así que en muchos de ellos habían

desaparecido dolores crónicos de cabeza, dolores reumáticos y estados de insomnio, y que los

efectos eran prolongados.

En 1962 y 1967, Margueritte Maury fue premiada internacionalmente por sus investigaciones sobre

los aceites esenciales y la cosmetología al servicio de la salud [1].

1.1-1 Hoja de Menta Piperita

La planta de la menta se esparce rápidamente por la tierra

ayudándose con sus tallos ramificados que pueden extenderse hasta

más de medio metro. Sus flores son de color blanco o violeta y

relucen conforme la menta avanza en su periodo de crecimiento.

Existen aproximadamente 25 especies dentro del grupo de la menta,

en estas especies se incluyen la hierbabuena, el orégano, el tomillo y

el romero, la característica que comparten todas las especies es una

fuerte esencia que se libera al ser molidas, lo cual se debe a sus

aceites esenciales.

El suelo más adecuado para esta planta debe ser bastante húmedo, con niveles normales de

nutrientes minerales y con una exposición a la luz solar que no supere las cuatro o seis horas diarias.

Es conveniente que el riego, debe hacerse en forma regular.

La composición química promedio porcentual de la hoja de menta piperita se puede observar en la

Tabla 1: [2]

Tabla 1. Composición química de la hoja de menta piperita.

Contenido % en peso

Mentol 40 – 60

Mentona 10 – 20

mentofurano 1 – 2

monoterpenos 8

Flavonoides 12

Vitaminas (C, B1, B2, B3) 2

1.1-2 El producto y usos.

Por su alto contenido en mentol, el aceite esencial de menta piperita es muy empleado en licorería,

caramelos, aguas aromáticas (agua menthae piperitae), alcoholatos mentolados (spiritus menthae

piperitae) empleados para la fabricación de dentífricos, así como masajes y fricciones para los



8

dolores de cabeza.

Las sustancias amargas de la menta estimulan la secreción de los jugos digestivos, son estomacales,

carminativas y reducen las diarreas.

La menta es espasmolítica suave, adecuada en la inflamación de la vesícula, nerviosismos,

insomnio, calambres, vértigos, jaquecas, etc. Tiene un ligero poder antiséptico y bactericida, es útil

en las inflamaciones de la laringe, bronquitis, en inhalaciones contra el catarro, y en usos tópicos.

La leyenda le supone propiedades afrodisíacas y excitantes.

En la cocina es muy utilizada como planta aromática, condimento para sopas, salsas, y en el té y

como potencial antimicrobiano. [3]

1.1-3 Proceso de extracción de aceite esencial de menta piperita

Existen diferentes métodos utilizados para llevar a cabo la extracción de aceites y algunos de ellos

se mencionan a continuación (ver Tabla 2). En el cual la destilación por arrastre de vapor que será

de gran utilidad en el desarrollo del presente proyecto, ya que es la menos costosa a diferencia de

los otros.

Tabla 2. Análisis comparativo de los principales métodos de extracción de aceites esenciales [4]

Método de

extracción

Ventajas Limitaciones

Destilación

con vapor

Método industrial y de

laboratorio.

Buenos rendimientos en

aceite extraído.

Obtención del aceite puro,

libre de solvente.

Bajo costo

Tecnología no sofisticada

Procesos colaterales como

polimerización de los

terpenos.

Hidrólisis de los ésteres.

Destrucción térmica de

algunos componentes.

Extracción

con solventes

volátiles

Uso de temperaturas bajas.

No provoca termo destrucción

ni alteración química de los

componentes del aceite.

Posibilidad de separación de

componentes individuales.

Costoso

Contaminante del ambiente.

Riesgo de incendio y

explosión.

Difícil de separar

completamente el solvente sin

alterar la composición del

aceite.

Co-extracción de ácidos

grasos, ceras y pigmentos.



9

Extracción

con CO2

supercrítico

Alto rendimiento.

Ecológicamente limpio.

Fácil retiro y reciclaje del

solvente.

Bajas temperaturas de

extracción.

No hay alteración química del

aceite.

Cambiando parámetros

operacionales se puede

cambiar la composición del

aceite extraído.

Ácidos grasos, pigmentos y

ceras también pueden ser

extraídos junto con el aceite

esencial.

Alta inversión inicial.

1.1-4 Propiedades fisicoquímicas y organolépticas del aceite esencial

Mezcla de sustancias aromáticas de origen natural y/o sintético. Especificaciones a 20ºC. Aspecto:

Líquido Aceitoso. Color: Amarillo. Olor: Herbáceo, mentolado. Solubilidad: buena en alcohol.

Densidad: (g/ml) 0,940. Índice de refracción: 1,459. Punto de inflamación: > 62ºC. [3]. Su

composición la podemos ver en la tabla 3.

Tabla 3. Composición del aceite esencial de la hoja de

menta piperita.

1.2 Estudio de Mercado

1.2-1 Oferta y Demanda

El mercado mundial de los aceites esenciales, en crecimiento constante, genera una continua

renovación de la tecnología empleada para obtener estos productos. A su vez, incentiva la

optimización de los equipos utilizados diariamente, para aumentar su rentabilidad y eficiencia. El

proceso para obtener los aceites esenciales, utilizado desde la antigüedad hasta el presente, ha

demostrado su cualidad de ser amigo del medio ambiente: gracias al mínimo impacto generado; su

contribución a cerrar el ciclo de producción-consumo de materiales renovables en nuestro planeta y

por el uso del agua, como insumo del proceso. Además, al requerir materias primas renovables,

contribuye al desarrollo sostenible de zonas con un menor nivel de industrialización, pero con una

Nombre de sustancia % en peso

Mentona 40 a 60

Mentol 20 a 45

Isopulegol 1 a 4

Pulegona 0.5 a 2

D-Limoneno 0.2 a 1



10

alta disponibilidad de mano de obra y de una gran diversidad del material vegetal. Lo cual favorece

a un mayor crecimiento económico, apoyado en un manejo racional, sin descartar la

implementación de modificaciones de esta tecnología [5].

Este análisis para el caso del aceite esencial de menta con la finalidad de identificar oportunidades

de innovación que faciliten la toma de decisiones para el desarrollo de proyectos estratégicos que

contribuyan al desarrollo regional. Este aceite esencial ha sido seleccionado con base en los

antecedentes de producción en Antioquia, y su alto potencial de comercialización en los mercados

internacionales [6].

De acuerdo con los datos obtenidos de organizaciones identificamos de una manera amplia

aplicaciones del aceite esencial de menta en la industria de: sabores, fragancias, aromas, belleza, y

cuidados de la salud humana y el hogar.

Importaciones

De acuerdo con un reporte del Centro para la Promoción de Importaciones desde países en

Desarrollo de Holanda (CBI, por su sigla en inglés), las importaciones europeas de aceites

esenciales en el 2004 fueron de 501 millones de euros (USD623 millones), ver gráfico 1.

Gráfico 1. Importaciones de aceites esenciales.

EU es el principal proveedor de las importaciones europeas de aceites esenciales, puesto que

concentra el 19% del mercado, lo que equivale a 95 millones de euros (USD118 millones). Le

siguen Francia, China, Brasil, Reino Unido y Argentina, entre otros, gráfico 2.



11

Gráfico 2. Proveedores de las importaciones de aceites esenciales.

Segmentación del mercado

El tipo de aceite y la calidad de este determinan en qué clase de producto final va a ser procesados.

Los aceites esenciales son usados como materias primas básicas y pueden clasificarse en insumos

industriales para los segmentos de fragancias, aromas o sabores, productos médicos y otras

actividades químicas [7].

Los aceites esenciales son utilizados como fragancias en las siguientes industrias:

Perfumes: para la elaboración de perfumes, aguas de perfume, aguas de tocador, aguas de

colonia, aguas frescas y aguas de baño, entre otros.

Cosméticos: para hacer agradable, atractivo e impartir identidad a unos productos como

jabones, champús, desodorantes, labiales, cremas, ungüentos y pastas dentales, etc.

Aseo y limpieza: para otorgar fragancias a productos de limpieza para el piso,

aromatizantes ambientales y limpieza de baños y cocina.

Plásticos: para enmascarar el mal olor que tiene algunos cauchos y plásticos. Así como, se

usa en la industria de la juguetería.

Textiles: como enmascaradores de olores en tratamiento con mordientes, antes y después

del teñido.

Pinturas: como enmascaradores de olores.

Papelería: para impregnar fragancias en cuadernos, esquelas, tarjetas, papel higiénico y

toallas faciales y sanitarias, entre otros.

Como aromas o sabores los aceites son usados en:

Alimentos: en segmentos como condimentos y bebidas.

Licores.

Medicamentos: para enmascarar los sabores amargos de algunos de ellos, por ejemplo

saborizantes para jarabes infantiles.



12

Tabacos y cigarrillos: para aromatizarlos.

Desde el punto de vista de productos médicos, los aceites esenciales son usados como medicina

alternativa.

Antisépticos.

Antiparasitarios.

Con efecto sobre el sistema nervioso central, aparato respiratorio, etc.

Rubefacientes.

Antiinflamatorios.

Aromaterapia.

Canales de comercialización.

Según el reporte de CBI, entre el 60% y el 80% del comercio de aceites esenciales se realiza

directamente entre productores e importadores que los procesan [7].

Algunos de los fabricantes del producto final, que requieren grandes cantidades de aceites

esenciales, los compran directamente al productor. Sin embargo, la mayoría de los procesadores no

compran con frecuencia de manera directa al productor, para evitar riesgos de entregas incorrectas

en cuanto a cantidades estipuladas y calidad, esto con el fin de cuidar su imagen.

1.3 Ubicación de la planta

1.3-1 Factores que determinan la ubicación de la planta

Las alternativas de instalación de la planta deben incluir una clasificación concentrada que

comprenda por lo menos los siguientes factores:

• Medios y costos de transporte.

• Disponibilidad y costo de mano de obra.

• Cercanía de las fuentes de abastecimiento.

• Factores ambientales.

• Costo y disponibilidad de terrenos.

• Estructura impositiva y legal.

• Disponibilidad de agua, energía y otros suministros.

• Comunicaciones.

La tendencia de localizar el proyecto en las cercanías de las fuentes de materias primas, depende del

costo de transporte. Normalmente, cuando la materia prima es procesada para obtener productos

diferentes, la localización tiende hacia la fuente de insumo.



13

Método cualitativo por puntos

Este método consiste en definir los principales factores determinantes de una localización (Tabla 4),

para asignarles valores ponderados de peso relativo, de acuerdo con la importancia que se les

atribuye. El peso relativo, sobre la base de una suma igual a uno, depende fuertemente del criterio y

experiencia del evaluador.

Tabla 4. Factores a considerar para la ubicación de la planta

extractora de aceite esencial de menta piperita.

FACTOR PONDERACION (%)

Transporte de materia prima 20

Transporte de productos 25

Disponibilidad de materia prima 30

Competencia con empresas aceiteras 15

Servicios 10

Total 100

Al comprar dos o más localizaciones opcionales, se procede a asignar una calificación a cada factor

en una localización de acuerdo a una escala predeterminada. Así calificaciones ponderadas

permitirán seleccionar la localización que acumule el mayor puntaje. Para tomar una decisión, se

analizan algunos estados de la República, el modelo se aplica como indica en la Tabla 5.

Tabla 5. Matriz de decisión para la localización.

Factores que determinan la localización de la

planta

Estado

Factores directos Ponderación

máxima

Morelos Chihuahua-

SierraTarahumara

Guanajuato

1)Fuentes de suministro de

agua

100 82 95 90

2) Localización de la materia

prima

95 45 95 85

3) Disponibilidad de energía

eléctrica

90 80 88 80

4) Disponibilidad de vías de

transporte

85 80 85 82

5) Distancia de la planta al

mercado de consumo

80 80 65 70

SUMA 450 367 428 407

Factores indirectos Ponderación

máxima

Morelos Chihuahua-

SierraTarahumara

Guanajuato

6) Disponibilidad y

características de la mano

de obra

70 45 70 50

7) Facilidades para la

eliminación de desechos

65 60 60 60



14

8) Plantas de tratamiento de

aguas residuales

60 60 50 60

9) Disposiciones legales,

fiscales o de política

económica

55 55 50 48

10) Servicios públicos:

a) drenaje y alcantarillado

b) caminos, vías de acceso y

calles

c) servicios de salud

d) transporte para personal

e) servicios de seguridad

pública

50

10

10

10

10

10

7

9

9

10

9

7

10

10

10

8

10

9

8

10

8

11) clima 45 30 40 45

SUMA 345 294 315 308

TOTAL 795 661 743 715

1.3-2 Ubicación geográfica de la planta

Según datos del gobierno del estado, la Sierra Tarahumara es una región clave en el desarrollo

económico del estado y del país, por su ubicación geográfica se conecta con los centros de

producción y de consumo más importantes de México.

El estado elegido presenta una serie de ventajas que lo convierten en una magnífica opción para el

establecimiento de Proyectos de Inversión Industrial y comercial.

La carretera y la vía férrea que unen a la Ciudad de México con Chihuahua (la Sierra Tarahumara)

constituyen los canales de articulación. En la actualidad, tanto las carreteras estadounidenses que

desembocan en El Paso, como las mexicanas que llegan a Ciudad Juárez, son base principal de los

transportes en estas ciudades gemelas, caracterizadas por tener intensos flujos de mercancías,

capitales, personas, etc.

Como ya se ha señalado líneas arriba, la posición central que tiene la Sierra Tarahumara en el marco

territorial México-Estados Unidos, convierte a esta ciudad en un punto estratégico para la

realización de negocios binacionales; de ahí su amplia cobertura en México [8].

1.4 JUSTIFICACIÓN

¿Por qué la extracción de aceite esencial de menta piperita? Los aceites esenciales se utilizan para

dar sabor y aroma en los alimentos, así como ser un inhibidor del crecimiento bacteriano. Son los

ingredientes básicos en la industria de los perfumes y se utilizan en jabones, desinfectantes y

productos similares. También tienen importancia en medicina, tanto por su sabor como por su

efecto calmante del dolor y su valor fisiológico.

A nivel mundial el comercio de aceites esenciales ha permanecido activo en los últimos años. En el

2010 México fue el segundo importador de aceite esencial de menta piperita, con la producción de



15

este proyecto se satisfará al 100 % la importación que México hace de Colombia [9].

Dado que la producción de éste tipo de productos se encuentra en crecimiento constante, genera una

continua renovación de tecnologías, métodos y técnicas empleadas para obtener estos productos. A

su vez, incentiva la optimización de los equipos usados comúnmente, para aumentar su rentabilidad

y eficiencia.

Por otro lado, al requerir materias primas renovables, contribuye al desarrollo sostenible de zonas

con un menor nivel de industrialización, una alta disponibilidad de mano de obra y una gran

biodiversidad del material vegetal. Lo cual favorece a un mayor crecimiento económico,

respetando las normas ecológicas.

Debido a la situación de mercado de los aceites esenciales de menta piperita en México y en el

mundo, se presenta como una alternativa de desarrollo, ya que permite al sector agroindustrial tener

un potencial fuerte, tanto en la producción de plantas aromáticas bajo condiciones controladas,

obteniendo mayores rendimientos mediante la utilización de tecnologías adecuadas, además de

generar mejores ingresos a los pequeños y medianos productores, dando así un alto valor agregado

de nuestros productos.

Este proyecto pretende mejorar la obtención de aceite esencial de menta piperita mediante la

Extracción Asistida por Microondas (MAE), a pesar de que es una técnica desarrollada a finales de

1980 y es un proceso ya estudiado aún no se sabe la aplicación a nivel industrial [10]. Los

resultados obtenidos serán de gran importancia para futuras investigaciones que relacionen la

extracción, modelado y optimización de parámetros fisicoquímicos para la producción de aceites

esenciales que se puedan aprovechar de la inmensa flora que posee nuestro país.

1.5 OBJETIVOS

1.5-1 Objetivo general del proyecto

Diseñar y optimizar un proceso para la obtención de 9200 kg/año de aceite esencial a partir de la

hoja de menta piperita.

1.5-2 Objetivo particular del proyecto

• Analizar los diferentes métodos de extracción y seleccionar el más factible.

• Analizar y evaluar las propiedades organolépticas, físicas y químicas del aceite obtenido,

comparándolas con la literatura y con aceite comercial.

• Dimensionamiento de los equipos

• Evaluación económica y sustentabilidad del proceso.



16

CAPITULO 2

2. EXPERIMENTAL

2.1 Metodología

Materia prima

La planta se obtuvo en la central de abastos de la Ciudad de México donde se surten todo tipos de

hierbas aromáticas No. de local 501, temporada de cosecha de enero a marzo del año 2014.

Preparación de la materia prima

Limpieza: Se elimina cuidadosamente la raíz y la tierra adherida mediante flujo continuo de agua

potable a temperatura ambiente para después dejarla a escurrir por 3 horas y eliminar el exceso de

humedad.

2.1-1 Materiales y equipos experimentales

Para el método de extracción por arrastre de vapor se utilizó una caldera de gas industrial, 2

recirculadores con anticongelante, 2 condensadores, 1 columna de acero inoxidable con medidor de

presión y temperatura, 2 embudos de separación.

2.1-2 Secado

Secado: Se realiza para facilitar el proceso de extracción y así mismo lograr un mayor tiempo de

almacenaje. En este caso se hicieron pruebas con un secador de charolas a 60°C (ver anexo 2,

sección a) el cual muestra la cinética de secado donde el tiempo total de secado está en función del

contenido de humedad de la hoja de menta piperita (ver anexo 2, sección b).

2.1-3 Cavitación

La sonicación de la planta se llevó a cabo con un equipo BRANSONIC 3510 que trabaja en un

rango de 40-60 KHz. Para la sonicación la materia prima tiene que contener humedad ya que las

ondas de sonido se trasladan a través del agua.

Se sonicaron tres paquetes de 400 g de planta seca triturada, las cuales se dividen en: 500g con 26

% de humedad, 400 g con 44% humedad y 400g con 68% de humedad. A la primera muestra se le

agregaron 300 mL de agua destilada, a la segunda se le agrego 600 mL de agua destilada y a la

tercera se le agrego 1200 ml de agua destilada respectivamente. Las muestras se sonicaron durante

10 min cada una. Una vez sonicado se siguió el mismo procedimiento de extracción por arrastre de

vapor antes mencionado.



17

2.1-4 Extracción de la hoja de menta piperita

Destilación por arrastre de vapor

En la figura 1 se muestra el diagrama de flujo del proceso operacional para la extracción de aceite

esencial. La destilación por arrastre de vapor fue llevada a cabo en una planta a escala piloto donde

se manejó una presión en el extractor de 0.2 ± 0.1 kg/cm2, una temperatura 92.5 ± 1.0 ºC en el

extractor, la presión a la entrada es de 4 ± 1.0 kg/cm2. Consta de dos condensadores con

recirculación de agua a 5 ºC, el flujo de vapor es de 18.3 ml/min. El líquido recuperado es obtenido

en un embudo de separación de 1 Litro. Este procedimiento se realizó para las siguientes pruebas:

planta seca con porcentaje de humedad del 7, 40 y 80% de humedad. Todas las pruebas se

realizaron con hoja triturada.

Diagrama preliminar del proceso

Figura 1. Diagrama de flujo para la extracción de aceite esencial de menta

piperita por arrastre de vapor.

Los parámetros a tomar en esta prueba fueron: temperatura de entrada y salida del vapor,

temperatura inicial y final de los condensadores, flujo de agua de enfriamiento, de condensado y

tiempo extracción. El tiempo de la prueba se basó inicialmente en una revisión bibliográfica [11].

Se utilizaron tablas para el proceso de recopilación de datos.

Análisis de las variables de operación:

Tomando como base el esquema de la operación (Figura 1) para caracterizar las variables más

importantes se tiene:

Variable de respuesta: Volumen de aceite - Rendimiento volumétrico

Variables independientes: presión de operación, flujo de vapor, tiempo de extracción, volumen

inicial del agua para producción de vapor, masa inicial del material vegetal, flujo de agua de



18

enfriamiento.

Por el carácter del equipo implementado, el tipo de operación se realiza por lotes a presión

atmosférica, con dos clases de materia prima independiente una de la otra. De igual forma, tanto la

cantidad de material vegetal a trabajar como el volumen de agua para la generación de vapor

iniciales, quedan determinadas por la capacidad del equipo; trabajando las máximas permisibles

para obtener mayores volúmenes de aceite. De ahí, que las variables del sistema son: Flujo de

vapor, tiempo de operación.

2.1-5 Rendimientos

La tabla A3 del anexo 3 se muestran los porcentajes de rendimiento (masa/masa) los cuales son

resultado de datos experimentales. Dónde el rendimiento se obtiene con:

….(1)

2.1-6 Caracterización de aceite esencial de menta [12]

Índice de refracción (IR)

La medición del IR se llevó a cabo en un refractómetro Abbe en donde se analizaron todas las

muestras antes mencionadas.

Densidad

Esta medición se llevó a cabo con un picnómetro de 5 ml donde también se midieron las

temperaturas a las que se encontraban. Se obtuvieron 3 mediciones por cada muestra analizada.

Color

El color se comparará con una muestra de aceite esencial comercial contra el aceite esencial

obtenido.

Olor

El olor se comparará con una muestra de aceite esencial comercial contra el aceite esencial

obtenido.

Para tener una referencia de los resultados obtenidos de nuestras muestras, se realizan, las mismas

pruebas con muestras de aceites esenciales obtenidas en el mercado, obteniendo los datos que se

muestran en el anexo 3.



19

2.1-7 Conclusión de la experimentación

Se determinó que el tiempo de secado total de la hoja de menta es de 125 min para que contenga

una humedad en un intervalo de 7-10 %, de este porcentaje de humedad se obtuvo un rendimiento

de 0.72 %, y se observó que conforme se aumentaba la humedad el rendimiento disminuía, por lo

que para nuestro proceso es factible trabajar con hoja seca (7-10 % de humedad).

Por otro lado el pre tratamiento de sonicado resulto no ser tan conveniente, ya que el proceso

requiere alta humedad en la hoja para propagar las ondas de sonido y pueda romper los canales

donde está el aceite y halla una mejor extracción, pero esto nos implicó bajos rendimientos, quizás

resulte conveniente adaptar la técnica de sonicado en otras condiciones para mejorar el rendimiento

y reducir tiempos de operación.

Las muestras fueron analizadas y comparadas con un aceite comercial así como con datos de la

literatura, determinamos que el sabor, color y aroma eran muy similares a las del aceite comercial.

De igual forma los índices de refracción, pH y densidad cayeron dentro del intervalo aceptable, por

tanto el diseño del proceso a escala piloto resulto ser factible para definir los parámetros más

importantes que hacen que el aceite se obtenga de manera exitosa y con altos rendimientos así como

tiempos de extracción cortos.

CAPITULO 3

3. PROCESO

3.1 Diagrama de Flujo del proceso de extracción de aceite esencial de menta piperita

En la figura 2 se representa el diagrama de flujo propuesto para el proceso de extracción de aceite

esencial de menta.

Para conocer los símbolos empleados en el diagrama del proceso de extracción de menta piperita

dirigirse a la tabla 6 o revisar la Tabla A1. del anexo 1 en donde se encontrarán las corrientes en el

diagrama de flujo en el proceso de extracción de aceite esencial.



20

Figura 2. Diagrama de flujo (autoría propia).



21

En la tabla 6 se muestran la nomenclatura que se utilizó en el diagrama de flujo para cada equipo en

el proceso,

Tabla 6. Símbolos del Proceso de extracción de menta piperita.

Símbolo Equipo

S1 Secador 1

S2 Secador 2

M1 Molino de cuchillas 1

E1 Extractor 1

E2 Extractor 2

E3 Extractor 3

E4 Extractor 4

I1 Intercambiador de calor 1





C1 Caldera 1

B1 Bomba 1

B2 Bomba 2

Sf1 Separador florentino

F1 Destilador simple

T1 Tanque de almacenamiento de aceite

T2 Tanque de almacenamiento de agua

T3 Tanque estacionario de gas

R1 Enfriador 1

R2 Enfriador 2

3.2 BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA

Secador

Se desea producir 9200 kg/año de aceite esencial, es decir 28 Lt de aceite por día, con este dato

determinamos que se necesitan 3432 kg/día de hoja seca para la extracción (ver memoria de

cálculo), de acuerdo a la experimentación a escala piloto se determinó que la hoja fresca de menta

contenía un 80% de humedad, por lo que en los balances de materia, la cantidad de hoja a secar son

17160 kg/día. Es importante mencionar que la jornada laboral durará 8 h al día.



22

Figura 3. Diagrama entradas y salidas del secador de charolas.

Balance de materia [13].

En el proceso de secado se supone que toda el agua que sale del producto pasa al aire, entonces

debe cumplirse:

Disminución de agua en el producto = Aumento de agua en el aire

Donde mw es la cantidad de agua, ms la masa de producto seco, ma la masa de aire seco, ∆Ws la

humedad perdida por el producto en base seca y ∆X la humedad ganada por cada kg de aire seco.

Si consideramos velocidad de secado constante, el balance de masa que permite calcular el flux de

agua (evaporación) es:

Donde

= Flux de agua [Kg/m2 * s]

= coeficiente de transferencia de masa convectivo en la película estancada de aire sobre el sólido

[kgas/m2 h]

= humedad de saturación o base seca [kgH2O/kgas]

= humedad base seca [kgH2O/kgas]

Balance de energía [13].

Para establecer el balance de energía hay que realizar una serie de suposiciones:

Suponemos que, en principio y siempre que no existan pérdidas de energía a los alrededores, la

temperatura del termómetro húmedo permanece constante durante el proceso de secado. Esto

significa que la variación de entalpía específica será muy pequeña y positiva, pero no exactamente

cero (como sería si el proceso fuese estrictamente adiabático).

La mayor parte de la energía que aporta el aire se emplea en la evaporación del agua contenida en el



23

sólido. Esto quiere decir que se supone que el producto a secar se mantiene siempre, o al menos

cuando la velocidad de secado es constante, a la temperatura del termómetro húmedo del aire, Tbh.

En estas condiciones debe cumplirse el siguiente balance de energía:

Donde

= Flujo de calor [cal/s]

h = Coeficiente de transferencia de calor en la superficie del sólido y la película estancada de aire

sobre ésta [cal/m2*s* °C]

A = Área expuesta al secado [m2]

= Temperatura en el seno del aire [°C]

= Temperatura en la superficie del sólido [°C]

A partir de las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco se determina el contenido de humedad,

y con sus pesos moleculares del agua y del aire se encuentra los moles totales de cada uno. Una vez

conociendo los moles presentes en el seno del gas encontrar la fracción molar de agua. A parir de la

presión de saturación del agua a la temperatura de la superficie del sólido se determinan la fracción

molar del agua en la superficie del sólido. Posteriormente se encuentra el coeficiente de

transferencia de masa (número de Sherwood) cuyo valor es de 1.39 X 10-4

Kmol/m2s. A partir de la

ecuación de gases ideales se determina la densidad del aire que es de 1.068 Kg/m3y después se

determina el flux másico que fue de 0.691 kg/m2s.

Sistema de columnas de extracción

Balance de materia en base seca de la planta de menta:

Para saber la masa de hoja humeda a la salida del sistema se hace un balance de materia en base

seca que queda de la siguiente forma:

Nos dice que la cantidad de hoja seca que entra al sistema es igual a la que sale más la masa

húmeda.

La cantidad de hoja seca a la entrada está determinada por la capacidad de carga en la columna

(empaque) de extracción, el procedimiento para encontrar las cantidades a la entrada y salida del



24

sistema se encuentran en el apartado de memoria de cálculo. Por lo tanto:

Balance de materia para el vapor de agua

Para el balance de materia de vapor de agua en el sistema de columnas de extracción tenemos la

siguiente expresión:

La cual nos da el flujo másico de vapor de agua que entra al sistema y es igual al flujo másico

de vapor de agua que sale más el flujo másico de aceite,

Para calcular los flujos de vapor de agua a la entrada y salida del sistema vamos a considerar

que la cantidad de vapor que sale de una columna de extracción a escala piloto es igual a la

cantidad de vapor condensado.

Por otro lado conociendo la cantidad de condensado que hay en la columna a escala piloto

podemos conocer los flujos másicos de vapor para una columna industrial, el procedimiento se

encuentra en el apartado de memoria de cálculo.

Ahora bien, en la figura 4 se representa las entradas y salidas de hoja seca y vapor de agua en el

sistema de columnas de extracción, se manejan flujos másicos en kg/día.



25

Figura 4. Diagrama de entradas y salidas en el sistema de columnas de extracción.

Separador florentino

Balance de materia

Para el separador florentino se puede realizar un balance para determinar flujo másico de salida

de agua que se almacenará en el recipiente el cual nos servirá para determinar el flujo másico al

que va a operar la bomba B1.

Para el balance de materia en el separador florentino tenemos lo siguiente:

En donde es el flujo total másico de la mezcla agua-aceite, es flujo másico que sale de

agua y es el flujo másico que sale de aceite, entonces:

.



26

Figura 5. Corrientes de entradas y salidas en el separador florentino

3.3 DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPO (escalamiento)

Secador

En la industria alimentaria el secado es una operación unitaria la cual puede llevarse a cabo

mediante secadores de charolas estático tambien llamado secador de anaqueles el aire utilizado es

arrojado por un ventilador y calentado mediante resistencia eléctricas, para secar el material.

Para la primer etapa del proceso que es el secado de la materia prima como se vio en la figura 3,

se registró el peso fresco de la muestra, se introdujo al horno de charolas a 70° C un tiempo de

140min o 8400s (figura 6), corroborando que el peso del material seco sea constante.



27

Figura 6. Secado de la materia prima

Iniciando con el diseño a escala industrial, con la siguiente ecuación tenemos:

(

)

= tiempo de secado experimental o tiempo de residencia (s)

= masa de hoja seca (Kg)

= Área de secado (m2)

= contenido de humedad, inicial y final respectivamente


Si A es el área de secado, considerando que las charolas miden 24x18 cm y que son tres charolas en

el secador en planta piloto (ver anexo 2) entonces A=432cm2/charola=0.0432m

2/charola, entonces

el área por las tres charolas (por ser el área de secado total) es A=0.1296m2 y que el tiempo

experimental es de 140 min o 8400 s (ver gráfico 3) con el que garantizamos el 10% de humedad al

final del secado. Sabemos que Xo=80% bh, Xf=10% bh y msfresco=3.99Kg en las tres charolas del

secador a tratar, por tanto la rapidez de secado es:

(

)



28

Gráfico 3. Secado de hoja de menta.

Ahora llevaremos los cálculos hechos anteriormente de nivel planta piloto a nivel industrial.

Despreciando el calor necesario para sobrecalentar la humedad evaporada hasta la temperatura del

gas y considerando sólo el calor latente de evaporación λ, entonces el flux de evaporación Nc y el

flux de flujo de calor están relacionados con:

{

} {

} {

}

q = Nc A λ

Dónde:


λ = Calor latente de evaporación KJ/Kg]

= Flujo de calor [KJ/s]

= Área de secado, charolas industriales (m2)

Si sabemos que λ= 2395.75 KJ/Kg, que el Nc=

y el área de secado en el secador de

charolas industrial con dimensiones de 46x64 cm es A=2944 cm2/ charola= 0.2944 m

2/ charola.

Como son 8 charolas el A= 2.3552 m2, entonces:

(

) (

)



29

Para el cálculo del volumen del secador hacemos uso de la siguiente ecuación:

Dónde

= volumen del secador de charolas [m3]

= masa de la hoja seca [Kg]

= densidad empacada [Kg/m3]

Considerando que el extractor tiene 5.5 litros de volumen y que puede empacarse con 0.5 kg de

sólido, entonces, consideramos que la densidad empacada es:

=

La densidad empacada consiste en determinar el peso de un volumen fijo de solidos después de

haber sido empacada sometiendo el material a esfuerzos con el fin de disminuir la porosidad. Por

otro lado, la compresibilidad indica el grado de compactación que presenta una masa de partículas

cuando son sometidas a un proceso de compresión.

Si se consideran 2860 kg a tratar, entonces necesitaríamos un volumen de secador de:

Como el horno industrial (Ct- chigh- effiencyhot- aire circulante horno de secado para la

deshidratación de las materias primas) que satisface las necesidades de secado de la materia bajo las

condiciones que requerimos tiene un volumen de 22.4 m3, requeriremos 2 secadores para abastecer

la demanda requerida diaria de materia prima para cada extractor.

Molino de cuchillas

Una vez que se tiene el flujo a la salida del secador se procederá a un proceso de picado. Para el

pretratamiento de la materia prima se requiere un molino de cuchillas para reducir el tamaño de la

hoja seca ya que aumenta el área de contacto con el vapor y propicia la extracción del aceite.

Se cotizo un molino con la empresa VEYCO molinos y mezcladoras S.A. de C.V. para tratar 1500



30

kg/h de hoja seca con un molino de las siguientes características:

Gran versatilidad por la sencillez en su operación.

Sistema de cuchillas de corte oblicuo que proporcionan un corte suave y limpio.

Cuchillas fabricadas en acero D-2 y tratadas térmicamente a 56/58 Rc que garantizan una

alta resistencia al impacto y máxima durabilidad de los filos de corte.

Cuchillas con recubrimiento de carburo de tungsteno para productos abrasivos.

Tres cuchillas rotativas, dos cuchillas fijas.

Cribas fabricadas en placas roladas de acero de alta calidad con diferentes diámetros de

barrenos de acuerdo al producto.

Cambio sencillo de cribas a diferencia de otros molinos con gran dificultad.

Cámara de molienda construida con placas de acero rectificadas y de gran espesor con

diseño de fácil acceso que permite una rápida limpieza.

Poseen gran robustez.

Variación de velocidad mediante inversor de frecuencia controlado manualmente.

Ocupan poco espacio y tienen una gran capacidad de molienda.

Cuentan con una boca de alimentación grande y un diseño moderno y seguro.

Tolva de carga con deflector para evitar que el producto que entra a la cámara de molienda

regrese.

Recipiente en la parte inferior del molino.

Rendimientos desde 50 hasta 1500 Kg/hr.

Potente motor con transmisión a base de poleas y correas trapezoidales.

Botón de seguridad (corta corriente).

Cuchillas de doble vida intercambiables con filo en ambos lados que le ahorran costos y

tiempo.

Productos que procesan: Cajetillas, papel, bolsas, hules, cartón, pan, credenciales, alimentos,

piedras, vidrio, etc.

En la tabla 7 se muestran las características específicas del triturador propuesto y en la figura 7 se

ve su diseño utilizado en la industria.

Tabla 7. Características específicas del triturador

Modelo Motor

h.p.

Cámara

de

molienda

b x c (mm)

largo de

cuchillas

"d"

(mm)

tolva de

alimentación

"b" x "a"

(mm)

número de

cuchillas

producción

(kg/hr)

peso

aproxi

mado

(kg) rotativas fijas

MCV

9040

30/40/

60

900X400 900 (36") 900X400 3 2 300/600 1500



31

Figura 7. Diseño industrial del triturador

El largo "D" de las cuchillas va en secciones de 300 mm cada una.

La base que tendrá es de PTR (estructura tipo mesa) para adaptar una banda transportadora o

ensacado manual directo.

Columna de extracción

La siguiente explicación se muestra para entender los flujos de entrada y salida al extractor

experimental ya que en estos se basaron para saber los flujos en la caldera industrial.

En la figura 8 se muestra la columna de extracción que se empleó a escala planta piloto, tiene un

volumen de 5.5 lt, su capacidad máxima de empaque es de 500 g de hoja seca y triturada, para

obtener un volumen de extracción de aceite esencial de menta de 4 ml. La columna consiste en un

tubo de acero inoxidable comercial de 1.5mm de espesor.

Para encontrar los flujos másicos de vapor en la entrada y salida del extractor a escala piloto se

utilizó la siguiente expresión:

En donde es la velocidad de vapor que sale de la tubería y se midió con anemómetro marca

LCA 6000 VT, con una resolución de 0.01 m/s, es el área trasversal del tubo y la densidad de

vapor de agua a 100°C y a

es

, Entonces Q1 es el flujo volumétrico de vapor que

entra a la columna y Q2 es el flujo que sale.

(

)(

)(

)

(

) (

)(

)



32

Figura 8. Dimensiones del extractor a escala piloto

Dimensionamiento del extractor industrial

Para el diseño del extractor a escala industrial se considerarán, a manera de referencia, las

dimensiones de la figura 8, las cuales corresponden al equipo a escala piloto. Se fija la longitud del

extractor, para evitar tener caídas de presión elevadas, entre más larga es la columna los tiempos de

extracción aumentan y cabe la posibilidad de que el vapor se condense dentro de la columna, por lo

que se tomara como referencia la longitud de la figura 8. El cálculo se enfocará al diámetro de la

columna del extractor y los flujos másico de vapor de agua en la entrada y salida de la columna, el

procedimiento se encuentra en el apartado de memorias de cálculo.



33

Una vez que conocemos el diámetro de la columna y los flujos másicos procedemos a hacer una

representación clara del prototipo. En la Figura 9 se representa las dimensiones de un extractor a

escala industrial.

Figura 9. Dimensiones de una columna de extracción a escala industrial.

En la tabla 8 se muestra el volumen, capacidad de carga de la hoja de menta seca y triturada dentro

del reactor así como el volumen extraído de aceite en cada columna de extracción.

Tabla 8. Producción de aceite esencial de menta piperita en cada columna de extracción.

Para conocer la producción por día de aceite esencial basta con saber la densidad del aceite, a

continuación se muestra el cálculo:

Extractor volumen

(Lt)

capacidad de carga

(kg)

volumen de aceite

extraído (Lt/h)

piloto 5.5 0.5 0.004

Industrial 3141 286 2.3



34

Entonces para satisfacer esta demanda se necesitaran 4 columnas de extracción a escala industrial,

las cuales van a operar tres veces al día, nota: cuando hablamos de 1 día nos referimos a la jornada

de trabajo laboral de 8 horas.

Para que nuestro proceso sea continuo y no existan pérdidas de tiempo y energía, la operación

consiste en poner a trabajar como primera estancia dos extractores, posteriormente cuando concluya

la operación continuara el proceso con los dos restantes mientras que los que acabaron de operar se

procederá a la descarga y carga, así sucesivamente, de esta manera nuestro proceso se retorna

continuo.

Calculo del espesor mínimo del extractor de acero inoxidable a nivel industrial

Dónde:

r: radio (m)

h: altura máxima del líquido en el tanque (m)

ρ: densidad del empaque (Kg/m 3)

: Tensión máxima permisible (kg/m S2)

k: factor de construcción (0.72-0.77)

g: 9.81 m/seg2

s: espesor de la placa (m)

Se calcula el área de contacto del extractor para determinar el costo del acero comercial:

r: radio del extractor (m)

h: altura del extractor (m)

g: √



35

Caldera

La caldera es un dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a

través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado

líquido, se calienta y cambia su fase a vapor (ver figura 10).

El vapor que se utilizará en la extracción del aceite esencial se generará a partir de una caldera

industrial la cual se utilizó en la parte experimental. Se consideraron ciertos parámetros como el

flujo a la entrada, temperatura, presión, temperatura dentro del extractor y fracción de evaporización

que genera.

Para el dimensionamiento de la caldera se utilizó el Simulador ASPEN Plus V8.2 en donde se

consideraron los datos experimentales que fueron los siguientes:

Tabla 9. Condiciones experimentales en la caldera industrial a las que se extrajo el aceite esencial.

Flujo de entrada (m3/s) 0.047

Temperatura a la entrada (°C) 27

Presión en la entrada (kg/cm2) 0.81

Temperatura en el extractor (°C) 180

Fracción vapor generado 0.7

La tabla 10 muestra los resultados obtenidos por el simulador ASPEN Plus V8.2 en donde se

muestran las condiciones a las que se operará la caldera.

Tabla 10. Características de manipulación de la caldera con simulador ASPEN Plus V8.2.

Calor neto requerido (kW) 97511.7

Presión máxima (kg/cm2) 10

Dimensiones.

De acuerdo con el volumen de agua acumulado en el separador florentino que es de 1,565,400 cm3

podemos decir que es aproximadamente la misma cantidad de agua que se requiere en la caldera ya

que es un sistema cerrado. Para esto, suponemos una altura de 150 cm que es la que se maneja en

este tipo de industrias y se calcula el radio del tanque (el cálculo se muestra en el apartado Memoria

de cálculos).



36

Figura 10. Caldera industrial.

Intercambiador de calor

Es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una

barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de calefacción,

refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

Una vez que el vapor arrastra el componente volátil de la hoja en los extractores, la mezcla agua-

aceite será condensada por intercambiadores de calor de tubos y coraza en los cuales trabajaran a

contracorriente, en la corriente fría será agua a 5 °C para asegurar una condensación total y en la

corriente caliente será la mezcla de vapor aceite-agua.

Para calcular la carga térmica del intercambiador (I1) e (I2) y el área que se requieren para

condensar la corriente caliente se utilizó el simulador ASPEN Plus V8.2 en donde se consideran los

siguientes datos experimentales (ver tabla 11).

Tabla 11. Datos para el intercambiador de calor

Corriente 33 Corriente 6 7 10 11

Temperatura (°C) 5 Temperatura

(°C)

95 95 27 27

Presión (kg/cm2) 0.8154 Presión (kg/cm

2) 0.81 0.81 0.81 0.81

Flujo (m3/s) 0.01 Flujo (m

3/s) 0.015 0.015 2.18x10

-4 2.18x10

-4

Fracción (Agua) 1 Fracción (Agua) 0.998 0.998 0.998 0.998

Fracción

(Menthol)

0 Fracción

(Menthol)

0.002 0.002 0.002 0.002

Los resultados obtenidos muestran las condiciones a las que operan el intercambiador I1 e I2 así



37

como las temperaturas de las corrientes 21 y 22.

En la tabla 12 se muestra los resultados generados por el simulador y que son útiles para calcular el

área de intercambio de calor superficial ( ).

Tabla 12. Resultados generados por el simulador ASPEN para el intercambiador de calor.

Figura 11. Diagrama de intercambiadores de calor ASPEN Plus V8.2.

Calculo de área de intercambio de calor superficial.

Se calcula el calor transferido de la corriente caliente a la corriente fría (se muestra en memorias de

cálculo).

Se calculó del área de intercambio de calor superficial ( ) con los datos generados con el

simulador:

…(14)

Corriente 34 35

Temperatura (°C) 12 49

Presión ( kg/cm2) 0.8154 0.8154

Flujo (m3/s) 0.01 0.01

Fracción (Agua) 1 1

Fracción (Menthol) 0 0

Equipo I1 I2

Coeficiente de trasferencia calor

global U (W/m2-K)

850 850

LMTD (°C) 86.5 62.73

LMTD Factor de corrección 1 1



38

De igual forma se calcula el área para I2

De acuerdo al proceso que se muestra en el diagrama de flujo se utilizaran 4 condensadores de los

cuales, dos operaran durante una hora mientras que los otros dos estarán en proceso de descarga y

carga. Por lo tanto se tendrá un área de 250 m2 por los cuatro condensadores a utilizar.

Separador florentino

Para el diseño del separador florentino se considera que el aceite es menos denso que el agua,

además de que no es soluble y eso hace más fácil su separación. La función del separador es recibir

la mezcla agua-aceite que sale del condensador, el aceite queda ubicado en la parte superior

rebozando el recipiente para ser recogido, la parte del fondo (agua) puede ser descargado

continuamente o recirculado a la caldera.

Existe una infinidad de geometrías para separar una mezcla de agua- aceite, pero nos enfocaremos

en el diseño de la figura 8. El condensado entra en la parte superior, como el aceite no es soluble en

agua por diferencia de densidades, el aceite queda en la parte superior, por lo que es retirado

conforme pasa el flujo del condesado y en la parte inferior se retira el agua, la cual se regresara a la

caldera.

es la suma de los dos flujos que salen de los extractores. es la producción de aceite que

tendremos al día y es el flujo de agua que será recirculado a la caldera.

Dimensiones

Las dimensiones del separador florentino están basadas en los flujos de líquido condensado a la

salida de los intercambiadores suponiendo una altura de 2 m y así obtener el diámetro del separador.

El procedimiento para el diámetro del tanque florentino se encuentra en el apartado de memorias de

cálculo.



39

Figura 12. Dimensiones del separador florentino para agua-aceite.

Bomba (B1)

Las bombas centrífugas son el tipo de bombas que se utilizan con mayor frecuencia en la industria

química para el transporte de líquidos, como son materias primas, subproductos, productos

intermedios, servicios auxiliares, productos terminados etc. Las ventajas primordiales de una bomba

centrifuga son la sencillez, el bajo costo operación y mantenimiento, ocupan poco espacio y generan

bajos niveles de ruido, el flujo del fluido es uniforme y la capacidad de adaptación para su empleo

con una unidad motriz de motor eléctrico o de turbina.

Para saber la potencia de la bomba que se utilizará en vaciar el agua que está contenida en el

separador florentino se plantea el siguiente diagrama (los cálculos se muestran en el apartado

memoria de cálculos detalladamente):



40

Figura 13. Diagrama del sistema de bombeo B1.

De la ecuación de Bernoulli calculamos la altura dinámica HB

*

+ *

+ …. (15)

Dónde:

Presión en el nivel de toma de agua en el separador florentino = 80047.8

Velocidad de flujo de agua en el separador florentino = 0

Altura de toma de agua en separador respecto a la bomba = 0 m

Presión a la salida de la bomba = 111,458

Velocidad a la salida de la bomba.

Altura de la salida de agua de la bomba = 2 m

Densidad del agua = 1000 kg/m3

Coeficiente de gravedad = 9.8 m/s2

Pérdida de carga.

Calculamos V2 con la sección interna de la tubería (área transversal).



41

….(16)

El caudal se calcula como:

…(17)

Despejamos

Calculo de perdida de carga

….(18)

Dónde:

Coeficiente de fricción.

Longitud equivalente.

Diámetro interno del tubo.

Calculamos el coeficiente d fricción, como el coeficiente depende de fricción depende del Re,

calculamos lo siguiente.

…(19)

Como se suministra agua y se emplea tubería de acero comercial tenemos que la rugosidad relativa

de la tubería es:

Moody (1944) consiguió representar la expresión de Colebrook-White en un ábaco de fácil manejo

para calcular "f" en función del número de Reynolds (Re) y actuando la rugosidad relativa (εr)

como parámetro diferenciador de las curvas.

De acuerdo con las correlaciones tenemos que el coeficiente de fricción es de:

Calculamos la longitud equivalente



42

…(20)

Dónde:

Longitud lineal de tubería = 10m

Longitud equivalente de accesorios

La longitud equivalente de accesorios se determina a partir de los codos que se van a utilizar. Se

consideraron 2 codos de 90°.

…. (21)

Determinamos la pérdida de carga

Ahora determinamos HB

Calculamos el caudal QT a partir del balance que se realizó en el florentino (figura 8).

Ahora calculamos la potencia de la bomba con la siguiente ecuación.

…. (22)

… (23)



43

Bomba 2 (B2)

Para la bomba 2 se utilizó el mismo procedimiento que para la B1 pero con un QT = 0.01m3/s una

longitud lineal de 24 m de tubería y un coeficiente de fricción de f = 0.013.

Obteniendo una potencia de:

Columna de destilación flash

Para recircular el agua que sale del separador florentino se propone utilizar un destilador simple

para separar el aceite que pudo haber quedado en el agua. Ya que no se sabe la concentración del

mentol que contiene el agua que se va a recircular, no se pueden hacer los cálculos adecuados ni

para saber cuánto podríamos recuperar de aceite esencial.

Tanques de almacenamiento de aceite

Tanque 1

Para saber el volumen aproximado del tanque (ver figura 14) en donde se almacenará el producto

aceite-aguase hizo lo siguiente:

De acuerdo con la producción de aceite al día que es de 28 L de aceite esencial y suponiendo una

altura de 0.3 m, del tanque de almacenamiento se tiene que requerimos 0.028 m3 de volumen por lo

cual se puede calcular el radio del tanque de almacenamiento con la siguiente ecuación.

Figura 14. Tanque de almacenamiento de aceite



44

NOTA: Cabe mencionar que para la materia prima agotada, es decir la materia que sale de los

extractores después del proceso se utilizará como composta.

3.4 Lay out

Área de proceso

La Figura 15 describe la localización de cada etapa del proceso

Figura 15. Lay out de la planta de extracción de aceites esenciales.

CAPITULO 4

4. Sustentabilidad

El desarrollo sostenible se puede definir como el equilibrio entre el crecimiento económico, la

equidad en oportunidades y el uso eficiente de los recursos naturales, es decir, para que el desarrollo

tenga permanencia en el tiempo es necesario el equilibrio entre estas tres áreas.

Para implementar la visión del desarrollo sostenible en la acción de las empresas y cuantificar sus

resultados se debe promover el uso racional de los recursos naturales por medio de la revisión de los

procesos productivos para minimizar pérdida de materias primas, energía, agua y dispersión de

tóxicos ambientales, para buscar mejoras en el reciclaje o uso de recursos renovables, y generar

mayor valor agregado a través del mejoramiento de la calidad y rediseño de productos logrando

mayor rentabilidad a partir de la transformación de los desechos en productos con mayor valor

agregado o materia prima para otro tipo de proceso.



45

4.1 Análisis económico

Al analizar los costos de los equipos para la extracción de aceites esenciales, se debe tomar en

cuenta los costos directos; costos de mano de obra; costos de

Utilización de maquinaria.

A continuación se detallan los costos.

El costo de cada equipo se calculó con el programa Capcost (Capital cost estimation software) (ver

tabla 13).

Tabla 13. Costos generados por el programa Cap cost

Equipo CEPCI = 593

Intercambiadores Tipo de

intercambiador

Presión en

la coraza

(kg/cm^2)

Presión en

el tubo

(kg/cm^2)

Material Área

(m^2)

Costo de

compra

de equipo

Módulo

de costo

I1 Tubos y coraza 1.019 1.019 Cobre /

Cobre

50 $28,600 $127,000


Cobre

71 $31,500 $140,000


Cobre

50 $28,600 $127,000


Cobre

71 $31,500 $140,000

Bombas Tipo de

bombas

Energía

requerida

(kilowatts)

Repuestos Material Presión de

descarga

(kg/cm^2)

Costo de

compra

de equipo

Módulo

de costo

B1 Centrifuga 1 1 Hierro

fundido

2 $7,320 $23,700

B2 Centrifuga 1 1 Hierro

fundido

2 $7,320 $23,700

Tanque de

almacenamiento

Tipo de tanque Volumen

(cm^3)

Costo de

compra

de equipo

Módulo

de costo

T2 Techo fijo 120x10^6 $66,600 $73,300

Extractores Descripción Altura (cm) Diámetro

(cm)

Material Presión

(kg/cm^2)

Costo de

compra

de equipo

Módulo

de costo

E1 Vertical 100 200 Acero

inoxidab

le

2.04 $8,340 $68,900


inoxidab

le

2.04 $8,340 $68,900


inoxidab

le

2.04 $8,340 $68,900



46


inoxidab

le

2.04 $8,340 $68,900

Tanque Orientación Altura (cm) Diámetro

(cm)

Material Presión

(kg/cm^2)

Costo de

compra

de equipo

Módulo

de costo

T1 Vertical 30 34 Acero

inoxidab

le

1.019 $2,930 $23,200

Separador

florentino

Orientación Altura (cm) Diámetro

(cm)

Material Presión

(kg/cm^2)

Costo de

compra

de equipo

Módulo

de costo

Sf1 Vertical 100 115 Acero

inoxidab

le

1.019 4,780 $37,800

Caldera Energía

requerida (kW)

Costo de

gas natural

($/kW)

Costo

C1 68268.6 0.05 44,500

Secadores Energía

requerida (W)

Volumen

(m3)

Costo

S1 6694 3.13 51,000

S2 6694 3.13 51,000

Molino Tipo Material Capacidad

(kg)

Producc

ión

(kg/h)

Motor

(HP)

RPM Costo

M1 Cuchillas Acero

inoxidable

1500 300-600 30 1750 $19,500

Costo total de la maquinaria $1,157,3

00

La producción anual esperada para el primer año de operaciones es de 9200Kg (con esta cantidad de

producción se satisface la demanda actual de aceite de menta piperita, por lo cual evitaríamos

importar) [17]. El precio de venta del aceite de menta por Kg es de 1000 dólares. Y se espera

incrementar esta cantidad en un 10% cada año (se asume que todo lo que se produce se vende).

Se estima que la inversión inicial está compuesta de los siguientes elementos (ver tabla 14):

Tabla 14. Composición de inversión inicial.

Elemento Costo (Millones de dólares)

Terreno 2

Edificios 10

Maquinaria 1.16

Mobiliario 1

Activo circulante 2.5

Total 16.66



47

Los gastos administrativos y de operación se muestran en las tablas 15 y 16.

Tabla 15. Costos fijos por año del proceso.

Tabla 16. Costos variables del proceso

Costos variables por Kg Flujo de dinero (USD/ Kg de producto)

Materia prima 10

Distribución 0.2

Energía 1.5

Consumo de agua 0.1

Combustible (GLP) 1.5

Mano de obra directa 0.4

Ventas 0.3

La maquinaria y el mobiliario se deprecian a razón del 10% anual, mientras que los edificios, a

razón del 5% anual. La SHCP otorgará USD 90000, en el primer año y la misma suma el segundo

año por la creación de 100 empleos directos. La tasa de impuestos es del 9.02%, se considera una

tasa de inflación promedio anual del 20%

Cálculo de la tasa interna de retorno (TIR).

La tasa interna de retorno es un método para la evaluación financiera de proyectos que iguala el

valor presente de los flujos de caja esperados con la inversión inicial.

Cuando la TIR es mayor que la tasa de interés de referencia, el rendimiento que obtendría el

inversionista realizando la inversión es positivo, por lo tanto, conviene realizar la inversión. Caso

contrario el proyecto debe rechazarse.

Para realizar una evaluación de la TIR para el sistema de extracción de aceites esenciales se toma

como referencia una tasa de interés de 9,02% que es la tasa neta promedio anual a la que los bancos

manejan los depósitos a plazo fijo. Se consideran los siguientes datos [14]:

Tabla 17. Producción mínima mensual de extracción de aceite esencial de menta.

Costos fijos por año Flujo de dinero (USD)

Administrativos 0.5 x 106

Generales de fabricación 1 x 106

Total 1.5 x 106

Producción mínima mensual de extracción de aceite esencial

de menta.

Extracción por día (l) 28

Días laborales (mes) 28

Producción anual (l) 9200

Ingreso anual de la planta 9.2X106



48

Obtenemos que la TIR para el proyecto sea del 51%, lo que hace de este proyecto

económicamente factible.

4.2 Análisis de Riesgos

Planta productora de aceite esencial de menta piperita:

En la extracción debemos de poner señalamientos de que el aceite es tóxico en altas dosis y puede

afectar al personal.

En la parte de la torre de destilación: se debe de contar con señalamiento, a las condiciones que está

operando, así como también que solo se puede acercar personal autorizado y capacitado para

manejar este equipo. Otra parte esencial es poner monitores para que indique factores que puedan

alterar el funcionamiento de la planta y poner en riesgo a los trabajadores.

Parte del secador: En este equipo se deben colocar señalamientos en donde indique a la temperatura

que operando, ya que puede haber accidentes de quemaduras, o pérdidas de producto por un mal

control de temperatura en el proceso.

Después de poner señalamientos en cada sistema, contaremos con capacitación al personal de la

planta contra cualquier siniestro natural o del mal funcionamiento de la planta, las capacitaciones se

darán de manera global, es decir que todo el personal debe de saber qué se puede hacer en caso de

algún riesgo en una parte de la planta, así realice su trabajo en cierta parte o no.

4.3 Medio Ambiente

ISO 14001 es una norma aceptada internacionalmente que establece cómo implementar un sistema

de gestión medioambiental (SGM) eficaz. La norma se ha concebido para gestionar el delicado

equilibrio entre el mantenimiento de la rentabilidad y la reducción del impacto medioambiental.

Con el compromiso de toda la organización, permite lograr ambos objetivos.

Planificación de la norma 14001, corresponde considerar los “Requerimientos legales y de otro

tipo”, cuya identificación y cumplimiento se consideran indispensables para lograr un exitoso SGA.

La ley da la siguiente definición de residuo peligroso: todo residuo que pueda causar daño, directa o

indirectamente, a seres vivos o contaminar el suelo, el agua, la atmósfera o el ambiente en general.

Por otra parte la norma define impacto ambiental, como cualquier cambio en el medio ambiente, sea

adverso o beneficioso, total o parcialmente resultante de las actividades, productos o servicios de

una organización.

En el proceso de extracción de aceites esenciales, a partir de la limpieza de la hoja de menta piperita

comienza la utilización de agua y su consecuente evacuación de recurso usado y en las subsecuentes

etapas se generarán aguas de desecho, pero previo a su consideración, falta referirse a los residuos

sólidos, desde el punto de vista de la ley 24051.



49

Residuos industriales: se define como todo producto sólido, líquido o pastoso, resultante de un

proceso de fabricación, transformación, utilización, consumo o limpieza industrial que su

propietario o poseedor destina al abandono. Desde el punto de vista del impacto ambiental hay 2

clases de residuos industriales: a) especiales y b) no especiales, diferenciándose los primeros por

sus características de toxicidad elevada, nocividad, explosividad, combustibilidad o

desprendimiento de sustancias tóxicas o peligrosas. Para la industria aceitera, resulta especial el

residuo de la extracción, los solventes usados en la extracción del aceite y su manejo reviste gran

cuidado por el peligro de alta combustibilidad.

Entre los no especiales tenemos al finalizar proceso, la hoja de menta piperita húmeda que

constituye un residuo orgánico o biodegradable. En el sector de envasado tendremos los restos

plásticos a los que se tratará por el camino de la recuperación o el reciclaje.

CONCLUSIONES

Con este trabajo se concluye que existe una amplia oportunidad de mercado tanto en

exportaciones como importaciones, se tiene una gran gama de compradores de aceite

esencial de menta piperita en la industria alimenticia y farmacéutica principalmente.

El arrastre de vapor resulta ser uno de los procesos más utilizados para la extracción del

aceite esencial de menta piperita de acuerdo a sus ventajas de ser principalmente de

tecnología económica y rendimientos óptimos.

Se determinó que el tiempo de secado total de la hoja de menta es de 125 min para que

contenga una humedad en un intervalo de 7-10 % con el cual se obtuvo la cantidad de

aceite obtenido a nivel banco fue de 3.2ml de aceite esencial por 400g de materia prima con

un rendimiento de 0.7% y se observó que conforme se aumentaba la humedad el

rendimiento disminuía, por lo tanto resulta ser factible trabajar con hoja seca.

El pre tratamiento de sonicado resultó inconveniente, ya que requiere de una alta humedad

para propagar las ondas de sonido y pueda romper los canales donde está el aceite. Puede

resultar conveniente adaptar la técnica de sonicado en otras condiciones para mejorar el

rendimiento y reducir tiempos de operación.

Las muestras obtenidas se analizaron y compararon con un aceite comercial así como con

datos de la literatura. Determinamos que el sabor color y aroma se asemejan

cualitativamente al comerciar ya que no se contó con el equipo necesario. De igual forma

los índices de refracción, pH y densidad se encuentran dentro de un intervalo de

aproximación de 99.72%, 99.91% y 97.33% respectivamente en comparación con el

comercial y el de literatura.

El diseño de los equipos como los extractores, condensadores, caldera, secadores y bombas

se realizaron mediante los resultados obtenidos experimentalmente, pudiendo así

determinar las dimensiones de cada equipo.

La TIR del análisis económico resulto ser del 51%, por lo que el proceso es

económicamente factible.

El análisis económico para una producción de 9200 Kg/año nos arrojan resultados



50

satisfactorios, por ello se concluye que la instalación de este proyecto sería una alternativa

de trabajo, ya que la extracción de este producto es rentable.

MEMORIAS DE CÁLCULO

Procedimiento para encontrar las cantidades de hoja seca y humedad en el sistema de

columnas de extracción.

A escala piloto el volumen de la columna de extracción tiene una capacidad de empaque de 500g y

se extraen 4 ml de aceite en una hora y se requiere 1100 o 1.1 Lt de agua.

De la ecuación 15 sabemos que 5.5 Lt corresponden al volumen total del equipo, este tiene una

capacidad de carga de 500 g de hoja seca triturada y se extraen 4 cm3

en una hora, además nos da

un volumen de condensado de 1,100 cm3.

Debemos producir 28 Lt de aceite por día, con este dato sabemos la cantidad de hoja que se necesita

para la extracción (capacidad de carga), entonces conociendo la carga de hoja podemos conocer el

volumen total que se requiere en el proceso.

El proceso durara 8 h al día, haciendo cálculos correspondientes tendríamos que tener 4 columnas

de extracción y cada una operaria 3 veces al día, por lo que cubriría el tiempo total del proceso, para

esto se tomó el tiempo de carga y descarga de cada extractor, entonces se multiplica el número de

columnas por las veces que va a operar cada una, esto nos va a dar el número de horas que operara

todas las columnas en el proceso:

Entonces dividimos el volumen total que se requiere para producir 28 Lt por día entre las horas de

operación totales y así conocemos el volumen de cada columna de extracción:

La siguiente expresión muestra el volumen de cada columna y la carga de hoja seca para cada

extractor:



51

La cantidad de hoja seca a la entrada es la siguiente:

Pero en un día cada tanque va a operar tres veces y tenemos cuatro tanques en operación, entonces

hay que multiplicar por doce la siguiente ecuación:

(

) (

)

(

) (

)

Los kilogramos de humedad lo podemos determinar con los flujos que entran y salen del sistema de

columnas:

(

) (

)

Entonces:

(

) (

)

Procedimiento para encontrar los flujos másicos de vapor de agua a la entrada y salida del

sistema de columnas de extracción.

Primero hay que calcular la cantidad de condensado en una columna de extracción industrial, para

esto vamos a tomar datos de los balances de base seca de hoja de menta de las ecuaciones 1 y 2.

(

) (

)

Ahora procederemos a calcular los flujos de vapor en la entrada y salida del sistema:

(

) (

)

(

)



52

: es el flujo que sale de vapor en la columna a escala semi-piloto

: es el flujo de condensado en la columna a escala semi-piloto y se indica con el número uno.

( )(

)

(

) (

)

: es el flujo de vapor que entra en la columna a escala semi-piloto.

Para conocer los flujos másicos basta multiplicar el flujo volumétrico por la densidad:

La densidad del vapor de agua a 100°C y a

es

,

Entonces:

Ahora bien tenemos cuatro tanques en operación y cada uno se cargara tres veces, entonces hay que

multiplicar los flujos por doce, a manera que 12 horas corresponden a un día, como dato

experimental cada tanque opera una hora:

(

) (

) (

)

(

) (

) (

)

Calculo del diámetro del extractor a escala industrial

Tenemos como dato que cada extractor tiene un volumen 3141 Lt , además la longitud es de 1 m,

entonces el diámetro de la columna de extracción a escala industrial es la siguiente:

√

√



53

Cálculos para determinar los flujos másicos a la entrada y salida del tanque florentino

Para encontrar los flujos másicos hay que tomar en cuenta que la densidad del agua a 25° C y 1atm

es 997.13 kg/m3, entonces conociendo los flujos volumétricos se determinan las cantidades másicas.

Tenemos la siguiente expresión:

Donde es el flujo total volumetrico de la mezcla agua-aceite, es flujo volumétrico que sale

de agua y es el flujo volumétrico que sale de aceite.

Despejando podemos conocer la cantidad de agua que se recirculara a la caldera.

Sustituimos valores que conocemos como el flujo de aceite-agua y el que se conoce de la

producción de aceite que deseaos.

Ahora para conocer las cantidades másicas solo multiplicamos por la densidad del agua.

La densidad del aceite es 9.00*10-4

kg/cm3

Sabemos que el número de cargas en los extractores son de 12, pero estamos considerando que el

flujo total volumétrico que cae al tanque florentino corresponde a dos columnas de extracción,

entonces en este caso el número de cargas entre dos corresponden a 1 día., es importante saber que

el número de cargas se expresa en horas, ya que es el tiempo de operación de cada columna.



54

Dimensionamiento de tanque florentino

Para calcular el volumen del separador vamos se considera el flujo del condensado (mezcla agua-

aceite) y el tiempo en que opera por cada descarga.

Cabe mencionar que en nuestro caso tenemos 4 extractores y cada uno tiene un flujo de

condensado de

, por lo que vamos a dimensionar un separador florentino para los

cuatro extractores, pero solo tomaremos en cuenta el flujo de condensado de dos extractores, debido

a la forma de operación ya mencionada con anterioridad, el tiempo de operación es de 1 h para cada

uno entonces con estos datos podemos calcular el volumen que requiere el separador:

Se calcula el diámetro del tanque suponiendo una altura de 2 m con la siguiente formula.

√

√



55

Calculo del área de intercambiadores (método de Kern)

Para calcular el área de una fila hipotética de tubos en el centro de la carcasa (Área máx.

perpendicular al flujo) se siguen los siguientes pasos:

Calcular el flujo de energía Q.

Tci – Temperatura de entrada del líquido frío en ºC

Tco – Temperatura de salida del líquido frío en ºC

Thi – Temperatura de entrada del líquido caliente en ºC => 98

Tho – Temperatura de salida del líquido caliente en ºC => 27

Cph – Calor específico del líquido caliente en KJ/kg C => 4.18

mh – Flujo másico Kg/día => 25.2

Cpc – Calor específico del líquido frío en J/kg K

Sustituimos en el balance anterior.

(

)

Calcular LMTD

(

)

Debido a que el programa proporciona el valor de LMTD y el factor de corrección, lo usaremos

directamente.

Calcular As

Donde tenemos:



56

De igual forma se calcula el área para I2

Volumen de tanque de almacenamiento de aceite

De acuerdo con la producción de aceite al día que es de 28 L de aceite esencial y suponiendo una

altura de 0.3 m, del tanque de almacenamiento se tiene que requerimos 0.028 m3 de volumen por lo

cual se puede calcular el radio del tanque de almacenamiento con la siguiente ecuación.

√

√



57

Dimensiones de la caldera

Se tiene que el volumen del agua que se va a recircular a la caldera que es de 1565.4 L

(1565400cm3), aplicando la fórmula para sacar el radio y suponiendo una altura de 150 cm

tenemos:

√

√

Bomba (B1)

De la ecuación de Bernoulli calculamos la altura dinámica HB

*

+ *

+

Dónde:

Presión en el nivel de toma de agua en el separador florentino = 80047.8

Velocidad de flujo de agua en el separador florentino = 0

Altura de toma de agua en separador respecto a la bomba = 0 m

Presión a la salida de la bomba = 111,458



58

Velocidad a la salida de la bomba.

Altura de la salida de agua de la bomba = 2 m

Densidad del agua = 1000 kg/m3

Coeficiente de gravedad = 9.8 m/s2

Pérdida de carga.

Calculamos V2 con la sección interna de la tubería (área transversal).

El caudal se calcula como:

Despejamos

Calculo de perdida de carga

Dónde:

Coeficiente de fricción.

Longitud equivalente.

Diámetro interno del tubo.

Calculamos el coeficiente d fricción, como el coeficiente depende de fricción depende del Re,

calculamos lo siguiente.



59

Como se suministra agua y se emplea tubería de acero comercial tenemos que la rugosidad relativa

de la tubería es:

Moody (1944) consiguió representar la expresión de Colebrook-White en un ábaco de fácil manejo

para calcular "f" en función del número de Reynolds (Re) y actuando la rugosidad relativa (εr)

como parámetro diferenciador de las curvas.

De acuerdo con las correlaciones tenemos que el coeficiente de fricción es de:

Calculamos la longitud equivalente

Dónde:

Longitud lineal de tubería = 10m

Longitud equivalente de accesorios

La longitud equivalente de accesorios se determina a partir de los codos que se van a utilizar. Se

consideraron 2 codos de 90°.



60

Determinamos la pérdida de carga

( )

Ahora determinamos HB

[

(

)

] [

]

Calculamos el caudal QT a partir del balance que se realizó en el florentino (figura 8).

Ahora calculamos la potencia de la bomba con la siguiente ecuación.

Bomba 2 (B2)

Para la bomba 2 se utilizó el mismo procedimiento que para la B1 pero con un QT = 0.01m3/s una

longitud lineal de 24 m de tubería y un coeficiente de fricción de f = 0.013.

Obteniendo una potencia de:



61

APENDICE A

Costos y Factibilidad Económica (TIR)

Año FAI (sin infl.)USD FAI (con infl.)USD Depreciación Ingreso

Gravable

USD

Impuestos

USD

Estímulos

USD

FDI (corriente)

USD

FDI (cte.)

USD

0 -16600000 -16600000

1 7571200 9085440 0.716 9085439.284 819506.6234 90000 8355933.377 6963277.814

2 8478320 12208780.8 0.716 12208780.08 1101231.964 90000 11197548.84 7776075.581

3 9476152 16374790.66 0.716 16374789.94 1477006.053 14897784.6 8621403.127

4 10573767.2 21925763.67 0.716 21925762.95 1977703.818 19948060 9620013.43

5 11781143.9 29315256.04 0.716 29315255.32 2644236.03 26671020 10718484.76

6 13109258.3 39144035.57 0.716 39144034.86 3530791.944 35613243.63 11926803.23

7 14570184.1 52207604.07 0.716 52207603.36 4709125.823 47498478.25 13255953.55

8 16177202.6 69559009.92 0.716 69559009.21 6274222.63 63284787.29 14718018.9

9 17944922.8 92591860.15 0.716 92591859.43 8351785.721 84240074.43 16326290.79

10 19889415.1 123150015.9 0.716 123150015.1 11108131.37 112041884.5 18095389.86



62

USD/Kg 1000

prod prop cost USD cfa USD cv USD/Kg costo prod var

9200 9200000 1500000 14 128800

10120 10120000 141680

11132 11132000 155848

12245 12245200 171432.8

13470 13469720 188576.08

14817 14816692 207433.688

16298 16298361.2 228177.0568

17928 17928197.3 250994.7625

19721 19721017.1 276094.2387

21693 21693118.8 303703.6626

Inversión inflación

16600000 0.2

(maquinaria + mobiliario)*0.1+(edif.*0.05) impuestos

0.716 0.0902

por tanto i= 0.51 es decir la TIR=51%

como

la TIR MAYOR a la TREMA

el proyecto es económicamente

FACTIBLE

interés VPN

0.513482438 -9.25502E-09



63

BIBLIOGRAFÍA

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[2] Plantas medicinales http://www.plantasmedicinalesatusalud.blogspot.mx/2012/09/menta.html

(2014-06-07).

[3] Rodríguez Sauceda, Elvia Nereyda. Uso de agentes antimicrobianos naturales en la

conservación de frutas y hortalizas. Universidad Autónoma Indígena de México. 2011.

[4] Gil, E & Sáez, A. Evaluación a escala piloto del proceso industrial para la obtención de aceite

esencial, bajo la filosofía cero emisiones. Universidad Eafit. Medellin. 2005.

[5] Cerpa, M. Tesis doctoral: Hidrodestilación de aceites esenciales: Modelado y caracterización.

Valladolid, España. Universidad de Valladolid, 2007.

[6] Díaz, J. Estrategia para tres sectores de Biocomercio con estudios de mercado específicos.

Bogotá, D.C., Colombia. CAF, IAvH. 2006.

[7] LEGISCOMEX. www.legiscomex.com página vista el día 01 jul 2014

[8] http://www.scielo.org.mx/scielo.php?pid=S0188-46112004000100009&script=sci_arttext

[9] Edison G. Pavas, Saez V. Alex. Evaluación a escala de planta piloto del proceso industrial para

la obtención de aceite esencial de cardamomo, bajo la filosofía “cero emisiones”. 2005. Medellín.

[10] Dai, Ganzler. Pan, Pastor, Paré y Bélanger. 1994. Investigation of various factors for the

extraction of peppermint (Mentha piperita L.) leaves.

[11] GIL P., Edison. Diseño y montaje de un equipo para la extracción de aceites esenciales, a

escala piloto. Revista Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2000

[12]http://www.granvelada.com/es/aceites-esenciales/447-donde-comprar-aceite-esencial-de-menta-

piperita.html#.UlRNDdJLO0c

[13] Huerta O. Sergio. Secado. Biotecnología. UAM-Iztapalapa. México. 2009.

[14] Bird, Byron R.; Steward, Warren E.; Lightfoot, Edwin N. Fenómenos de transporte. Buenos

Aires. Reverté, 1976.

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[16] http://www.ehowenespanol.com/toxicidad-del-aceite-menta-hechos_258018

[17] Mataix, Claudio. Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas. Harper, (1972)



64

ANEXO I

Tabla A1. Corrientes en el diagrama de flujo en el proceso de extracción de aceite esencial.

Corriente Temperatura

(°C)

Presión

(kg/cm2)

Flujo

(m3/s)

Flujo

(kg/s)

Flujo

(kg/día) Descripción

1 100 4 ---- ---- 412 Vapor sobrecalentado




5 100 4 0.015 ---- ---- Vapor sobrecalentado

6 95 1.22 0.015 ---- ---- Mezcla de vapor Agua-Aceite

esencial


esencial


esencial

9 95 1.22 0.015

---- Mezcla de vapor Agua-Aceite

esencial

10 27 1.02 ---- 0.054

---- Mezcla de vapor condensado

Agua-Aceite esencial

11 27 1.02 ---- 0.054



12 27 1.02 ---- 0.054



13 27 1.02 ---- 0.054



14 27 1.02 ---- 0.108 Mezcla de vapor condensado


15 27 1.02 ---- ---- 24.9 Aceite esencial de menta

piperita

16 27 1.12 ---- 0.108 Mezcla de líquido Agua-Aceite

esencial

17 27 1.02 ---- ---- ---- Vapor condensado de aceite

esencial de menta piperita

18 26 1.02 ---- 0.198 ---- Planta de menta piperita

19 32 1.02 ---- 0.039 ---- Planta seca de menta piperita

20 27 1.02 ---- 576.7 ---- Planta seca triturada


agotada


agotada


agotada


agotada



65


agotada seca

26 ---- ---- ---- ---- ---- Vapor de aceite esencial de

menta piperita

27 ---- ---- ---- ---- ---- Corriente de agua líquida

28 26 0.12 ---- ---- Corriente de agua líquida

29 ---- ---- ---- ---- ---- Corriente de gas LP



32 5 0.81 0.01 ---- ---- Corriente de agua fría


34 12 0.81 0.01 ---- ---- Corriente de agua tibia

35 49 0.81 0.01 ---- ---- Corriente de agua caliente


37 12 0.81 0.01 ---- ---- Corriente de agua tibia

38 49 0.81 0.01 ---- ---- Corriente de agua caliente



66

ANEXO 2

SECADO

a) Descripción del equipo.

SECADOR DE CHAROLAS

[7] Un secador de charolas o bandejas es un equipo totalmente cerrado y aislado en el cual los

sólidos se colocan en grupos de charolas en el caso de sólidos particulados. La transmisión de calor

puede ser directa del gas a los sólidos, utilizando la circulación de grandes volúmenes de gas

caliente, o indirecta, utilizando repisas o bases calentadas, serpentines de radiador o paredes

refractarias al interior de la cubierta. En unidades de calor indirecto, exceptuando los equipos de

repisas al vacío, casi siempre se necesita la circulación de una pequeña cantidad de gas para

eliminar el vapor de humedad del comportamiento y evitar la saturación y condensación del gas.

Las unidades de compartimientos se emplean para calentar y secar madera, cerámica, materiales en

hojas (sostenidas en postes), objetos pintados y metálicos, y todas las formas de sólidos

particulados.

Figura 4. Secador de charolas marca Armfield.

Las charolas pueden ser cuadradas o rectangulares, con una superficie de 0.37 a 0.75 m2/charola y

se fabrican de cualquier material que sea compatible con las condiciones de corrosión y temperatura

prevalecientes.

El equipo de laboratorio consta de un ducto de aire montado sobre una armazón (ver Figura 4). El

aire se calienta por medio de un banco de resistencias eléctricas controladas por medio de un

regulador de potencia para proporcionar una variación en la temperatura del aire de hasta un

máximo de 80 ºC. El aire pasa dentro de la sección central del ducto, donde 4 charolas con el

material a secar son suspendidas en la corriente de aire. Las charolas están levantadas por un

soporte, el cual está conectado a una balanza digital montada encima del ducto y donde el peso total

está continuamente indicándose. Después de pasar por las charolas, el aire es descargado a la

atmósfera y por medio de un anemómetro de aspa se mide la velocidad de aire. Las temperaturas de

bulbo húmedo y bulbo seco son medidas usando un psicrómetro aspirado que está montado sobre el

ducto.



67

b) Datos de secado

Grafica 1. Curvas de secado obtenida experimentalmente.



68

ANEXO 3

Resultados y caracterización del aceite (experimental)

En la tabla A3 se muestran las condiciones de la materia prima, humedades, tiempo de operación,

volumen total condensado y sus respectivos rendimientos. Podemos observar que al disminuir el

contenido de humedad en las muestras, aumentan los rendimientos de aceite obtenido.

Tabla A3. Pruebas realizadas variando contenido de humedad de la hoja y la sonicación

Pruebas Humedad

(%)

sonicación

(min)

sonicación

(ml de

agua)

peso en la

entrada de

la

columna(g)

tiempo de

operación

(min)

fase acuosa

consensado

(ml)

fase

orgánica

aceite

esencial(ml)

Rendimiento

(%)

1 80 0 0 2000 60 1100 2.0 0.091

2 80 0 0 2000 60 1100 3.0 0.136

3 40 0 0 1000 60 1100 2.6 0.236

4 40 0 0 1000 60 1100 2.6 0.236

5 7 0 0 400 60 1100 3.2 0.726

6 7 0 0 400 60 1100 3.2 0.726

7 26 10 300 520 60 1100 1.5 0.262

8 44 10 600 880 60 1100 1.6 0.165

9 68 10 1200 1360 60 1100 1.9 0.127

Figura A3. Porcentaje de contenido de humedad contra rendimiento de aceite esencial

En la gráfica 2 se observa que la humedad de la hoja es una variable importante para el rendimiento,

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0 20 40 60 80 100

% R

end

imin

to

% Humedad

Rendimiento vs Humedad

sin sonicar

con sonicar



69

en donde sí se aumenta la humedad de la hoja de menta disminuye en aproximadamente 75 % el

rendimiento de aceite obtenido. Por otro lado si disminuimos la humedad al 7 %, los rendimientos

se elevan en comparación con la hoja húmeda.

Tabla A3.1. Evaluación de las propiedades físicas del aceite esencial obtenido con un aceite

comercial y datos de la literatura a 20° C.

Tipo de

muestra

Índice de refracción

(±0.0002)

PH densidad ± 0.02

(g/ml)

literatura 1.459 4.87 (0.892-0.908)

comercial 1.455 5 0.892

1 1.456 5 0.901

2 1.456 5 0.902

3 1.456 5 0.893

4 1.455 5 0.894

5 1.455 5 0.896

6 1.455 5 0.903

7 1.455 5 0.892

8 1.454 5 0.905

En la tabla A3.1 se observa que para nuestras ocho muestras el índice de refracción se aproxima

mucho con los de la literatura y con el aceite comercial, valores que reflejan que hay un

componente semejante entre las muestras pero a diferente concentración. Los valores de pH son

cercanos al valor de la literatura. La densidad de muestras cayó dentro del intervalo de lo visto en la

literatura.



70

ANEXO 4

Aspectos de seguridad

- Toxicidad.

En uso externo cuando esta diluido y usado con moderación no resulta tóxico. Aunque por su

contenido en mentol puede causar reacciones alérgicas y presenta algunas contraindicaciones.

El mentol es una sustancia tóxica y es el ingrediente principal del aceite de menta. El aceite de

menta verde también contiene mentol, pero en concentraciones mucho más bajas. Una cucharadita

de aceite con nivel de mentol alto puede ser letal para un adulto saludable. El mentol baja la presión

sanguínea, produce convulsiones y espasmos, y puede inducir abortos involuntarios. El mentol tiene

baja toxicidad: LD50 Oral: 3300 mg/kg; piel LD50: 15800 mg/kg [15].

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