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PROCESO DE BIO DESULFURIZACIÓN COMO MECANISMO DE MANEJO
EFICIENTE DE LOS DESECHOS DE CAUCHOS PRODUCIDOS POR ETERNA S.A
VIVIANA RODRÍGUEZ HERNÁNDEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
BOGOTA D.C. 2005
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TABLA DE CONTENIDO
LISTA DE TABLAS .................................................................................................................... iii
LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................................iv
LISTA DE ANEXOS.....................................................................................................................vi
CAPITULO 1. INTRODUCCION ............................................................................................1
CAPITULO 2. HIPOTESIS Y TAREAS ESPECÍFICAS.......................................................2
CAPITULO 3. MARCO TEORICO .........................................................................................3 3.1 PROBLEMÁTICA GENERAL ...................................................................................................3 3.2 LOS MATERIALES DE CAUCHO .............................................................................................3 3.3 COMPOSICIÓN GENERAL DEL CAUCHO .................................................................................5 3.4 TEORÍA DE LA BIODEGRADACIÓN DEL CAUCHO...................................................................7
3.4.1 Definición de la Desvulcanización o Desulfurización .................................................7
3.4.2 Tipos de Tecnología de Desvulcanización o Desulfurización .....................................8
3.4.3 Definición de Bio Desvulcanización ..........................................................................10
3.4.4 Antecedentes de la Bio Desvulcanización..................................................................10
3.4.5 Microorganismos desulfurizadores del caucho .........................................................10 3.4.5.1 Antecedentes de Thiobacillus ferrooxidans .......................................................................................................12
3.5 ANTECEDENTES DEL PROCESO DE BIO DESVULCANIZACIÓN (R.A.ROMINE Y M.F.ROMINE,1998): ....................................................................................................................14 3.6 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE BIO DESVULCANIZACIÓN .................................................17 3.7 DESCRIPCIÓN DE LA FÁBRICA DE PRODUCCIÓN DE ARTÍCULOS DE CAUCHO ETERNA S.A.18
3.7.1 Descripción del proceso de la fábricación de los artículos de caucho sintético en
Eterna S.A................................................................................................................................19
3.8 MANEJO DE LOS DESECHOS DE CAUCHO GENERADOS POR LAS FÁBRICAS MANUFACTURERAS 31
3.8.1 Antecedentes de la recuperación del caucho por medio de los desechos..................31
3.8.2 Descripción y manejo de los desechos producidos de la fabricación de artículos de
caucho sintético en Eterna S.A ................................................................................................31
CAPITULO 4. METODOLOGIA ..........................................................................................36 4.1 DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO ................................................................................................36
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4.2 PRIMERA ETAPA: OBTENCIÓN E IDENTIFICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS DESULFURIZADORES DE CAUCHO. ................................................................................................37
4.2.1 Identificación del hábitat de los Acidithiobacillus ferrooxidans ...............................37
4.2.2 Materiales y métodos para la recolección de muestras:............................................40
4.2.3 Identificación de los Acidithiobacillus ferrooxidans .................................................41
4.2.4 Determinación de la presencia de los Acidithibacillus ferrooxidans ........................45
4.3 SEGUNDA ETAPA: MONTAJE DEL PROCESO DE BIO DESULFURIZACIÓN DEL CAUCHO EN EL LABORATORIO..............................................................................................................................47
4.3.1 Materiales...................................................................................................................47
4.3.2 Medidas y pasos .........................................................................................................49
4.4 TERCERA ETAPA: ENSAYOS DE VULCANIZACIÓN DEL CAUCHO TRATADO EN EL BIOREACTOR Y SUS CARACTERÍSTICAS:........................................................................................51
4.4.1 Ensayo de Determinación de dureza..........................................................................52
4.4.2 Ensayo de Reometría..................................................................................................54
4.4.3 Ensayo de Propiedades físicas:..................................................................................57
4.4.4 Matriz Experimental...................................................................................................61
CAPÍTULO 5. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ....................................62
5.1.2 Acerca del Bioreactor aerobio desulfurizador de caucho:........................................63
5.1.3 Acerca del caucho bio desulfurizado:........................................................................68
5.2. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS EN LOS ENSAYOS DE VULCANIZACIÓN ..........................................................................................................................69
5.2.1 Acerca de la Dureza...................................................................................................71
5.2.2 Acerca del Ensayo de Reometría: ..............................................................................71
CAPITULO 6. ANÁLISIS DE COSTOS...............................................................................74
CAPÍTULO 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES............................................76 7.1 EL PROCESO DE BIO DESULFURIZACIÓN.............................................................................76 7.2 EL PROCESO DE BIO DESULFURIZACIÓN APLICADO A LA FÁBRICA DE PRODUCCIÓN DE ARTÍCULOS DE CAUCHO ETERNA S.A..........................................................................................76
BIBLIOGRAFÍA..........................................................................................................................78
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LISTA DE FIGURAS. FIGURA 1. MOLÉCULA DE CAUCHO NATURAL CIS-1,4 POLIISOPRENO................................................4 FIGURA 2. CAUCHO VULCANIZADO. .................................................................................................5 FIGURA 3. DATOS ARROJADOS POR LA CROMATOGRAFÍA, SOBRE LA CONVERSIÓN A AZUFRE EN LOS
MATERIALES DE CAUCHO POR DIFERENTES MICROORGANISMOS. ..............................................15 FIGURA 4. MÓDULO DE ELASTICIDAD DE LOS MATERIALES DE CAUCHO TRATADOS POR LOS
MICROORGANISMOS POR 168 HORAS ........................................................................................16 FIGURA 5. PROCESO DE BIO DESULFURIZACIÓN DENOMINADO “RUBBERCYCLE” ......................18 FIGURA 6.BANBURY DE MEZCLA. ....................................................................................................22 FIGURA 7. MOLINO DE MEZCLA .....................................................................................................22 FIGURA 8 MEZCLA DE LOS COMPONENTES DE LA “RECETA” EN EL MOLINO ...................................23 FIGURA 9.CAUCHO MEZCLADO EN REPOSO .....................................................................................23 FIGURA 10.MÁQUINA EXTRUSORA .................................................................................................25 FIGURA 11. CALIBRACIÓN DE LA MEZCLA DEL PROCESO DE EXTRUCCIÓN ......................................25 FIGURA 12. HORNO DE VULCANIZACIÓN ........................................................................................26 FIGURA 13. SALIDA DE LA MEZCLA DEL HORNO DE VULCANIZACIÓN..............................................26 FIGURA 14 MÁQUINA DE CALANDRADO .........................................................................................27 FIGURA 15 PRENSAS VULCANIZADORAS.........................................................................................28 FIGURA 16 PRENSA VULCANIZADORA DE BOLSAS DE AGUA...........................................................28 FIGURA 17. EJEMPLO DE UN PRODUCTO FINAL DEL PROCESO DE EXTRUCCIÓN ...............................29 FIGURA 18: EJEMPLO DE UN PRODUCTO FINAL DEL PRENSA DE VULCANIZACIÓN ............................29 FIGURA 19.DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ARTÍCULOS DE CAUCHO
SINTÉTICOS EN LA FÁBRICA DE ETERNA S.A. ...........................................................................30 FIGURA 20. TAPAS PARA ZAPATOS Y SU “MERMA”..........................................................................32 FIGURA 21. REGENERACIÓN: ROTURA DEL RETÍCULO DEL VULCANIZADO POR ESCISIÓN DE SUS
CADENAS ..................................................................................................................................33 FIGURA 22. CAUCHO SINTÉTICO DESECHADO Y CAUCHO SINTÉTICO MOLIDO ..................................34 FIGURA 23. PROCESO DE LIJADO DE UNA LÁMINA EN ETERNA S.A. ................................................35 FIGURA 24. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE MANEJO DE DESECHOS DE CAUCHO PRODUCIDOS
POR LA FÁBRICA ETERNA S.A. .................................................................................................35 FIGURA 25. ESQUEMA DEL PROCESO DE BIO DESULFURIZACIÓN DEL CAUCHO ..............................36 FIGURA 26. IMAGEN TÍPICA DE UN DRENAJE ÁCIDO DE MINA DE CARBÓN ABANDONADA EN
DUNDAS, TASMANIA ................................................................................................................38 FIGURA 27. MINA DE CARBÓN “EL BOQUERÓN”, UBICADA A 51 KM. DE BOGOTÁ, VÍA 45............39 FIGURA 28. CANAL AL CUAL DESEMBOCAN LAS AGUAS EXTRAÍDAS DE LA EXPLOTACIÓN DE
CARBÓN DE LA MINA “EL BOQUERÓN”......................................................................................40
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FIGURA 29. PROCEDIMIENTO DE DILUCIONES DECIMALES SERIADAS PARA LA IDENTIFICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS ACIDITHIOBACILLUS FERROOXIDANS,...................................................41
FIGURA 30. PROCESO DE CULTIVO DE LOS MICROORGANISMOS EN LABORATORIO. ........................43 FIGURA31. MUESTRAS CONSERVADAS POR MEDIO DEL CULTIVO LÍQUIDO. .....................................45 FIGURA 32 CRECIMIENTO BACTERIAL DEL MICROORGANISMOS ACIDITHIBACILLUS FERROOXIDANS EN
EL MEDIO LÍQUIDO. ...................................................................................................................46 FIGURA 33.CRECIMIENTO DE LOS ACIDITHIBACILLUS FERROOXIDANS EN EL MEDIO SÓLIDO DE
FETSB......................................................................................................................................46 FIGURA 34. IZQUIERDA: DESECHO LÁMINA DE LA LIJADORA - DERECHA: DESECHO DE EMPAQUE DE
CARROCERÍA TRITURADO POR EL MOLINO.................................................................................47 FIGURA 35. ELEMENTOS DEL MONTAJE EN LABORATORIO DEL PROCESO DE BIO
DESULFURIZACIÓN................................................................................................... 48 FIGURA 36. SALES DEL MEDIO ACTIVADOR PARA EL PROCESO DE BIO DESULFURIZACIÓN
DEL CAUCHO. ........................................................................................................... 49 FIGURA 37. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO BIO DESULFURIZACIÓN DEL CAUCHO .. 49 FIGURA 38. BIOREACTOR AIREADO CON EL MEDIO ACTIVADOR Y LOS MICROORGANISMOS
ACIDOTHIOBACILLUS FERROOXIDANS. (FOTO TOMADA EN JUNIO 2005) .................. 50 FIGURA 39. BIOREACTOR DESULFURIZADOR DEL CAUCHO CON PH Y TEMPERATURAS
ÓPTIMAS................................................................................................................... 50 FIGURA 40. DIMENSIONES DE LA PUNTA DEL DURÓMETRO SHORE A .............................. 53 FIGURA 41. REÓMETRO DEL LABORATORIO DE ETERNA S.A........................................... 56 FIGURA 42.EJEMPLO DE UNA CARTA GEOMÉTRICA. ........................................................ 57 FIGURA 43. TENSIÓMETRO DIGITAL DEL LABORATORIO DE ETERNA S.A........................ 59 FIGURA 44. CAUCHO MOLIDO AL CABO DE LOS 7 DÍAS DEL PROCESO DE BIO
DESULFURIZACIÓN................................................................................................... 62 FIGURA 45. BIOREACTOR ALCANZANDO LA TEMPERATURA DESEADA .............................. 64 FIGURA 46. BIOREACTOR CON LA FAJA TÉRMICA PARA MANTENER LA TEMPERATURA
CONSTANTE. ............................................................................................................. 64 FIGURA 47. PROCESO DE AGLOMERACIÓN EN EL DÍA 4 ................................................... 66 FIGURA 48. PROCESO DE AGLOMERACIÓN EN EL DÍA 5 ................................................... 66 FIGURA 49. PROCESO DE AGLOMERACIÓN EN EL DÍA 6 ................................................... 67 FIGURA 50. PROCESO DE AGLOMERACIÓN EN EL DÍA 7 ................................................... 67 FIGURA 51. CAUCHO TRATADO POR EL BIOREACTOR DESULFURIZADOR...............................69
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LISTA DE TABLAS
TABLA 1. RECETA TÍPICA DE UNA MEZCLA DE CAUCHO PARA NEUMÁTICO ........................ 6
TABLA 2. DESVULCANIZACIÓN BIOLÓGICA EN EL MUNDO. ............................................... 9
TABLA 3. CONVERSIÓN DEL AZUFRE DEL POLVILLO DE CAUCHO COMO INCREMENTO DE
AZUFRE EN LA SOLUCIÓN DEL MEDIO EN EL BIOREACTOR.......................................... 12
TABLA 4. CAUCHOS IMPORTADOS POR ETERNA S.A. (2005)............................................ 20
TABLA 5. MATRIZ EXPERIMENTAL A DESARROLLAR PARA EVALUAR CARACTERÍSTICAS Y
PROPIEDADES DEL CAUCHO BIODESULFURADO ......................................................... 61
TABLA 6. CAUCHO PATRÓN ESTANDARIZADO POR ASTM............................................... 61
TABLA 7. CONTROL DE PH Y TEMPERATURA DURANTE EL PROCESO DE BIO
DESULFURIZACIÓN EL CUAUCHO EN EL REACTOR AIREADO....................................... 65
TABLA 8. CANTIDADES DE LA MEZCLA PARA CAUCHO TRATADO Y RECUPERADO, SEGÚN
PROPORCIONES DE ASTM D-3184 ........................................................................... 70
TABLA 9. RESULTADOS DE LA MATRIZ EXPERIMENTAL.................................................... 71
TABLA 10 CUADRO COMPARATIVO DE COSTOS SEGÚN EL TIPO DE PROCESO Y EL TIPO DE
DESECHO DE CAUCHO A EVALUAR. ............................................................................ 75
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INDICE DE ANEXOS
ANEXO A CARTA REOMETRICA CAUCHO NATURAL PATRON......................79
ANEXO B CARTA REOMETRICA CAUCHO PROCESADO...................................80
ANEXO C CARTA REOMETRICA CAUCHO REGENERADO...............................81
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Capitulo 1. INTRODUCCION
En la industria Colombiana de producción de artículos de caucho, el porcentaje de
los desechos resultantes del proceso de éstos, es del orden del 1-4%
aproximadamente. (Información brindada por Héctor Carvajal, 2005)
Las rutas para el manejo de estos desechos son muy pocas. Las empresas
productoras de artículos de caucho, generalmente, depositan estos residuos en el
relleno sanitario generando un gran impacto ambiental en la disposición y
tratamiento de los residuos sólidos ya que estos desechos poseen una muy lenta
degradación en el ambiente de un relleno sanitario, lo cual genera una gran
acumulación con el paso del tiempo.(Tchobanoglous,1998)
En la actualidad existen varios mecanismos para la reutilización del caucho como
materia prima. Estos métodos incluyen procesos químicos, o mecánicos, o biológicos
o de alta tecnología como microondas y rayos UV. En la actualidad, no existe
ninguna industria de caucho en el país que utilice alguno de estos mecanismos. Este
documento se enfocará en la utilización del método biológico como proceso
recuperador de materia prima.
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Capitulo 2. HIPOTESIS Y TAREAS ESPECÍFICAS
Desde la década pasada, se ha reportado que existen microorganismos oxido-
reductores de azufre que son capaces incluso, de destruir los enlaces de azufre
presentes en el caucho. Los microorganismos Thiobacillus ferrooxidans y
Thiobacillus thioxidans han sido probados, como oxidantes de sulfuro que se
convierten en sulfato (M. Christiansson 1998), generando un rompimiento de los
puentes de azufre en el caucho vulcanizado.
Los microorganismos Thiobacillus ferrooxidans y Thiobacillus thioxidans son
microorganismos que pueden ser utilizados para el mecanismo de manejo eficiente
de desechos de caucho aplicado a la industria productora de este mismo; es decir,
que por medio de los microorganismos, el caucho vulcanizado puede llegar a tener
las propiedades del caucho sin procesar, una vez los enlaces de azufre han sido
quebrados por la acción desulfurizante de los Thiobacillus. De esta manera se puede
volver a incorporar el caucho tratado a la matriz original del caucho virgen para ser
procesado nuevamente. Posiblemente, se obtendría un beneficio para la industria de
la producción del caucho ya que minimiza en gran cantidad la generación de
residuos por medio de un reciclaje interno, y así mismo generaría un ahorro
económico basado en la reduccion de materia prima necesaria.
Las tareas específicas para demostrar o rechazar la hipótesis anterior son:
• Verificar la efectividad de la acción desulfurizadora de los microorganismos de
la especie Thiobacillus en el caucho procesado por la industria colombiana.
• Analizar si es viable aplicar el proceso de desulfurización del caucho en la
empresa de producción de artículos de caucho Eterna S.A.
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Capitulo 3. MARCO TEORICO 3.1 Problemática General
La disposición final y el reciclaje de los desechos de caucho es un gran problema
en el mundo entero. Aproximadamente 237 millones de neumáticos son
desechados en Estados Unidos cada año y 10 millones de éstos son reusados.
Actualmente entre 2 y 3 billones neumáticos de desechos de caucho se
encuentran acumulados en el mundo, y diariamente el número se incrementa
(Tchobanoglous, 1998). Es de esta manera como los desechos de caucho que son
almacenados presentan amenazas a la salud y al medio ambiente.
Se plantea que los métodos del reciclaje del caucho pueden ser desarrollados con
la eficiencia suficiente para convertir los desechos de caucho como un material
activo, que se puede mezclar con la materia prima. Desde el punto de vista
económico y ambiental, la reutilización del caucho es preferible que la disposición
o la incineración (Tchobanoglous, 1998)
3.2 Los materiales de Caucho
El caucho es material impermeable y resistente a los álcalis y los ácidos débiles.
La elasticidad del caucho, dureza, impermeabilidad, adhesividad, y la resistencia
eléctrica lo convierte de gran utilidad como un adhesivo, una composición de la
capa, una fibra, y un aislador eléctrico. (Royo J. 1989). Todos los materiales del
caucho son polímeros de alto peso molecular, que consisten en largas cadenas de
uno o más tipos de moléculas (como los monómeros) (Morton, M, 1959).
El caucho natural (NR) es un poliisopreno (Ver Figura 1), es decir, consiste en la
unión de moléculas del isopreno (enlaces sencillos de carbonos) en cadenas
débiles y torcidas por su rotación reciproca alrededor del enlace sencillo. Las
unidades del monómero a lo largo de las cadenas del carbono están en un arreglo
del “cis”, lo que quiere decir, que existen enlaces de carbonos unidos por un doble
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enlace lo que genera que no se de una rotación y se defina un plano en el espacio
(Royo J. 1989). En el caucho, cada integrante de doble enlace está unido al resto
de la cadena por un grupo de metilo o un átomo de hidrógeno.
Figura 1. Molécula de caucho natural cis-1,4 Poliisopreno
(Fuente: Solomons 1996 )
Por otra parte se encuentran los cauchos sintéticos, a los cuales se les da
diferentes usos. Los hay para uso general y para uso especifico. Los cauchos
sintéticos son aquellos que son conocidos por su aplicaciones en el uso diario,
como lo es el caucho de poli(butidieno-estirieno)(SBR), el de mayor consumo
actualmente, ya que con ellos se producen cubiertas de neumáticos, aislamiento
de cables, calzado, correas, mangueras, entre otros. Otro tipo de caucho sintético
muy usado en la industria de la producción de artículos de caucho es el
polibutidieno(BR), el cual se caracteriza por ser uno de los mas resistentes. (Ej,
Neumáticos). Los de uso específico son los que deben ser fabricados con
características específicas para una aplicación determinada y pueden llegar a ser
bastante costosos, como por ejemplo el policloropreno, cauchos nitrílicos y
cauchos butílicos. En general, el caucho sintético tiene las siguientes ventajas
sobre del caucho natural: el buen envejecimiento, más resistencia al aceite,
solventes, oxígeno, ozono, y ciertos químicos, y la resistencia a altas
temperaturas (Morton, M, 1959).
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3.3 Composición general del caucho
En la industria de caucho, para dar las propiedades específicas de los productos
que ofrecen al mercado, se basan en la selección de compuestos. Generalmente,
los compuestos del producto deseado son estudiados con anterioridad por un
ingeniero, por medio de varios ensayos, para que de esta manera cuantifique
correctamente los compuestos a agregar en la mezcla y así obtener el caucho
deseado. En este proceso es muy importante el conocimiento de la química o de la
ingeniería química, ya que posee cierta complejidad en las reacciones químicas;
la vulcanización es la reacción más importante. (Morton, M, 1959)
La transformación del caucho crudo a un material altamente elástico se
denomina vulcanización. Este proceso trata de someter al caucho crudo a un
esfuerzo prolongado o a una temperatura moderadamente alta para que así se
produzcan deslizamientos de unas cadenas moleculares respecto a las vecinas,
generando una fuerte unión entre ellas, formando un material plástico suave y
resistente al deterioro normal del calor, luz y uso (Royo J. 1989). El agente para
llevar a cabo el proceso de vulcanización, por excelencia es el azufre. Este
sistema es el más antiguo y utilizado en el amplio trayecto de las vulcanizaciones
técnicas. (Figura 2)
Figura 2. Caucho Vulcanizado. (Fuente: Solomons 1996 )
Por lo tanto, los materiales de caucho vulcanizados contienen enlaces mono, di, y
poli sulfhídricas como los de carbono – carbono, sulfuro-sulfuro, carbono-sulfuro
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con una distancia media entre los enlaces de 10 µm. (M. Christiansson et al.
1998).
Existe gran variedad de compuestos que pueden hacer parte de la “receta”
específica necesaria para la producción de un artículo determinado. Cada receta
contiene un número de compuestos, los cuales tienen una función específica en el
proceso de vulcanización .En la Tabla 1 se muestra un ejemplo para un caucho
típico de neumático. Todos los ingredientes son normalmente dados en
cantidades basados por un total de 100 partes de caucho o combinaciones de
caucho (Ej. caucho natural mas caucho regenerado). Esta anotación es
generalmente enlistada como PHR (part per hundred rubber) partes por cientos
de caucho. De esta manera, cuando se comparan las diferentes recetas, los
efectos de la variación de cada ingrediente se pueden reconocer cuando las
propiedades físicas o del proceso son comparadas. Por ejemplo existen ensayos de
dureza, elongación, resistencia a ruptura y al desgarre, deformación por
compresión, envejecimiento térmico que determinan la calidad y propiedades de
los diferentes tipos de caucho.
Tabla 1. Receta típica de una mezcla de caucho para neumático
(Fuente: M. Christiansson et al. 1998)
Compuesto PHR Caucho natural (NR) 100
Negro de Humo o Carbón negro 40 Azufre 2.3
Agentes aceleradores 0.5 Oxido de Zinc 3
Ácidos 2.5 Retardantes 0.2
Antioxidantes 1 Antiozonisantes 1
Aceites 4 Agentes protectores de la
agresión solar 0.5
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Cada uno de estos compuestos posee una función específica en el proceso de
vulcanización o para la caracterización del resultado final del producto A
Continuación, se describirán los diferentes compuestos básicos que se usan en
la industria de producción de artículos de caucho
• Negro de humo o carbón negro: es un ingrediente que actúa como un
refuerzo de los carbonos del caucho generando un endurecimiento en el
material.
• Agentes vulcanizadores: son los materiales necesarios para el proceso
de vulcanización como el azufre.
• Agentes aceleradores: son ingredientes químicos muy complejos, que
ayudan a obtener los beneficios máximos de la vulcanización y su tasa
de velocidad. Un ejemplo es el Oxido de Zinc.
• Anti-envejecedores: son los antioxidantes y los antiozonizantes y otros
materiales que son usados para reducir el deterioro del caucho por los
diferentes elementos ambientales a los que se expone, como lo son el
ozono, la luz , la radiación, etc.
• Los ácidos y aceites son los materiales que se usan para facilitar el
proceso de en la mezcla el moldeo del caucho.
• Ingredientes varios: son los materiales que son usados para propósitos
específicos, pero que no son requeridos en cantidades abundantes. En
este grupo de encuentra los retardantes, los colores, los suavizantes,
los protectores de la agresión solar, entre otros.
3.4 Teoría de la Biodegradación del Caucho
3.4.1 Definición de la Desvulcanización o Desulfurización
La desulfurización consiste en romper los enlaces de azufre creados por la
vulcanización, en los materiales de caucho. De esta forma el caucho pierde sus
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propiedades elásticas, y se convierte en un material similar al que no ha sido
procesado. (Evaluation of waste tyre devulcanization Technologies, julio
2004).Por medio de artículos y publicaciones en Biotecnología, autores como
M. Christiansson y R. Romine, han demostrado que este mecanismo de
reciclar el caucho es viable.
3.4.2 Tipos de Tecnología de Desvulcanización o Desulfurización
La información recolectada por informes patentes y en la literatura
tecnológica acerca del reciclaje del caucho, resume los procesos de
desvulcanización en 4 grupos. (California Environmental Protection
Agency, 2004):
• Desvulcanización Química: consiste en el uso de agentes químicos
y aceites a altas temperaturas y presiones para lograr romper los
enlaces de azufre.
• Desvulcanización por Ultrasonido: La aplicación de rayos
ultrasónicos, con una energía de 50 kHz, penetra la superficie del
caucho rompiendo los enlaces de sulfuro-sulfuro, y carbono-
sulfuro, pero no los de carbono –carbono. El resultado final es muy
similar al caucho no vulcanizado.
• Desvulcanización por Microondas: En la práctica es uno de los
mejores procesos de desvulcanización, y a su vez, el más costoso.
La combinación entre los rayos microondas y el requerimiento de
propiedades físicas especiales del caucho genera un caucho
totalmente desvulcanizado, a disposición de cualquier tipo de
reincorporación en la matriz original.
• Desvulcanización Biológica: Es un proceso poco usado, el cual
consiste en acción biológica de microorganismos quimiolitrotofos,
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que son capaces de atacar los enlaces de azufre rompiendo los
enlaces generados en la vulcanización
A partir de finales del los noventas, estos tipos de procesos surgen como
alternativas para solucionar el problema de la disposición de los desechos de
caucho que se presenta en los países desarrollados. Actualmente en varias
empresas productoras de materiales de caucho de distintos países del mundo,
se ha reportado algún mecanismo de desulfurización del la superficie del
caucho-Algunos ejemplos de presentan en la Tabla 2
.
Tabla 2. Desvulcanización biológica en el mundo. (Adaptado de California
Environmental Protection Agency, 2004)
Como se puede apreciar en la tabla 2, las grandes fábricas de producción de
caucho, tienen implementado algún proceso para reciclar el caucho. La
mayoría de estas empresas cuentan con procesos mecánicos, químicos, o
químicos – mecánicos. El proceso biológico por ser un proceso tan reciente,
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aún esta en estudio en los laboratorios y en fábricas de caucho de Japón y
Estados Unidos.
3.4.3 Definición de Bio Desvulcanización
Bio Desvulcanización es el proceso realizado por microorganismos
quimiolitótrofos que oxidan el azufre, de tal manera que rompen los enlaces
de azufre del caucho vulcanizado, degradándolo y convirtiéndolo en un
material listo para reusar como un caucho sin procesar.
3.4.4 Antecedentes de la Bio Desvulcanización
La superficie del material de caucho puede ser usado, como sustrato
(alimento) para los microorganismos que tienen la función de degradarlo de
manera eficiente. Los primeros resultados que se publicaron en el tema de la
bio desulfurización del caucho, pertenecían a la degradación del caucho
natural, que por medio de los hongos: Nacardia (Tsuchii, 1985; Tsuchii, 1997;
Tsuchii &Takeda, 1990), y de C. subvermispra (Sato, 2003), el caucho látex
perdía sus propiedades elásticas y se apreciaba como un caucho natural.
3.4.5 Microorganismos desulfurizadores del caucho
Se conocen varios de los microorganismos mesófilos (microorganismos que
pueden vivir en temperaturas de 25-37ºC) y termófilos (microorganismos que
pueden vivir en temperaturas mayores de 45ºC), los cuales oxidan el azufre en
minerales como la pirita y sulfuro de cobre (Brombacher et al. 1997; Johnson
et al. 1993; Sand et al 1995). Estos microorganismos son quimiolitótrofos (que
utilizan como fuente de energía materia inorgánica) y obtienen, de esta
manera, su energía de varios de los compuestos de azufre oxidados. Estos
microorganismos han tenido una gran acogida en la desulfurización de
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carbón, minerales de aceite y en la biolixiviación de metales. El género de
Thiobacillus es uno de los microorganismos más estudiados al caracterizarse
como un buen agente oxidante de azufre. Los T. ferrooxidans, T. Thioparus,T.
caldarious pueden encontrarse en metales con alto contenido de sulfuro como
en la pirita. Otras especies oxidantes de azufre, son las especies del orden de
Archaca y Sulfolobales, las cuales han sido aisladas en ambientes ácidos (pH
1.4 – 3) y a temperaturas de 65-85°C (Segerer & Stetter, 1992).
Investigaciones realizadas en diferentes laboratorios de Universidades
americanas y suecas sobre el de modificación de azufre en la superficie del
caucho, reportan buenos resultados de la utilización de microorganismos tales
como Thiobacillus ferrooxidans (Romine y Romine 1998), Rhodococcus
rhodochours y Sulfolobus acidocaldarius (M. Christiansson et al. 1998) y
Pyrococcus furiosus (Bredberg 2001) para la degradación de cauchos
sintéticos. Estos microorganismos que son capaces de oxidar el azufre
convergen en un pH ácido de alrededor de 2.5.
En 1998, en la Universidad de Lund (Suecia) se realizó un estudio sobre la
efectividad de algunos microorganismos para desfragmentar los enlaces de
azufre en los materiales de caucho. Thiobacillus ferrooxidans, Thiobacillus
thioparus, Acidianus Brierleyl y TH2 (Archea termofila) fueron los cuatro
diferentes microorganismos analizados como agentes oxidantes de azufre en
el polvillo no homogéneo de caucho de llantas de carros, con un diámetro
aproximadamente de 40 micras. El resultado de esta investigación se
muestra en la tabla 3.Se observó que entre los cuatro, el microorganismo más
eficiente fue Thiobacillus ferrooxidans. El contenido de azufre en el polvillo
era del 1.6% w/w, que al someterlo a la acción del microorganismo en un
bioreactor durante 15 días, dio como resultado una fragmentación
aproximadamente del 8% w/w en los enlaces de azufre. El incremento de la
concentración de azufre en el bioreactor, también pudo haber sido
influenciado por la presencia de la Archea termofila TH2 por su acción
desulfurizadora. El Acidianus Brierleyl no creció en presencia del sustrato del
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12
caucho al igual que Thiobacillus thioparus. Este último resultado contradice
los resultados encontrados por el químico Robert Romine y Margaret Romine,
1997 quienes si encontraron la acción desulfurizadora de los Thiobacillus
thioparus, y aún se desconoce el por qué. Con lo anterior se quiere ilustrar
que probablemente la composición del material del caucho es relevante. En el
proceso del estudio se observó que entre más pequeña sea la partícula de
caucho, más activo y eficiente es el microorganismo para romper los enlaces
de azufre (M. Christiansson 1998).La anterior mención es muy similar y
consistente a los resultados de otros investigadores (Loffler et al 1993 y
Romine et al 1997).
Tabla 3. Conversión del azufre del polvillo de caucho como incremento de azufre en la solución del medio en el bioreactor. (Fuente: M.Christiansson et al. 1998)
3.4.5.1 Antecedentes de Thiobacillus ferrooxidans
Está sustentado que el microorganismo que da resultados seguros y
eficientes es el Thiobacillus ferrooxidans o mejor, el Acidithiobacillus
ferrooxidans, (nomenclatura tomada desde el año 2000). (Entrevista con
Olga Montoya, Profesora de Microbiología, Universidad Nacional de
Medellín).A continuación algunas de sus características generales (
Grant,1989):
• Quimiolototrófica: Toma su fuente de energía por la oxidación de un
compuesto inorgánico, que en este caso se trata del ion ferroso
Concentración final de azufre en la
solución del medio (mg/L)
Azufre convertido (%) 10 días
Azufre convertido (%) 20 días
T.Ferrooxidans 180 5.3 7.8 TH2 36 2.7 2.7
A. brierleyi - - - T.thioparus - - -
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• Autotrófica: Toma su fuente de carbón celular necesaria para
sobrevivir extraída del CO2. El nitrógeno, fósforo y trazas de
minerales también son necesarias para su crecimiento.
• Aerobia: Vive en ambientes con presencia de oxigeno. Existe en
presencia de una concentración muy pequeña de oxigeno, pero lo
bacteria queda en etapa de crecimiento inhibido.
• Mesófila: Es capaz de vivir en ambientes cuya temperatura está
entre 20 y 40°C, siendo la más óptima de 35
• Acidófila: Viven en ambientes cuyo pH está en el rango de 1 a 4.5,
donde el valor óptimo está entre 2 y 2.5.
• Presencia de Inhibidores: En el proceso de desulfurización se liberan
algunos iones que en ciertas concentraciones resultan tóxicas y
afectan el desarrollo bacterial. La literatura señala que los niveles
de tolerancia de las bacterias para ciertos metales es Zn+2 = 15 -72
g/l; Ni+2 = 12 - 50 g/l; Cu+2 = 15 g/l; Ag+ = 1ppb; UO2+2 = 200 - 500
mg/l, entre otros.
Por su característica quimiolitótrofica, Acidithiobacillus ferrooxidans efectúa
un mecanismo directo de disolución de minerales sulfurados, donde se adhiere
al mineral y lo solubiliza en presencia de oxígeno, tal como se muestra en la
siguiente ecuación (Collins et al, 2002)
422 MeSOOMeS sferroxidanacillusAcidithiob ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯+ Me Puede ser un mineral. o un polímero.
Un segundo mecanismo de reacción es el llamado mecanismo indirecto de
disolución de metales, donde el Acidithiobacillus ferrooxidans oxida el ion
ferroso Fe 2+ a ion férrico Fe3+ en fase acuosa, luego es el ion férrico es el que
interactúa con el mineral o polímero disolviéndolo, según muestran las
siguientes reacciones:
( ) ( )
( )+++
++
++⎯→⎯+
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯2023
32
22 FeSMeMeSFe
FeFe
ac
acsferroxidanacillusAcidithiob
ac
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3.5 Antecedentes del Proceso de Bio Desvulcanización (R.A.Romine y
M.F.Romine,1998):
En 1995, Margaret Romine, junto con su esposo Robert Romine, ambos
microbiólogos e investigadores de Pacific Northwest Nacional Labotarory en el
estado de Washington, estaban realizando un estudio sobre los microorganismos
que crecen el las superficies de neumáticos y lo que éstos eran capaces de hacer;
cuando se encontraron con la bacteria Sulfolobus acidocaldarius. Esta bacteria
crece a un pH de 2.5 y a temperaturas de 70°C, en los calientes lagos del Parque
Nacional de Yellostown. (Rubbercycle,TM, PNNL,1998)
Romine y Romine encontraron Thiobacillus ferooxidans, Thiobacillus
thiooxidans, Rhodocossus rhodochrous, Sulfolobus acidocaldarius, y decidieron
realizar por 7 días un experimento durante el cual las bacterias se alimentaron
de caucho de neumático y por medio de cromatografías se supervisó la bio
desulfurización del caucho. Analizando la concentración de sulfato en la solución
durante la cual la bacteria permanecía en contacto con el caucho, se determinó
la efectividad del rompimiento de los enlaces de azufre. Los resultados mostraron
que Sulfolobus fue el más efectivo convirtiendo 13,4% a azufre en un periodo de 7
días. El siguiente microorganismo más efectivo fue la mezcla de Thiobacillus
ferooxidans - Thiobacillus thiooxidans con un 10.5%, como lo indica la Figura 3.
Ellos descubrieron que cuando mezclan Sulfolobus con un polvillo de caucho de
74 micras, la bacteria progresivamente va rompiendo los enlaces de azufre. En
esta gráfica se muestra que el proceso de conversión a azufre de los
microorganismos Sulfolobus y Thiobacillus, empieza aproximadamente, a las 48
horas después de iniciar el montaje .Durante los primeros 5 días se da a gran
velocidad. Después de los 5 días, aún sigue la degradación un poco más lenta
hasta que después del día séptimo se estabiliza, es decir, no existe más
degradación.
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Figura 3. Datos arrojados por la cromatografía, sobre la conversión a azufre en los materiales de caucho por diferentes microorganismos.
(Adaptado de: R.A Romine y M.F.Romine,1998)
Romine en 1998, aclara que al cabo de un tiempo se detecta que el material ya
esta totalmente procesado por una subida repentina de pH o un bajón repentino
de temperatura. Al finalizar, el caucho tratado, según Romine, es una sustancia
que puede mezclarse con la matriz de caucho virgen en una proporción entre el
15 y 20 % El material con el caucho mezclado se utilizó para neumáticos, sin la
pérdida en las características deseadas en el producto final. Por otro lado,
realizaron la prueba del módulo elástico, con el fin de determinar, que tanta
elasticidad pierde el material del caucho dependiendo del microorganismo. Los
resultados se presentan en la Figura 4 y muestran que realmente existe una
perdida de elasticidad del material por cualquier tipo de microorganismos, en
especial con los microorganismos de especie Thiobacillus.
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Figura 4. Módulo de Elasticidad de los materiales de caucho tratados por los
microorganismos por 168 horas (Fuente: ,R.A Romine y M.F.Romine,1998)
Al finalizar el experimento, el único residuo es una mezcla de agua y los
microorganismos inactivos que mueren durante de un proceso de tratamiento de
aguas residuales. Las palabras de Romine sobre su experimento son : "De las
bellezas de este proceso es que no produce nada que es medioambientalmente
dañoso, no sólo es el más seguro, sino que también es más barato que los
métodos tradicionales que usan químicos tóxicos.” (Rubbercycle,TM, PNNL
1998)
Los Romine, quisieron llevar este proceso, un poco más a la realidad y demostrar
que eventualmente se puede implementar a nivel industrial y comercial. De esta
manera, se prepararon a realizar el proceso a pequeña escala. Romine construyó
una planta piloto, la cual consistía en un bioreactor de 200 litros y producía de
manera satisfactoria 70 libras de caucho tratado al mes, por el bioproceso de
desulfurización. Al cabo de un tiempo, Romine estuvo trabajando en conjunto con
Rouse Rubber Industries, Inc., quienes le facilitaron los materiales de caucho y
construyeron una planta piloto a mayor escala para demostrar el proceso de bio
desulfurización a nivel comercial. Esta vez, la planta piloto era de 2000 litros,
capaz de procesar 3000 neumáticos por mes, es decir, trataban aproximadamente
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70Kg por cada 7 días. La planta piloto era ideal, ya que generaba pocos costos de
energía, reducía costos al proceso, era un proceso muy limpio, no produce
desechos inútiles y tóxicos; además es uniforme es decir, que no lastima el
caucho. El análisis económico elaborado por Rouse Rubber Industries, Inc indicó
que el proceso en el reactor de 2000 L generaba un costo de US$1.76 por Kg de
caucho.
Al llevar a gran escala el experimento de la degradación del caucho por
microorganismos y obteniendo resultados satisfactorios; en 1998 Romine,
patentó el método de desvulcanización de los residuos de caucho por medio
biológico.
3.6 Descripción del Proceso de Bio Desvulcanización
Este proceso se caracteriza por su sencillez ya que consiste en un bioreactor
aireado, el cual contiene el caucho molido con un diámetro recomendado de 74
micras (R.A Romine y M.F.Romine, 1998) más la presencia inducida de los
microorganismos desulfurizadores. Vale la pena resaltar que unos de los éxitos
del proceso consiste en el tamaño de la partícula; mientras más pequeña sea la
partícula de caucho, mayor desulfurización existirá. El tiempo del proceso no
supera los 15 días, lo que lo hace bastante efectivo. Durante este tiempo los
parámetros para controlar el proceso consisten en la toma de los datos de pH el
cual debe oscilar entre 2 -3.5, y el más importante, el de temperatura, que debe
estar entre 25-30ºC. Este parámetro garantiza la presencia de los
microorganismos quimiolitótrofos. Al retirar el caucho tratado se enjuaga con un
rinse o un agente suavizador y finalmente se somete a un proceso de filtración.
De esta manera se obtiene el caucho bio desulfurizado. (Figura 5)
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Figura 5. Proceso de Bio desulfurización denominado “RUBBERCYCLE”
(Fuente: R.A Romine y M.F.Romine,1998)
3.7 Descripción de la Fábrica de Producción de Artículos de Caucho Eterna S.A
Eterna S.A. opera desde hace 50 años en la ciudad de Bogotá D.C. Empezó con la
fabricación de pelotas de caucho para vender en la época navideña. En ese
entonces contaba con una planta de ocho obreros, un supervisor, una secretaria y
un gerente. Con el paso del tiempo, la fábrica empezó a diversificarse en
mercados relacionados con la industria del caucho tanto natural como sintético.
Fue así como integraron los rubros de fábricación de material para reencauche
de llantas y fábricación de suelas y láminas para la industria del calzado.
Actualmente, cuenta con una planta de 420 empleados, unas instalaciones que
ocupan un área de aproximadamente 15.000 metros cuadrados y más de 2000
referencias de productos entre los cuales se encuentran (Catálogo de Eterna S.A.
2004):
• Productos para el aseo: guantes de caucho, cepillos, esponjas, paños.
• Productos para bebé: biberones, chupos y accesorios.
• Productos médicos: guantes para examen y quirúrgicos
• Insumos para la industria: calzado, automotriz, construcción y agrícola.
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Eterna S.A., tiene dos líneas principales de operación, de látex y la de caucho
sintético. En la operación de la línea de artículos de látex, los residuos que se
producidos no generan un mayor impacto, pues al ser un material casi
natural, tienen un proceso sencillo de reutilización, el cual será explicado más
adelante. Los residuos generados por la fábrica, pertenecen a la línea de
operación de caucho sintético. Por esta razón, en este documento se tendrán
en cuenta únicamente los residuos generados por este tipo de caucho. A
continuación de describirá el proceso llevado a cabo en Eterna S.A.
3.7.1 Descripción del proceso de la fábricación de los artículos de caucho sintético
en Eterna S.A.
Para la fabricación de artículos de caucho sintético, Eterna S.A. cuenta con un
equipo completo de maquinarias, laboratorio y personal.
A continuación se presenta la descripción de cada uno de los procesados
llevados a cabo por la fábrica para la elaboración de artículos de caucho
• Materia Prima
Eterna S.A. cuenta con 12 diferentes componentes involucrados en la
formulación del caucho, los cuales equivalen a la materia prima del
proceso. Los componentes son: cauchos, activadores, vulcanizantes,
esponjantes, cargas, resinas, plastificantes, acelerantes, antioxidantes,
pigmentos, ayudas del proceso y otros. (Información brindada por
Héctor Carvajal.2005)
Los cauchos son importados de Estados Unidos, México, Guatemala,
Brasil, Argentina, Alemania y Francia. Eterna S.A. actualmente cuenta
con 15 tipos diferentes tipos de caucho para la elaboración de sus
productos como se observa en la Tabla 4
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Tabla 4. Cauchos importados por Eterna S.A. (2005)
CAUHOS
Caucho Natural (NR) Polibutadieno o Butadiene Rubber (BR) Butadieno-Acrilonitrilo o Nitrile Butadiene Rubber (NBR) Ficticios : Aceites vegetales o de pescado+ azufre Caucho Butílico o Isobutylene Isoprene Rubber (IIR) Neumático (IIR) Caucho Butadieno Estireno o Styrene Butadiene Rubber (SBR) Caucho de Policloropreno o Chloroprene Rubber (CR) Cauchos de Etilo-Propileno o Etileno-propileno-dieno-melileno (EPDM) Caucho Butadieno Estireno o Styrene Butadiene Rubber (SBR) + Aceites Caucho de Resina con alto Estireno Caucho VESTENAMER Caucho molido del guante imperfecto Caucho de polvo de la Lijadora Caucho desperdicio del Banbury ( COLAS)
Los Activadores son utilizados para que los acelerantes ejerzan por
completo su efecto en la vulcanización. Los Vulcanizantes utilizados en
la fábrica son el azufre (nacional), y Varox (EEUU). Los Esponjantes,
que son utilizados para hacer crecer el caucho y darle esa apariencia
esponjosa son importados de EEUU. Las Cargas son utilizadas en
situaciones extremas, son reforzantes o diluyentes. Los Plastificantes y
Las Resinas, como lo indica su nombre, plastifica el material crudo, es
decir, aumentan su plasticidad y reducen su viscosidad facilitando su
elaboración posterior. Eterna S.A. utiliza aceites nacionales, brasileros,
alemanes y de Estados unidos para este fin. Los Acelerantes y Los
Antioxidantes de la vulcanización, Eterna S.A. los importa de
Alemania, Brasil y Estados Unidos. Las Ayudas del Proceso en Eterna
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S.A las usan para reducir el tiempo y la energía durante el
mezclado.Los Pigmentos los cuales son los que le dan colores al caucho,
Actualmente, Eterna S.A. cuenta con más de 100 formulaciones, en
base a estos compuestos, para producir los diferentes artículos de
caucho que ofrece al mercado.
• Control de Calidad Nº 1
Para verificar que las características y propiedades del caucho y demás
materias primas utilizadas en Eterna S.A. sean apropiadas para el
proceso, éstas se someten a una evaluación previa en el laboratorio de
la misma fábrica, el cual decide si son aptas o no para el proceso.
(Información brindada por Héctor Carvajal,2005)
• Operación de Mezclado
Una vez se han aprobado las materias primas para continuar en el
proceso, se comienza la operación de mezclado. Esta operación se lleva
a cabo en el Banbury (Figura 6) o Molino (Figura 7) la cual consiste en
mezclar el caucho, las cargas, los antioxidantes, el plastificante, las
resinas y las ayudas de proceso en las proporciones que se han
especificado para el material a fabricar.(Figura 8) (Información
brindada por Héctor Carvajal,2005)
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Figura 6.Banbury de mezcla.(Foto tomada en Eterna S.A. 2005)
Figura 7. Molino de Mezcla (Foto tomada en Eterna S.A. 2005)
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23
Figura 8 Mezcla de los componentes de la “receta” en el Molino
(Foto tomada en Eterna S.A. 2005)
• Reposo
Una vez realizada la mezcla, la nueva composición de caucho, se deja
reposar por un periodo de 24 horas. (Información brindada por Héctor
Carvajal,2005)
Figura 9.Caucho mezclado en Reposo
(Foto tomada en Eterna S.A. 2005)
• Ciclo Acelerado
En esta etapa del proceso, los agentes aceleradores y el azufre son
introducidos a la mezcla en el molino. (Información brindada por
Héctor Carvajal, 2005)
Entrada de los componentes
Salida de la mezcla
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• Control de Calidad Nº 2:
Para verificar que las características y propiedades de la mezcla del
caucho sean apropiadas para seguir adelante con el proceso, antes de
darle forma al material, la mezcal se somete a una evaluación previa en
el laboratorio de la misma fábrica, el cual decide si es apta o no para
continuar en el proceso. (Información brindada por Héctor
Carvajal,2005)
Después de haber pasado por el segundo control de calidad y dependiendo del
artículo que se vaya a producir se puede conducir al proceso de extrucción-
calandrado o de prensa de vulcanización. A continuación se va a describir el
proceso por extrucción. (Información obtenida por Héctor Carvajal, 2005)
• Proceso de Extrucción
Muchos artículos de caucho, tales como tubos y mangueras,
recubrimientos de cables y otros, en los que la dimensión predominante
es la longitud, se fabrican por extrucción. En este proceso, primero se
conforman los artículos por medio de la máquina extrusora (Figura 10)
y luego se vulcaniza por medios continuos o descontinuos. La máquina
extrusora consta esencialmente de un tornillo que gira al interior de
una cámara coaxial; en uno de los extremos se encuentra la boca de
carga para la entrada de la mezcla ,que, por el giro del tornillo, es
transportado a lo largo del cilindro para ser acumulada bajo cierta
presión en una zona llamada cabezal, que es prolongación del cilindro y
que esta cerrada por el extremo opuesto al de la boca de carga por un
aboquilla de forma apropiada, a través de la cual fluye y se forma la
mezcla plástica acumulada en el cabezal (Royo, J. 1989)
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Figura 10.Máquina Extrusora
(Foto tomada en Eterna S.A. 2005)
• Calibración
Esta operación trata de revisar si el grosor de la mezcla plástica que
sale de la máquina extrusora coincide con la especificada para el
proceso que se esté llevando a cabo. (Figura 11) (Información brindada
por Héctor Carvajal, 2005)
Figura 11. Calibración de la mezcla del proceso de Extrucción (Foto tomada en Eterna S.A. 2005)
Entrada del caucho
Máquina Extrusora
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• Horno de Vulcanización:
La finalidad de esta operación es la de impedir la porosidad del
material, por medio de un horno desgasificador. (Royo, J. 1989) En
Eterna S.A., este horno opera a temperaturas entre 160 y 200 ºC
(Figura 12) Cuando la mezcla sale del horno, pasa por un contenedor de
agua (Figura 13) y el producto final pasa al último control de calidad de
conformidad (Información brindada por Héctor Carvajal,2005).
Figura 12. Horno de Vulcanización (Foto tomada en Eterna S.A. 2005
Figura 13. Salida de la mezcla del horno de vulcanización (Foto tomada en Eterna S.A. 2005)
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• Proceso de Calandrado
El proceso de calandrado se emplea fundamentalmente para dos
procesos: Obtención de láminas continúas de caucho y engomado de
tejidos. En ambos casos consiste en la formación de un lámina de
mezcla por uno o más pases sucesivos entre pares de rodillos metálicos
que giran en sentidos opuestos (Figura 14), pero en el primer caso la
lamina es el producto conformado como final, mientras que es segundo
se aplica sobre un soporte textil en el mismo proceso de laminación.
(Royo, J. 1989).
Figura 14 Máquina de Calandrado (Foto tomada en Eterna S.A. 2005)
• Prensa de Vulcanización
En estas prensas se da forma a la mezcla por medio de los soportes
acompañado por una presión de 2000 psi. y una temperatura de .160ºC.
(Figura 15 ). Por ejemplo, en la Figura 16 se puede observar la prensa
para las bolsas de agua caliente.
Rodillos
Láminas
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Figura 15 Prensas Vulcanizadoras (Foto tomada en Eterna S.A. 2005
Figura 16 Prensa Vulcanizadora de bolsas de Agua
(Foto tomada en Eterna S.A. 2005)
• Control Final de Calidad
Este último control sirve para verificar las características y
propiedades del producto de caucho terminado. De esta manera se
procede a levantar un acta de conformidad del producto. Si este cumple
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las características y propiedades deseadas, y así poder seguir con el
proceso de empacado
Figura 17. Ejemplo de un producto final del proceso de Extrucción (Empaque para carrocería).
(Foto tomada en Eterna S.A. 2005)
Figura 18: Ejemplo de un producto final del prensa de vulcanización
(Bolsas de agua calientes). (Foto tomada en Eterna S.A. 2005)
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Figura 19.Diagrama de Flujo del proceso de producción de artículos de caucho sintéticos
en la Fábrica de Eterna S.A.
Extrucción
Calibración
Horno de Vulcanización
Control final de Calidad
Acelerado: Azufre y Acelerantes
Materia Prima
Control de Calidad Nº 1
Mezclado (Banbury o Molino): se agregan
todos los elementos de la
Reposo de 24 Horas
Control de Calidad Nº 2: Si cumple, sigue el proceso. Si no, no sigue el proceso.
Calandra
Prensa de Vulcanización (Presión
de 2000psi y
Control final de Calidad
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3.8 Manejo de los desechos de caucho generados por las fábricas manufactureras
El manejo de los desechos de caucho pueden tener dos posibles vías: la
regeneración - recuperación o disposición final en el relleno sanitario.
3.8.1 Antecedentes de la recuperación del caucho por medio de los desechos
Las fábricas de artículos de caucho utilizan el mecanismo de recuperación
como vía de aprovechamiento de la materia prima del caucho, mas no como
una manera de reducir los desperdicios generados en la producción. Por
ejemplo, después de la invención del neumático en 1887, el químico americano
Arthur H. Marks inventó el proceso de recuperación alcalina del caucho y
estableció el primer laboratorio de fábrica de caucho en 1905. Este método
permitió reciclar grandes cantidades de caucho sin rebajar sustancialmente la
calidad del producto final. (Lewin, 2005)
3.8.2 Descripción y manejo de los desechos producidos de la fabricación de artículos
de caucho sintético en Eterna S.A
En Eterna S.A. existen tres tipos de desechos El primer tipo de desecho es el
producto final defectuoso o no conforme por las especificaciones. El segundo es
la “merma” que se genera por defecto en los artículos que requieren de una
preforma, como de tapetes, láminas, tapas para zapatos, bolsas térmicas, e
hidrosellos entre otros. Esta “merma” es muy importante para el proceso, ya
que la fábrica no se arriesga a una preforma exacta de los productos porque
puede ser muy justa En la Figura .20 se observa las tapas para zapato con su
“merma” la cual es recortada para obtener así el producto final
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Figura 20. Tapas para zapatos y su “merma”.
(Foto tomada en Eterna S.A.)
El tercer tipo de desecho de caucho es el que produce de la máquina lijadora
una vez las láminas se han vulcanizado. La lijada tiene como función
emparejar el calibre y mejorar la textura para el pegado. (Información
brindada por Héctor Carvajal,2005).
Eterna S.A. no posee un plan de manejo de desperdicios de cauchos
generados del proceso de fabricación. Sin embargo, la fábrica con su propósito
de bajar costos y no desperdiciar la materia prima (caucho), cuenta con un
proceso de recuperación, es decir, se vuelve a usar el desperdicio
incorporándolo a la matriz original. No todo el desperdicio de caucho lo
regeneran. Existe productos imperfectos de caucho EPDM y Nitrilos, los
cuales cortan en pedazos pequeños para que el camión de la basura los recoja
y los deposite en el Relleno Sanitario de Doña Juana.
El caucho regenerado o recuperado es un material obtenido a partir de los
desperdicios de caucho vulcanizado. La utilización de caucho regenerado,
como sustitución parcial o total del caucho virgen, se debe a razones
principalmente económicas que además, ayudan a minimizar el impacto de los
residuos sólidos dentro de una fábrica productora de artículos de caucho.
Existen distintas técnicas de regeneración de caucho, en donde se anula su
carácter elástico y se le vuelve a dotar de propiedades predominantemente
Producto Final
Merma
Producto con merma
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plásticas, como si fuera un caucho sin procesar. Aunque por sus resultados, el
proceso se parece a una desvulcanización, químicamente no lo es, pues los
puentes de azufre entre las cadenas persisten en el regenerado, pero se
produce una rotura del retículo del vulcanizado por la ruptura de sus cadenas
como se observa en la Figura 21.
Figura 21. Regeneración: Rotura del retículo del vulcanizado por escisión de sus
cadenas (Fuente: Royo.J,1989)
Ya que entre el 0.5 -1 % de los reactivos habían intervenido en la primera
vulcanización, (Royo.J, 1989) en el regenerado perduran grupos capaces de
volverse a reticular en una nueva vulcanización. Los factores a considerar al
emplear caucho regenerado son: (Royo.J, 1989):
• El tipo y proporción de caucho o combinaciones de caucho contenidos en el
regenerado. Es importante conocer este dato, ya que la formulación de la
nueva mezcla ha de hacerse en base al caucho presente en la cantidad
total de regenerado a emplear.
• La proporción de negro de humo.
• El contenido de plastificantes, tanto los existentes en el vulcanizado de
origen como los añadidos en el proceso de regeneración.
• El carácter alcalino, neutro, ácido, depende del proceso de regeneración en
la velocidad de vulcanización de la nueva mezcla.
El proceso de regeneración de caucho en Eterna S.A. tiene como finalidad
bajar los costos de producción de material. Por un lado recuperan cauchos de
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látex, como los guantes de cirugía defectuosos. La recuperación de este
material es muy amigable al ser un caucho poco procesado. Por otro lado,
también recuperan cauchos como el SBR, NR, NBR, los cuales salen de sellos
de tuberías, empaques de carrocería y extruídos defectuosos (Figura 22).
Figura 22. Caucho sintético desechado y caucho sintético molido
(Foto tomada en Eterna S.A.)
El procedimiento que se le realizan a estos materiales para la regeneración
(guante de cirugía y SBR, NR, NBR) es el siguiente:
1. Moler en el Banbury por 5 minutos.
2. Luego pasa a un molino refinador para que la partícula sea más
pequeña y así facilite la incorporación a la matriz original.
El caucho molido para ser regenerado es usado como parte de la mezcla para
productos de moldeados, como láminas, tacones, sellos de tuberías y bolsas de
agua,
También se recupera el polvo que se genera de la lijadora de las láminas
(Figura 23).La producción del polvo de la lijadora es de 20 Kg. por día.
Desperdicio de Caucho Sintético
Caucho molido para ser regenerado
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Figura 23. Proceso de lijado de una lámina en Eterna S.A.
(Foto tomada en Eterna S.A.)
El caucho recuperado por la lijadora se usa exclusivamente como parte de la
mezcla que se utiliza para el proceso de extrucción.
A continuación se presenta el diagrama de flujo del proceso de manejo de
desechos de caucho producidos por la Fábrica Eterna S.A.
Figura 24. Diagrama de flujo del proceso de manejo de desechos de caucho producidos por la Fábrica Eterna S.A.
Polvo de la lijadora
Desechos de caucho producidos por Eterna S.A.
Producto de Caucho
Defectuoso
Merma Polvo de la Máquina Lijadora
Material de fácil
masticación por el molino
Material de difícil
masticación por el
molino,
Ciclo de Recuperado
Ciclo de Recuperado
Ciclo de Recuperado
Al Relleno de Doña Juana
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36
Capitulo 4. METODOLOGIA
El proceso de Bio Desulfurización de los desechos de caucho, como un mecanismo de
manejo eficiente de estos desperdicios generados por la Fábrica de productos de
Caucho Eterna S.A., está esquematizado de la siguiente manera:
Figura 25. Esquema del Proceso de Bio Desulfurización del Caucho
Para llevar a cabo este proceso es necesario realizarlo por medio de 3 etapas. En este
capítulo se describen las etapas que se llevarán a cabo para realizar el proceso de
Bio Desulfurización del caucho.
4.1 Descripción del Ensayo
El ensayo se divide en tres etapas
• La primera etapa se trata de la obtención e identificación de los
microorganismos desulfurizadores.
• La segunda etapa se trata del montaje del proceso de la biodegradación
del caucho en el laboratorio.
• La tercera etapa implica los ensayos de vulcanización del caucho
tratado en el bioreactor y sus características.
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4.2 Primera etapa: Obtención e identificación de los microorganismos
desulfurizadores de caucho.
Como anteriormente se explicó, los Acidithiobacillus ferrooxidans, fueron
unos de los microorganismos que lograron un buen desempeño en la
biodegradación del caucho (R.A Romine y M.F.Romine, 1998). Además,
aunque sean microorganismos mesófilicos, que viven en temperaturas entre
20 y 40°C, el control de la temperatura de los Acidithiobacillus ferrooxidans
es sencillo comparado a los Sulfolobus acidocaldarius, ya que éste último
microorganismo, si bien, obtuvo el mejor rendimiento en desulfurar el caucho
(R.A Romine y M.F.Romine, 1998), vive en temperaturas de 70ºC, lo cual hace
que se dificulte su obtención en la naturaleza.
4.2.1 Identificación del hábitat de los Acidithiobacillus ferrooxidans
Los Acidithiobacillus ferrooxidans se encuentran en los drenajes ácidos de las
minas de carbón o AMD (acid mine drainage) debido a que allí se encuentra
un pH bajo, altos contenidos de azufre y metales disueltos (Stichbury et al,
1995). Estos drenajes se forman cuando se encuentran presentes los
siguientes elementos (Edenborn et al., 1993):
• Actividades mineras
• Rocas minerales
• Depósitos de agua
• Oxígeno
El drenaje de la minería ácida es un proceso natural a través del cual el ácido
sulfúrico se produce cuando los sulfatos de las rocas minerales son expuestos
al aire libre y al agua. Cuando las grandes cantidades de roca que contienen
minerales son sulfatados son excavadas, estos materiales reaccionan con el
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aire y el agua para crear ácido sulfúrico. Cuando el agua alcanza un pH de 1 -
4.5, los Acidithiobacillus ferrooxidans se presentan acelerando los procesos de
oxidación y acidificación.(Carlos De Rosa y James Lyon,1996).El ácido es
transportado desde la mina por el agua, las lluvias o por corrientes
superficiales, y posteriormente depositado en los tanques de agua, arroyos
,lagos o cuerpos de agua en general.
El drenaje ácido de las minas degrada severamente la calidad del agua y
puede eliminar la vida acuática. Históricamente, el significado ambiental de
los drenajes ácidos de las minas de carbón no se consideraba de mayor
importancia. Fueron las entidades ambientales americanas y canadienses las
primeras al encontrar que estos drenajes generan un gran daño ambiental
Estos drenajes se presentan de color naranja como se puede observar en la
Figura 26, debido al alto contenido de azufre. (Managing sulphidic mine and
acid drainage, 1997)
Figura 26. Imagen típica de un drenaje ácido de mina de carbón abandonada en Dundas, Tasmania (Fuente: Managing sulphidic mine and acid drainage, 1997)
Con base en la anterior información, se buscó una mina de carbón a las
cercanías de Bogotá D:C (Cundinamarca), en la cual se encontrara un drenaje
ácido de una mina de carbón
Cundinamarca cuenta con reconocidos municipios como centros de acopio de
la operación de carbón, los cuales son Lengüazaque, Nemocón, Cucunubá y
Tausa. Lengüazaque y Tausa operan desde los principios de la década de los
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ochentas mientras que en Cucunubá y Nemocón se encuentran las minas de
carbón con una operación más recientes (Cámara de Comercio de Bogotá,
2002).
Por medio de la información obtenida por el Dr. Fernando Díaz, 2005,
especialista en minas y funcionario de la CAR – Regional de Ubaté, en el
municipio de Tausa y de Cucunubá se encuentran los drenajes de minas de
carbón con un pH < 3.
De esta manera, en la Vía 45 que conduce de Bogotá - Ubaté, un kilómetro
antes de llegar al municipio de Tausa, se encuentra la mina de carbón “El
Boquerón” (Figura 27),una de las minas más antiguas y más grandes de la
región, que al mismo tiempo posee un drenaje con el pH deseado para
encontrar los microorganismos Thiobacillus ferrooxidans.
Figura 27. Mina de Carbón “El boquerón”, Ubicada a 51 Km. de Bogotá, Vía 45.
(Foto tomada en Mayo de 2005)
En esta mina se encontró un sistema de recolección de aguas extraídas del
proceso de la explotación minera, en el cual, las aguas recogidas desembocan
a un pequeño canal y se aposentan. Es allí donde se puede apreciar a simple
vista las aguas en un sustrato de color naranja, el cual es llamado
“alcaparrosa” por los trabajadores de la mina como se muestra en la Figura
28.
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Figura 28. Canal al cual desembocan las aguas extraídas de la explotación de carbón de la
mina “el Boquerón” (Foto tomada en Mayo de 2005)
Al observar este canal como se muestra en las Figura 26 y 28, se puede ver la
gran similitud entre ellas y darse cuenta que existe realmente una actividad
bacteriana creada por las aguas ácidas del drenaje de la mina, la cual genera
el color naranja en las rocas
En el momento de realizar los análisis de pH y temperatura en las aguas del
canal se percibió inmediatamente un olor picante, típico del Ácido Sulfúrico
(H2SO4). Las aguas del canal presentan un pH de 2.61 y una temperatura de
27.6ºC, lo cual indica que los microorganismos Acidithiobacillus ferrooxidans
están presentes en este canal. La recolección de las muestras se realizó
entonces en dicho canal como se presenta a continuación.
4.2.2 Materiales y métodos para la recolección de muestras:
Para el procedimiento de la obtención de los microorganismos
Acidithiobacillus ferrooxidans se siguió la metodología indicada en la
publicación “Detection of Acidithiobacillus ferrooxidans in acid mine drainage
environments using flourescent in situ hybridization, 2005”, realizada por
Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.
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El procedimiento consiste en tomar 20 tarritos esterilizados de muestra de
orina, los cuales se introducen totalmente en el agua del canal y de esta
manera se recoge sustrato de la roca y el agua. El sustrato es el material de
la roca que presenta el color naranja y el agua es el agua acida que acompaña
en canal de sustrato naranja. Una vez tomada la muestra se introducen los
frasquitos en una nevera portátil a 4ºC, para su preservación.
4.2.3 Identificación de los Acidithiobacillus ferrooxidans
Veinticuatro horas después de haberse realizado el muestreo se realizan las
diluciones decimales seriadas. Estas diluciones consisten en tomar 10 gr del
sustrato de la muestra y diluirlas en 90 ml. de agua ácida tomada en el
drenaje, se agita y de esta dilución se toma 10 ml. y se agrega 90 ml de agua
ácida de las muestras ya recogidas. Esta dilución se llama “dilución 10-1 “. De
la dilución 10-1 se agita y se toma 10 ml. y se le agrega 90 ml de agua ácida de
la muestra y se obtiene una dilución 10-2. Este proceso se realizó, hasta
obtener las diluciones 10 -5 y 10 -7.
Figura 29. Procedimiento de diluciones decimales seriadas para la identificación
de los microorganismos Acidithiobacillus ferrooxidans,
Agitar
Dilución 10- 2
Agitar
Dilución 10-1
10 gr. de Sustrato
90 ml. de agua ácida
Introducir 10 ml Introducir 90 ml de agua
Introducir 10 ml Introducir 90 ml de agua
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El objetivo de estas diluciones es el de identificar claramente el
microorganismo en el microscopio. Es decir, como en la muestra se presentan
diferentes bacterias que pueden crecer en el mismo medio que los
Acidithiobacillus ferrooxidans, si no se realiza la dilución adecuada, en el
momento de la identificación se observarían varías colonias de
microorganismos lo que dificultaría la identificación en el microscopio
Para la identificación de microorganismos, uno de los sistemas más
importantes es el de observar su crecimiento en sustancias alimenticias
artificiales preparadas en el laboratorio. El material alimenticio en el que
crecen los microorganismos es el medio de cultivo .Para que las bacterias
crezcan adecuadamente en un medio de cultivo artificial debe reunir una serie
de condiciones como son: temperatura, grado de humedad y presión de
oxígeno adecuado, así como un grado correcto de acidez o alcalinidad. Un
medio de cultivo debe contener los nutrientes y factores de crecimiento
necesarios.
El procedimiento para el medio de cultivo y conservación de los
Acidithiobacillus ferrooxidans en el laboratorio se llevo a cabo por medio de la
metodología publicada por D.B Jonson., “Selective solid media for isolating
and enumerating acidophilic bacteria, 1995”
Para facilitar el estudio de los Acidithibacillus ferrooxidans en el laboratorio
de Microbiologia Ambiental (CIMIC), fue necesario encontrar el medio
apropiado para su crecimiento e identificación. Se utilizaron dos tipos de
cultivo, el sólido y el líquido. Para esta metodología, la finalidad del cultivo
sólido es de identificar la presencia de los microorganismos Acidithibacillus
ferrooxidans en las diluciones 10 -5 y 10 -7 y reproducirlos El cultivo líquido
tiene como propósito, identificar los microorganismos por medio de un
desarrollo bacterial y al mismo tiempo conservarlos para su utilización en la
biodesulfurizacion del caucho.
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El medio sólido FeTSB (D.B Jonson, 1995) consiste en dos principales
elementos:
• Hierro ferroso para el crecimiento de los Acidithibacillus ferrooxidans
en su ambiente óptimo.
• Sustrato orgánico, el cual está compuesto de un caldo de triptona de
soya.
Las concentraciones del medio FeTSB fueron las siguientes:
• 25 mMolar de Hierro Ferroso
• Agarosa al 0.5%
• Agar de triptona de soya.
Todos los anteriores elementos serían brindados por el laboratorio de
Microbiología Ambiental (CIMIC) de la Universidad de Los Andes.
Por cada cultivo sólido se usó una caja de petri y se utilizó un volumen de 25
ml de medio sólido FeTSB
El tipo de siembra del cultivo se denomina “en profundidad”, lo que significa
que en la caja de petri primero se adiciona la dilución y luego se recubre del
medio del cultivo como se puede observar en la Figura 30 .El volumen de la
dilución para en el cultivo fue de 1 ml.
Figura 30. Proceso de cultivo de los microorganismos en Laboratorio.
25 ml de FeTSB1ml de dilución
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Una vez adicionada la dilución y el medio de cultivo en la caja de petri, se
agita hasta obtener una mezcla uniforme. Al lograr una mezcla homogénea, se
estabiliza a un pH de 2 con ácido sulfúrico concentrado. Se deja enfriar a
temperatura ambiente, y luego se introduce en la incubadora a 37ºC.
Por cada dilución se realizó el cultivo sólido por triplicado. Por cada cultivo
sólido se usó una caja de petri y se utilizó un volumen de 25 ml de medio
sólido FeTSB
Para los cultivos líquidos se usarán 2 matraces Erlenmeyers de 250 ml; en
cada uno de ellos se adicionaron 50 ml. de medio líquido 9K (Silverman y
Lundgren, 1959).
La composición del medio lìquido 9K es en (g/l ):
• 3.0 (NH4)2SO4 .
• 0.1 KCl.
• 0.5 KH2PO4 .
• 0.5 MgSO4.7H2O .
• 0.144 Ca(NO3)2 .
• 44.2 FeSO4.7H2O.
Todos los anteriores elementos serán brindados por el laboratorio de
Microbiología Ambiental (CIMIC) de la Universidad de Los Andes.
En este tipo de cultivo no importa el orden de la mezcla de los reactivos.
Una vez adicionados los 50 ml. de medio líquido, se adicionan los 200 ml.
de dilución y se ajusta nuevamente el pH a 2 con ácido sulfúrico
concentrado. Se agita a 150 rpm, en un agitador orbital (THERMOLYNE)
a 35ºC por 15 minutos. Una vez agitadas las muestras, se conservarán en
la nevera durante 15 días.
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Figura31. Muestras conservadas por medio del cultivo líquido.
(Foto Tomada en Junio 2005)
4.2.4 Determinación de la presencia de los Acidithibacillus ferrooxidans
Para obtener la evidencia de la presencia de los Acidithibacillus ferrooxidans
en el canal de aguas ácidas encontrado en la mina de carbón “El Boquerón”,
se le realiza un seguimiento del crecimiento bacteriano (recomendado por la
Microbióloga Lucía Lozano. Profesora de microbiología de la Universidad de
los Andes), y se utilizarán los resultados del crecimiento de los
microorganismos en el medio sólido.
La determinación del seguimiento del crecimiento bacteriano se realiza por
medio de la transformación de Fe2+ a Fe3+ en el medio líquido. Para este
seguimiento se toma 15µL del medio líquido y se mezcla con 5µL de azul de
lactofenol en un micro tubo. Esta solución se coloca en la cámara de recuento
(NEUBAUER), el cual cuantifica un número aproximado de bacterias por
mililitro de cultivo. El seguimiento se realiza cada dos días por 10 días.
Los resultados se pueden apreciar en la Figura 32 que se presenta a
continuación:
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Crecimiento Bacterial
0,00E+00
1,00E+08
2,00E+08
3,00E+08
4,00E+08
5,00E+08
6,00E+08
0 2 4 6 8 10 12
Tiempo (Días)
(X) B
acte
ria/ m
ililit
ro
Figura 32 Crecimiento Bacterial del microorganismos Acidithibacillus ferrooxidans
en el medio líquido.
La Figura 32 muestra claramente que en la siembra del medio líquido
específicamente para los Acidithibacillus ferrooxidans, se evidenció un
crecimiento del microorganismo durante el periodo de 8 días.
Los resultados del crecimiento de los microorganismos en el medio sólido se
compararon visualmente con los resultados de obtenidos en la por Natural
Sciences and Engineering Research Council of Canada; los cuales resultaron
muy similares, y de esta manera se comprobó que existe la presencia de los
microorganismos, como se muestra en la Figura 33.
Figura 33.Crecimiento de los Acidithibacillus ferrooxidans en el medio sólido de FeTSB. (K.K Mahmound,2005)
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4.3 Segunda Etapa: Montaje del proceso de Bio Desulfurización del Caucho en el laboratorio
Para el montaje del proceso de la Bio Desulfurización del caucho se contó con
la asesoría (vía mail) del Profesor y Químico Robert Romine, quien desarrolló
junto con esposa Margaret Romine, el de desulfurización de los desperdicios
del caucho de neumáticos en 1998. El fue patentado y llamado
“Rubbercycle”.Basándose en la metodología y materiales usados en el proceso
de “Rubbercycle” se desarrolló el montaje de Bio Desulfurización del caucho
en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental, CIIA.
4.3.1 Materiales
El caucho a tratar por medio del proceso de Bio Desulfurización proviene de
los desechos de caucho producidos por la lijadora y los productos imperfectos
del proceso de extruído producido por Eterna S.A.
Figura 34. Izquierda: Desecho lámina de la Lijadora - Derecha: Desecho de empaque de carrocería triturado por el molino.(Foto Tomada en Junio 2005)
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Para el montaje en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental CIIA, se utilizaron
los siguientes elementos:
• Reactor en fibra.
• 2 Aireadores.
• Equipo de medición de pH y temperatura (OAKLON).
Figura 35. Elementos del Montaje en laboratorio del proceso de Bio Desulfurización. (Foto Tomada en Junio 2005)
El medio activador de crecimiento de los microorganismos en el reactor
consistió en las siguientes sales:
• 0,4 gr. de Dihidrógeno fosfato de Potasio (KH2PO4)
• 0,4 gr. de Sulfato de Magnesio Heptahidratado (MgSO4.7H2O )
• 0,4 gr. de Sulfato férrico Amoniacal ((NH4)2SO4 )
• 33.3 gr. de Sulfato de Hierro Heptahidratado (FeSO4.7H2O)
• 1 Litro de Ácido Sulfúrico 1N (H2SO4)
• 1 Litro de Ácido Sulfúrico 6N (H2SO4)
Reactor
Aireadores
Microorganismos
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Figura 36. Sales del medio activador para el proceso de Bio Desulfurización del Caucho.
(Foto Tomada en Junio 2005)
4.3.2 Medidas y pasos
A continuación se presenta un diagrama de flujo, con las cantidades descritas
por Robert Romine (enviadas por correo electrónico) para realizar el proceso
de Bio Desulfurización del Caucho en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental,
CIIA.
Figura 37. Diagrama de Flujo del Proceso Bio Desulfurización del caucho
Se introduce 1 Litro de Ácido Sulfúrico 6N (H2SO4) en el reactor aireado, más
todas las sales del medio activador. Se ajusta a un pH de 2.5 y se le agrega los
500 ml de microorganismos Acidothiobacillus Ferrooxidans. El reactor debe
500 ml. de Microorganismos Acidothiobacillus Ferrooxidans +
1Litro de medio de Cultivo
500 gr. De desecho de caucho triturado
Reactor Aerobio
Control de pH (2- 3.5) y Temperatura (20-40ºC)
Durante 7 días.
Caucho Bio-desulfurado
Rinse con agua aireada
Filtración
Secado a Temperatura
Ambiente
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permanecer por un periodo de 24 horas con el medio de cultivo y los
microorganismos para que éstos ultimos se adapten a su nuevo medio. Se
debe prestar mucha atención a los valores de pH, que siempre este por debajo
de 3.5; y la temperatura debe ir ascendiendo poco a poco hasta obtener una
temperatura de entre 30-40ºC.
Figura 38. Bioreactor aireado con el medio activador y los microorganismos
Acidothiobacillus Ferrooxidans. (Foto Tomada en Junio 2005)
Pasadas las 24 horas, se introduce los 500 gr. de desecho de caucho triturado
(70% de caucho producido de la lijadora y 30% de caucho molido de empaque
para carrocería), habiéndose cerciorado que el pH y la temperatura estuvieran
en sus valores óptimos (pH < 3.5 y Temperatura entre 30-40ºC)
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Figura 39. Bioreactor desulfurizador del caucho con pH y temperaturas óptimas (Foto Tomada en Junio 2005)
El Bio Reactor desulfurizador debe permanecer con la aireación constante 7
días con un control diario de temperatura y pH.
Pasados los 7 días, el caucho se lava con agua aireada hasta obtener un pH de
7 y se dispone a secarse a temperatura ambiente.
4.4 Tercera Etapa: Ensayos de vulcanización del caucho tratado en el bioreactor y
sus características:
La gran necesidad de los ensayos de control dentro de la fabricación de un
artículo de caucho se debe principalmente a la existencia de un control de
calidad de materias primas que recibe. Aunque esto se puede realizar por
medio de análisis químicos y determinación directa de sus características
físicas, como la granulometría, punto de fusión o morfología, los ensayos por
medio de una mezcla patrón requieren menos equipos y pondrán a manifiesto
cualquier eventualidad del material. (Royo.J, 1989). Los ensayos de control
ayudan a desarrollar las formulaciones, ya sea por el empleo de nuevos
materiales o por una diferente combinación de los ya utilizados, con el objetivo
de obtener mejores características técnicas, económicas y para cumplir un
pedido con ciertas especificaciones. También ayudan a controlar su propia
producción en sus distintas etapas, para detectar cualquier anomalía con la
mayor anterioridad posible y evitar así el gasto de materiales y mano de obra
en artículos finales defectuosos.
El objetivo de realizar estos tipos de ensayos en este proyecto, es de comparar
por medio de ellos, los resultados obtenidos del caucho que se tratará por
medio de un Bioreactor desulfurizante con un caucho regenerado. Para
efectuar los ensayos se contará con el laboratorio de ensayos de la Fábrica de
Producción de artículos de caucho Eterna S.A.
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Los ensayos de vulcanización que se describirán a continuación son para
materiales de mezclas vulcanizadas.
4.4.1 Ensayo de Determinación de dureza
La dureza es la característica que indica la rigidez del caucho frente a
esfuerzos moderados, como los que frecuentemente ha de soportar en
servicio. Es la característica que se indica con mayor frecuencia. El
método mas popular de medida de dureza del caucho es el de Shore A,
basado en la penetración de una punta troncocónica en contra de la
reacción de un resorte metálico. Cuando se obtienen lecturas superiores
a 90,se recomienda el empleo del durómetro Shore D, que dispone de
una punta cónica y de un resorte mas rígido. Por su simplicidad la
dureza Shore es muy utilizada como control de producción. (Royo.J,
1989) También existe otro tipo de medición de dureza que se denomina
IRHD (International Rubber Hardness Negrees), Grados
Internacionales de Dureza del Caucho, el cual da un valor de dureza
expresada en una escala de 0 – 100, que coincidente con la escala Shore
A..Esta escala se recomienda para clasificación o para establecer
especificaciones por su mayor exactitud.
Para determinar la dureza, se debe colocar la punta troncocónica de
acero del equipo perpendicular a la superficie de la mezcla que se
quiere medir.Las características dimensionales de la punta se
describen en la figura 40.
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Figura 40. Dimensiones de la punta del durómetro Shore A
(Fuente: Royo, J.1989)
El durómetro Shore A, debe estar fijo a un soporte y la fuerza aplicada
debe ser siempre de 1 kg-f. En la medición de esta propiedad se debe
tener en cuenta el espesor de la muestra que de debe ser mínimo 6mm.
La punta indentora debe estar entre 7 y 10mm del pie de presión del
durómetro.
En el Laboratorio de Eterna S.A., el ensayo de dureza que se lleva a
cabo es de la siguiente manera:
• La probeta o muestra de caucho vulcanizada y troquelada, se
ubica en la parte inferior del durómetro, asegurándose que se
encuentre perpendicular a la punta troncocónica del equipo
• Aplica la fuerza de penetración sobre varios puntos de la
superficie de las probetas en serie y se lee a los 3 segundos. Los
resultados obtenidos se promedian para expresar el resultado
final.
• Registrar el resultado obtenido, en el formato Análisis
Reométrico.
• Analizar el resultado obtenido y realizar las observaciones
correspondientes.
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4.4.2 Ensayo de Reometría
Este ensayo sirve para controlar las mezclas acabadas, es decir, para
evaluar si se ha llevado a cabo correctamente el proceso con las
especificaciones dadas. En estos ensayos se suele medir viscosidad o
plasticidad y su comportamiento frente a la pre vulcanización y/o
durante la vulcanización. (Royo.J, 1989). Para poder entender en que
consiste este ensayo se presenta algunas definiciones. (Instructivo de
Ensayos para cauchos del Laboratorio de Eterna S.A., 2005)
• REOLOGIA: Rama de la Física que se ocupa de las relaciones
entre el flujo y la deformación de la materia.
• REOMETRÍA: Evaluación del comportamiento reológico de un
compuesto durante la vulcanización, cuando se mantiene en una
cámara regulada a temperatura y presión constante, y se somete
a esfuerzos de cizallamiento (cortadura de metal) alternantes de
poca amplitud según un ciclo sinusoidal (en forma de una curva
que representa las variaciones del seno al variar el arco); se
determina la resistencia ofrecida por ésta frente a tales esfuerzos
y su variación con respecto al tiempo de calentamiento. El
registro del torque resistente en función del tiempo de
calentamiento a la temperatura elegida, es conocido como
reograma o carta reométrica.
• MH: Se define como el torque máximo de la mezcla de caucho
evaluada, sus unidades son dadas en Lb/ in.
• TC90: Es el tiempo en alcanzar el 90% de la reticulación final, se
designa como t90 y se le considera generalmente como el tiempo
óptimo de vulcanización a la temperatura de ensayo.
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• TC50: Es el tiempo en el cual la mezcla en evaluación ha
vulcanizado un 50%.
• TS1: Es el tiempo de inicio de la reacción de vulcanización y
corresponde con el tiempo en que se logra un aumento del torque
mínimo (ML) en una (1) unidad.
• ML: Se define como el torque mínimo del compuesto evaluado,
sus unidades son dadas en lb/in.
• PLATEU: (Apellido Francés que corresponde a la persona que lo
estableció). Se refiere al periodo de tiempo transcurrido en el
que la curva conserva el valor del torque máximo (MH).
• M: Torque obtenido en el período de tiempo máximo en donde no
se manifiesta el efecto plateau.
• VELOCIDAD DE VULCANIZACIÓN: Relacionado con la rapidez
de ocurrencia de la vulcanización. En el reograma se manifiesta
por la mayor o menor velocidad del crecimiento del torque en la
parte ascendente de la curva.
• PRECOCIDAD: Es la tendencia de las mezclas a vulcanizar
antes del momento deseado. En el registro de la reometría viene
dada por la extensión del tramo de la curva desde que se alcanza
la ordenada mínima hasta que comienza a ascender,
frecuentemente se denomina “periodo de inducción”.
• REVERSIÓN: Cuando al prolongar el tiempo de calentamiento
se pone de manifiesto una tendencia descendente de la curva, se
produce una reversión, esto es, la pérdida de las características
mecánicas del vulcanizado.
En el Laboratorio de Eterna S.A., el ensayo de reometría se lleva a cabo
por medio de un reómetro que esta conectado a un computador, como se
observa en la Figura 41, el cual arroja un reograma por prueba.
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Figura 41. Reómetro del Laboratorio de Eterna S.A.
(Foto tomada en Eterna S.A.)
Los reogramas de las mezclas de caucho que se elaboran en Eterna S.A. se
registran bajo las siguientes condiciones experimentales: Temperatura 170 ±
1 ºC en los dos platos que conforman el equipo. Amplitud de torque 1º.
Con el dato de TC90 obtenido de la carta reométrica, se establece el tiempo
necesario para vulcanizar la probeta de compuesto que se utilizará para
medir las propiedades físicas como Tensión, Elongación, Abrasión, Dureza,
Densidad, etc. La vulcanización de la probeta se lleva a cabo en la prensa del
Laboratorio, la cual se encuentra a una temperatura de 170 ± 2 ºC.
El procedimiento de los ensayos de reometría se realiza de la siguiente
manera:
• Reciben a muestra de compuesto de caucho a evaluar y se marca
debidamente.
• Cortan aproximadamente 10 gr. de la mezcla de caucho a evaluar.
• Verifica que el plato superior e inferior del reómetro se encuentren en
buen estado de limpieza, que el rotor esté asegurado y en
funcionamiento.
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• Una vez verificada la temperatura de operación, abre los platos y coloca
la muestra sobre el plato inferior, cierra nuevamente el equipo y
permite que se registre la carta
• Cuando finalice el registro de la reometría, de acuerdo con el tiempo
característico para cada mezcla, imprime los resultados.
La curva de la carta reométrica arrojada por el computador es de la
siguiente forma:
Figura 42.Ejemplo de una carta geométrica. (Fuente: Eterna S.A., 2005)
4.4.3 Ensayo de Propiedades físicas:
El ensayo de las propiedades físicas se trata de someter la mezcla de
caucho a una fuerte fuerza hasta obtener la ruptura. Todas las mezclas
de caucho semielaboradas de las secciones de moldextruidos, productos
terminados de la sección látex, y todos los cauchos utilizados como
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materia prima, requieren de la determinación de la Resistencia a la
Tensión, Elongación a la ruptura y el Desgarre Para poder entender
cada una de estas propiedades físicas se presentan algunas
definiciones.
• RESISTENCIA A LA TENSIÓN: Se define como la fuerza por
unidad de área de la sección transversal, necesaria para romper
por estiramiento una probeta o muestra de mezcla de caucho, de
características establecidas normativamente y que corresponde
al material que se esta evaluando. Se mide en decaNewton
(daN/cm2).
• ELONGACIÓN: Es el incremento de longitud por unidad de
longitud inicial expresado como % sufrido por el material que se
evalúa en el punto de ruptura.
• RESISTENCIA AL DESGARRE: Es la fuerza por unidad de
espesor necesaria para propagar un corte o muesca en la
dirección normal a la aplicación de la fuerza; se mide en
decaNewton (daN/cm).
En el Laboratorio de Eterna S.A., el ensayo de las propiedades físicas
se lleva a cabo por medio de un tensiómetro digital el cual arroja la
elongación y los datos necesarios para llevar a cabo los cálculos de
resistencia a la tensión y resistencia al corte, en una pantalla como se
observa en la Figura 43.
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Figura 43. Tensiómetro Digital del Laboratorio de Eterna S.A.
(Foto tomada en Eterna S.A. Junio 2005) El procedimiento del ensayo de las propiedades físicas de una mezcla de
caucho se realiza de la siguiente manera:
• Recibir la muestra de la mezcla de caucho, proveniente de la sección de
Moldextruidos, se realiza la curva reométrica y determinar el tiempo de
vulcanización
• Procesar el compuesto en el molino de laboratorio para obtener una
lámina teniendo en cuenta el sentido de orientación longitudinal de las
moléculas que producen los rodillos por acción mecánica. Se marca con
una flecha el sentido longitudinal y se toma mínimo 70gr. de muestra,
y la vulcaniza en el molde correspondiente.
• Se coloca la muestra de caucho ya vulcanizada sobre una superficie de
polipropileno en buen estado y sobre ella colocar los troqueles para
tensión - elongación, y desgarre, troquelando en el sentido de
orientación del compuesto, colocar este conjunto en el plato inferior de
la prensa que se comprime lentamente hasta asegurarse de haber
troquelado; después se descomprime la prensa y se retira las probetas
Pantalla
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• Proceder a leer las propiedades físicas en el tensiómetro, teniendo en
cuenta el espesor de cada probeta, el cual se mide con el calibrador de
carátula.
• Habiéndose cerciorado de las condiciones de ensayo, fija las probetas en
las mordazas del equipo, y dar el arranque.
• Con los datos y resultados parciales de ancho del troquel, espesor de la probeta y fuerza, se determina la resistencia a la tensión utilizando la siguiente expresión:
R. Tensión = F (daN) A T * E (cm2) Donde: F: Fuerza requerida para la ruptura del material expresada en deca-
Newton (daN). A T :Ancho del troquel utilizado en el corte de la probeta en cm. E: Espesor de la probeta en cm
• Para determinar la resistencia al desgarre, usa los datos de fuerza obtenido con la probeta angular y el espesor de la misma, y aplicar la siguiente expresión:
R. Desgarre = F (daN) E (cm) Donde: F: Fuerza requerida para la ruptura del material expresada en deca-
Newton (daN). E: Espesor de la probeta en cm.
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4.4.4 Matriz Experimental
Después de haber realizado el proceso de Bio Desulfurización por medio
de los microorganismos Acidothiobacillus Ferrooxidans, se querrá
observar que propiedades posee el caucho tratado. Para ello se
realizará una matriz experimental, en la cual se evaluará el caucho
tratado con respecto a un patrón estandarizado por Eterna S.A y con un
caucho recuperado. La matriz constaría de las siguientes variables.
Tabla 5. Matriz experimental a desarrollar para evaluar características y propiedades del caucho biodesulfurado
ENSAYO DE REOMETRÍA PROPIEDADES FÍSICAS
MEZCLA DE CAUCHO ML
(Lb/in) TS
TC 50
TC90 MH
(Lb/in)
DUREZA RESISTENCIA A LA TENSION
ELONGACION RESISTENCIA AL
DESGARRE
PATRÓN
CAUCHO TRATADO
CAUCHO REGENERADO
La elaboración de la mezcla del caucho patrón esta estandarizado por la ASTM D-
3184, la cual se presenta en la Tabla 6.
Tabla 6. Caucho Patrón Estandarizado por ASTM (Tomado de Eterna S.A. 2005)
Caucho Natural
Estandarizado PHR
Caucho Natural 100 Oxido de Zinc 6
Azufre 3,5 Ayuda del Proceso
(Sterato) 0,5 Acelerante (MBT) 0,5
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Capítulo 5. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
En este capítulo se va a exponer y a la vez se irán analizando los resultados
obtenidos del proceso de Bio Desulfurización del caucho, respecto a las hipótesis y
tareas específicas planteadas en el capítulo 2.
5.1 Resultados y análisis de resultados obtenidos en el montaje del Bioreactor
aerobio desulfurizador del caucho
5.1.2 Acerca del caucho procesado:
El material de caucho procesado constaba de, 70% de desperdicio de caucho
producido por la lijadora y el 30% de caucho molido de la producción
imperfecta de empaques de carrocería. Al cabo de los siete días del proceso, el
caucho molido nunca se logró mezclar completamente en el bioreactor; el
polvo de la lijadora lo recubrió y permaneció aglomerado en la superficie,
como se puede observar en la figura 44.
Figura 44. Caucho molido al cabo de los 7 días del proceso de Bio Desulfurización (Foto Tomada en el Laboratorio de Ingenieria Ambiental CIIA, Junio 2005)
Aglomerados de Caucho
molido
Aglomerados de Caucho
molido
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El caucho molido, era un caucho esponjoso lo cual no permitió que se mezclara
en el bio reactor y permaneciera siempre en la superficie. Además, el
diámetro del caucho producido por la lijadora era de 50 micras, mientras que
el diámetro del caucho molido era de 200 micras. Este último supera el
diámetro recomendado por el proceso de “Rubbercycle” (menor de 74 micras)
Vale la pena resaltar, que este tipo de caucho, que sale como desperdicio de
imperfecciones de los empaques para carrocería y la merma de los diferentes
tipos de materiales, fueron pasados por el molino varias veces sin obtener el
tamaño deseado.
5.1.2 Acerca del Bioreactor aerobio desulfurizador de caucho:
En el momento de iniciar el Medio de activador para los microorganismos
Acidothiobacillus Ferrooxidans en el bioreactor no presentó mayor problema
en el monitoreo de pH., durante las primeras 24 horas, siempre mantuvo un
pH de 2.31, el cual es apto para la sobrevivencia de los microorganismos.
También se registró una temperatura 45.3ºC., un poco alta pero era apta para
los microorganismos. En seguida de las 24 horas, se introdujo al reactor los
500 gr. de caucho a procesar, el pH registrado fue de 2.21, y la temperatura
fue de 17ºC, los parámetros se bajaron, especialmente el de la temperatura.
En esos momentos se corría el riesgo de estar eliminado a los
microorganismos bio desulfurizadores. Inmediatamente se logró subir la
temperatura, introduciendo el reactor en un horno, como se observa en la
figura 45, hasta obtener la temperatura deseada de 35ºC.
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Figura 45. Bioreactor alcanzando la temperatura deseada (Foto Tomada en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental CIIA, Junio 2005)
Para seguir manteniendo esa temperatura constante se utilizó una faja
térmica alrededor del bioreactor para mantener los 35ºC durante los 7 días
siguientes.
Figura 46. Bioreactor con la faja térmica para mantener la temperatura constante. (Foto Tomada en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental CIIA, Junio 2005)
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Una vez ya se logró mantener el bioreactor con el pH adecuado y la
temperatura adecuada, diariamente, por siete días se midieron estos
parámetros para mantener el control del medio de los microorganismos. La
Tabla 7 muestra el comportamiento del pH y temperatura en el bioreactor.
Tabla 7. Control de pH y Temperatura durante el proceso de Bio Desulfurización el cuaucho en el reactor aireado
Día pH Temperatura
ºC
1 2,25 35,3 2 2,58 36,7 3 2,63 34,1 4 2,65 35,2 5 2,7 35,7 6 2,7 35
7 2,95 35,6
El parámetro de pH, aunque día a día ascendía, siempre se mantuvo en el
rango óptimo para los microorganismos. Durante el proceso, el pH nunca
registró cambios inesperados que conllevaran a agregar una base o un ácido
para poder estabilizarlo. Por otro lado la temperatura requirió de bastante
cuidado, ya que no se contaba con los medios, por ejemplo una incubadora,
para poder realizar el montaje a tan altas temperaturas y que fuera
simultáneamente aireado. Como se pudo apreciar en las fotos, el bioreactor
era en acrílico, el cual no resistía el calor de un horno por un tiempo
prolongado. Fue por esta razón que se usó la faja térmica. Finalmente se logró
controlar exitosamente este parámetro,
La aireación del bioreactor fue esencial para el proceso de Bio
desulfurización, ya que día a día el caucho polvillo se logró ir mezclando con el
medio activador.
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A partir del cuarto día de haberse iniciado el proceso, se notó un cambió con el
caucho en el bioreactor. Empezaron a aparecer unos “flocs” o aglomerados
dentro del medio acuoso, como se puede observar en las Figuras 47, 48,49, y
50. Primero se ven varios pequeños flocs y con el tiempo se van haciendo más
grandes.
Figura 47. Proceso de aglomeración en el día 4 (Foto Tomada en el Laboratorio de Ingenieria Ambiental CIIA, Junio 2005)
Figura 48. Proceso de aglomeración en el día 5 (Foto Tomada en el Laboratorio de Ingenieria Ambiental CIIA, Junio 2005)
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Figura 49. Proceso de aglomeración en el día 6 (Foto Tomada en el Laboratorio de Ingenieria Ambiental CIIA, Junio 2005)
Figura 50. Proceso de aglomeración en el día 7 (Foto Tomada en el Laboratorio de Ingenieria Ambiental CIIA, Junio 2005)
Por medio de estos resultados, se pudo observar que los desperdicios de
caucho estaban sufriendo algún cambio en del bioreactor.
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5.1.3 Acerca del caucho bio desulfurizado:
Al cabo de los siete días, se procedió a finalizar el montaje del bioreactor. Sé
agregó agua aireada al bioreactor hasta alcanzar un pH de 7 y así neutralizar
el caucho tratado. En este procedimiento se puedo apreciar al tacto, que los
“flocs” o aglomerados, tenían una textura bastante elástica y suave.
Después se llevó a cabo el proceso de filtración. Este proceso se desarrolló por
medio de la filtración al vacío. De los 500 gr. de desecho de caucho agregados
al bioreactor, tan solo se pudo recuperar 7.4740 gr. del caucho que realmente
tuvo contacto con el medio bio desulfurizador. Es decir, no se tomó en cuenta
el caucho molido que durante el proceso permaneció flotando en el medio (no
tuvo contacto), desde esta perspectiva ya se descuenta de los 500gr, 150 gr.
(ya que el 30% de los 500 gr. era caucho molido). Se tendría 350 gr. para
recuperar, pero el caucho molido se recubrió del polvillo del caucho. Por lo
tanto, se estimó que aproximadamente 80 gr. del polvillo de caucho
permaneció adherido al caucho molido el cual no se pudo recuperar. Entonces,
se estimaba recuperar por medio de la filtración un peso 270 gr. de caucho
tratado. Pero la gran pérdida se generó en el momento de filtración al vacío,
ya que una parte se volatilizó y el papel de filtro usado en el laboratorio no
alcanzaba a retener todo el caucho La filtración fue bastante dispendiosa, ya
que duró 4 horas, por la baja capacidad del filtro que se obtuvo en el
laboratorio. En resumen, existió una perdida de 262.53 gr. en el proceso de
filtración, lo cual dificultó el los resultados siguientes a evaluar.
Luego de obtener el poco volumen de caucho, se dejó a temperatura ambiente
por un perido de 24 horas para que se secara como se puede observar el la
figura 51, concluyendo así el montaje del proceso de la biodegradación del
caucho en el laboratorio.
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Figura 51. Caucho tratado por el bioreactor desulfurizador
(Foto Tomada en el Laboratorio de Ingenieria Ambiental CIIA, Junio 2005)
Con los 7.47 gr. de caucho tratado, se dispuso a realizar los ensayos de
reometría, dureza, y propiedades físicas en el laboratorio de ensayos de
Eterna S.A.
5.2. Resultados y análisis de resultados obtenidos en los ensayos de
vulcanización
Con el poco material de caucho tratado, solamente se pudo realizar dos
ensayos: de reometría y dureza. Para el ensayo de reometría, se debe
contar con un mínimo de 15 gr. de mezcla de caucho. Esa misma
muestra se pudo usar para el ensayo de la dureza, pero no alcanzó para
el ensayo de las propiedades físicas, ya que como se había anunciado
antes, se necesita un mínimo de 70 gr. de mezcla de caucho como
muestra.
Se realizaron las mezclas de los diferentes tipos de caucho a evaluar. Se
utilizó 1kg. de mezcla para el caucho natural, el cual sirvió como
patrón, de acuerdo con las proporciones que indica ASTM D-3184.
Se tomaron los 7 gr. de caucho tratado en el bioreactor y se realizó la
mezcla en una proporción de 46% de caucho tratado con el fin de rendir
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la muestra y que ésta alcanzara para las pruebas de dureza y
reométricas en caucho natural. Se obtuvo un mezcla final de 35gr.para
realizar solamente los ensayos de reometría y dureza. El mismo
procedimiento se realizó para el caucho recuperado. El caucho
recuperado que se analizó, es el polvillo de la lijadora.
Las proporciones de la mezcla de caucho tratado y del caucho
recuperado se presenta en la Tabla 8
Tabla 8. Cantidades de la Mezcla para caucho tratado y recuperado, según proporciones de ASTM D-3184
Caucho Tratado o
Recuperado gr.
Caucho Tratado o Recuperado 7
Caucho Natural 7 Oxido de Zinc 0.7
Azufre 0.35 Ayuda del Proceso
(Sterato) 0.42
Acelerante (MBT) 0.09
Los resultados de los ensayos de reometría y dureza se presentan a
continuación en la Tabla matriz experimental (Ver Anexos A, B,C)
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Tabla 9. Resultados de la matriz experimental
ENSAYO DE REOMETRÍA PROPIEDADES FÍSICAS MEZCLA DE
CAUCHO ML (lb./in)
TS! (seg.)
TC 50
(seg.)
TC90 (seg.)
MH (seg.)
DUREZA (Shore A)
RESISTENCIA A LA
TENSION ELONGACION
RESISTENCIA AL
DESGARRE
PATRÓN 4,22 36 93 200 39,3 40 * * *
CAUCHO TRATADO 2,46 52 97 158 22,99 37
* * *
CAUCHO REGENERADO 2,23 32 79 148 57,36 52
* * *
5.2.1 Acerca de la Dureza
El valor de la dureza del caucho tratado, es mas cercano al valor del
caucho patrón que al caucho recuperado. Eso quiere decir, que el
caucho regenerado perdió rigidez en el proceso de Bio Desulfurización.
5.2.2 Acerca del Ensayo de Reometría:
ML: El mínimo torque del compuesto evaluado del caucho tratado es
2.46 lb./in, valor muy similar al del caucho regenerado de 2.23 lb./in.
Ese valor quiere decir que para que se realice una mezcla perfecta, el
caucho tratado y el regenerado deben pasar muchas más veces por el
proceso de mezclado que el caucho patrón, que tiene un mínimo torque
de 4.22 lb./in.
TS1: Para el caucho tratado, el tiempo de dar inicio a una reacción de
vulcanización (en las condiciones de presión y temperatura del
reómetro) es mucho más demorado, 52 segundos, que el del caucho
patrón y el regenerado, con tiempos de 36 y 32 segundos
respectivamente. Esto indica más tiempo en la máquina para
vulcanizar, lo que implica un mayor costo en energía y tiempo.
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TC50: El caucho tratado se demora en alcanzar el 50% de la
vulcanización 97 segundos (en las condiciones de presión y temperatura
del reómetro), valor parecido al caucho patrón de 93 segundos.
Mientras que el caucho regenerado alcanza el 50% de vulcanización en
79 segundos Esto también indica que se necesita más tiempo en la
máquina para vulcanizar, con respecto al caucho regenerado, y eso
implica un mayor costo en energía y tiempo.
TC90: El caucho tratado se demora 158 segundos en alcanzar la
vulcanización completa (en las condiciones de presión y temperatura
del reómetro), valor más cercano al tiempo de vulcanización completa
del caucho regenerado de 148 segundos. El caucho patrón alcanzaría su
vulcanización completa en 200 segundos, valor bastante alejado al del
caucho tratado. Lo que indica que puede ser mas barato trabajar con
un caucho tratado o regenerado, en cuanto este aspecto, epecíficamente.
MH: El caucho tratado tiene el mínimo valor de torque máximo de la
mezcla, 22.99 Lb. /in. con respecto al caucho patrón, 39.9 Lb. /in y
caucho regenerado 57.36 Lb. /in. Esto quiere decir que con ese valor, el
mínimo de los tres, alcanza a obtener una ruptura más rápida en el
proceso de mezclado, lo que no es aconsejable.
Plateu: En el caucho tratado, el tiempo que transcurre la curva en su
máximo torque, es muy prolongado y constante al igual que el caucho
regenerado. Es una muy buena propiedad ya que no se va a presentar
reversión en la vulcanización, a diferencia del caucho patrón, el cual
tiene un tiempo que va decreciendo, lo que indica que va a existir
reversión y que la mezcla estaría susceptible a perderse.
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Velocidad de vulcanización: Se presenta una gran similitud en el
comportamiento lento de velocidad de vulcanización del caucho tratado
y el caucho patrón. Comparándose con el caucho regenerado, como este
no ha tenido ningún tratamiento de reducción de azufre, posee una
mayor velocidad por su contenido de azufre.
.
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74
Capitulo 6. ANÁLISIS DE COSTOS
En este capítulo, se va a realizar la comparación económica entre la
implementación del Proceso de Bio Desulfurización y el proceso de
regeneración existente, en Eterna S.A.
En Eterna S.A. se produce 1 tonelada de desecho de caucho por mes. De esa
tonelada el 30 % entra al proceso de regeneración y el 70% se destruye (se
corta en pedazos) y se introduce en bolsas para que el camión de la basura las
recoja y las disponga en el relleno de Doña Juana.
El kilo promedio de mezcla de caucho es de $4.000 pesos, por lo tanto Eterna
S.A. está perdiendo $ 2’800.000 pesos al mes (700 kilos/mes * $4000 pesos)
enviando ese 70% de desechos al Relleno Sanitario. Esos desechos, son
generados por los productos imperfectos compuestos de EPDM y nitrilos., los
cuales no pueden ser incorporados al proceso de regeneración ya que es
imposible triturarlos por medios mecánicos existentes en la fábrica. Por el
anterior motivo, este tipo de desechos tampoco aplica a participar en el
proceso de Bio Desulfurización. Es necesario que el caucho a tratar en este
proceso, esté triturado o molido para poder obtener buenos resultados.
A continuación se presenta una tabla comparativa, según el tipo de desecho
de caucho producido por Eterna S.A. con respecto al proceso de Bio
Desulfurización y Regenerado
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Tabla 10 Cuadro Comparativo de Costos según el tipo de proceso y el tipo de desecho de caucho a evaluar.
* Cada semana tiene 6 días laborales.
� Información brindada por Héctor Carvajal, 2005.
� Cada mes tiene 25 días.
En la Tabla 10 se puede observar que el único tipo de desecho de caucho
producido por Eterna S.A que puede participar en el proceso de Bio
Desulfurización es el del caucho generado por la lijadora. Comparando los
Desechos de caucho producidos por Eterna S.A
Producto de Caucho Defectuoso
Tipo de proceso Parámetros Material de fácil masticación por el
molino ( 30 Kg. semana* )
Material de difícil masticación por el molino, EPDM y
Nitrilos (30 Kg. semana*)
Merma (60 kg. semana*) Polvo de la Máquina Lijadora
(120 kg. semana*)
mano de obra
energía y aireación
desechos recogidos
350 pesos el Kilogramo � Costos del
Proceso de Bio Desulfurizador Según Tipo de
Desecho de caucho medio de
cultivo
No entra en el proceso de Bio Desulfurización,
ya que este tipo de caucho no entra en
contacto con el medio de los microorganismos
No entra en el proceso de Bio
Desulfurización, ya que este tipo de
caucho no se deja moler
No entra en el proceso de Bio Desulfurización, ya
que este tipo de caucho no entra en contacto con el
medio de los microorganismos
100,000 pesos el Kilogramo
TOTAL - - - $ 2' 000,875 por mes �
Costos del Proceso de Recuperado
Según Tipo de Desecho de
caucho
Incluye todos los aspecto de mano de obra
y costos energéticos
$ 50 pesos el kilo de recuperado �
No entra en el proceso de
Recuperación, ya que no se puede moler
con algún mecanismo existente en la fábrica Eterna
S.A
$ 50 pesos el kilo de recuperado �
$ 50 pesos el kilo de recuperado �
TOTAL $ 6,000 por mes � - $ 12,500 por mes � $25,000 por mes �
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costos de este tipo de desecho asociados a los dos procesos, se observa que es
mucho mas económico el regenerado.
Capítulo 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 El proceso de Bio Desulfurización
El proceso de Bio Desulfurización requiere de un medio bastante ácido (2.5) y
una temperatura bastante elevada (35ºC). Para poder llevar a cabo este
proceso se debe contar con químicos peligrosos como el ácido sulfúrico, y una
incubadora para poder mantener la alta temperatura.
El caucho de polvillo de Eterna S.A., presentó cambios de consistencia
durante el proceso de Bio Desulfurización, y se pudo observar en la
acumulación de flocs presentados en los últimos tres días del proceso.
Un procedimiento esencial en el proceso de Bio Desulfurización, es la
filtración. Por no contar con los recursos suficientes en el laboratorio, en la
etapa experimental, se perdió más del 98% del material en peso, lo cual
dificultó los ensayos de vulcanización.
Los resultados de los ensayos de vulcanización, realizados para el caucho
tratado por el proceso de Bio Desulfurización, (dureza y reométricos)
presentan valores similares al caucho natural patrón, lo que quiere decir, que
el proceso convirtió al polvillo de una lámina en un caucho con características
similares de un caucho natural.
7.2 El proceso de Bio Desulfurización aplicado a la Fábrica de Producción de
Artículos de Caucho Eterna S.A.
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77
Es esencial encontrar el tipo de desecho adecuado para aplicar el proceso de
Bio Desulfurización. En Eterna S.A., solo se pudo encontrar un tipo de
desecho de caucho, el polvillo que se genera como desperdicio de la máquina
lijadora de láminas, al cual se le puede aplicar este proceso biológico, ya que
es el único desecho que tiene un diámetro menor de 74 micras, como lo
recomendó R. Romine.1998. El caucho molido, al ser esponjoso nunca pudo
entrar en contacto con el medio desulfurizador, y se quedo en la superficie,
“robándose” parte de volumen del polvillo.
Eterna S.A., no cuenta con un mecanismo para pulverizar los desperdicios,
para que de esa manera, se puedan tratar todos los desechos de caucho
generados por la fábrica por el proceso de Bio Desulfurización
Eterna S.A. genera como desperdicios, productos imperfectos de caucho de
EPDM y nitrilos, los cuales son los únicos que representan un impacto
ambiental, ya que son los únicos que se disponen en el relleno sanitario. El
proceso de Bio Desulfurización no es un proceso que contribuya a minimizar
ese impacto.
Eterna S.A. cuenta con un proceso de recuperación o regeneración de material
de caucho desechado el cual es económico, no requiere de químicos, y de poca
energía.
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BIBLIOGRAFÍA
TCHOBANOGLOUS, George. Integrated Solid Waste Management..Singapore.MCGraw-Hilll, 1993. Capitulo 15. MORTON, Maurice. Rubber Technology. New York.,Van Nostrand Reinhold Company,1959. ROYO, Joaquín. Manual de Tecnología del Caucho. Barcelona. 1989. CHRISTIANSSON, Magdalena.”Biotechnological possibilities for waste tire rubber treatment”.BiodegradationNº 3.( 1998). Páginas 301-310.. CHRISTIANSSON, Magdalena.”Reduction of surface sulphur upon microbial devulcanization of rubber material”. Biotechnology letters Nº 7.( 1998). Páginas 137-142. ROMINE, Robert A.”Rubbercycle: a process of surface modification of waste tyre rubber” Polymer Degradation and Stability. Nº 3.( 1998). Páginas 353-358. MAHMOUD, K.K.”Detection of Acidithiobacillus ferrooxidans in acid mine drainage environments using fluorescent in situ hybridization”. Journal of Microbiological methods Nº 61.( 2005). Páginas 33-45. JOHNSON, D.B.”Selective solid media for isolating and enumerating acidophilic bacteria”. Journal of Microbiological methods Nº 23.( 1995). Páginas 205-218. Toda a información de Eterna S.A, fue brindada por el Señor Héctor Carvajal (Gerente técnico) por medio de varias entrevistas. Toda la información detallada para llevar a cabo el proceso de Bio Desulfurización en el laboratorio fue brindada por Robert Romine, quimico de PNNL, patente de “Rubbercycle”. La información fuñe brindada por correo electrónico.