prototipo para el registro de imÁgenes de … · utilizando n-hexano como solvente, por su elevada...

Revista NOOS Volumen 8 (2015) Pág. 1 – 12

Derechos Reservados

Facultad de Ciencias Exactas

Y Naturales

Revista NOOS, Vol. 8, No.1, Diciembre de 2015. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. ISSN 2346-2779

Simulación del Proceso de Extracción de Aceite de Naidí

Naidí Oil Extraction Process Simulation

Eithy Karina Caldas Zúñiga, Johana de la Paz Cortés Araújo, Luis Fernando Cortés Henao

Universidad Nacional de Colombia, GTA Procesos Químicos Catalíticos y Biotecnológicos, Manizales –

Colombia.

Article Info

Article history: Received:

Received in revised: 8 Diciembre 2015

Accepted: 15 Diciembre 2015

Available online: 17 Diciembre 2015

ABSTRACT: The extraction of oil naidí (also

called açaí, Euterpe oleracea) using experimental

data presented in a previous study was simulated.

The Aspen Plus simulation software included

material and energy balances of a plant with

capacity to process 500 kg per hour. Based on the

results of this study, involving processing costs, it

was concluded that the process is feasible both

technically and economically.

Keywords: Naidí, açai, Euterpe oleracea, extraction oil, process simulation.

RESUMEN:

Se simuló el proceso de extracción de aceite de naidí (también llamado açaí, Euterpe oleracea) utilizando

datos experimentales presentados en un estudio anterior. La simulación en el software Aspen Plus incluyó

balances de materia y energía de una planta con capacidad de procesar 500 kg por hora. Con base en los

resultados de este estudio, que involucran costos de proceso, se concluyó que el proceso es viable tanto técnica

como económicamente.

PALABRAS CLAVE: Naidí, açai, Euterpe oleracea, extracción de aceite, simulación de proceso.

Revista NOOS Edición 1 (2015) Pág. 2


1. Introducción

La simulación del proceso de extracción de aceite

de naidí a escala industrial, hasta donde los autores

tienen conocimiento, ha sido poco estudiada[1-6]. El

naidí o açaí (Euterpe oleracea), fruta nativa del

pacífico colombiano[4, 6], se utilizó con fines

experimentales y los resultados presentados en un

estudio anterior a éste[1] se introdujeron en el

software Aspen Plus[7].

2. Simulación

Para la separación de ácidos grasos y antioxidantes

se requiere una extracción líquido-líquido

utilizando n-hexano como solvente, por su elevada

selectividad frente a los ácidos grasos. En la

extracción de aceite y antoxidantes del naidí, se

plantearon las siguientes unidades:

1. Tanque de lavado: para eliminar impurezas

presentes en la fruta.

2. Cocción preparatoria: se introduce agua

caliente a 30 °C, para ablandar la pulpa de la

fruta. En esta etapa, la fruta alcanza un

porcentaje mayor de humedad y pierde una

cantidad de aceites y antioxidantes.

3. Despulpado: para la separación total de la

pepa de la fruta, que constituye un desecho del

proceso.

4. Filtro-prensa: en este equipo se separan los

líquidos de los sólidos. Los líquidos están

conformados por aceites, agua y antioxidantes.

5. Decantador: en este módulo se realiza la

extracción de los lípidos con n-hexano,

separándolos de la fase acuosa donde se

encuentran los antioxidantes.

6. Evaporador: se utiliza para separar n-hexano

de los aceites. La temperatura de trabajo en

esta unidad es más elevada que la de

evaporación de n-hexano puro.

7. Sistema de recirculación: El n-hexano que

sale del evaporador se envía a una unidad

donde se mezcla con n-hexano fresco. Esto se

hace con el fin de recuperar el solvente del

proceso.

El proceso que más se asemeja a la extracción con

solvente es la decantación, disponible en el

software ASPEN Plus para la simulación, que se

realizó bajo las siguientes suposiciones:

Proceso continuo, es decir, carga continua de

naidí puro.

El sifón de la extracción ocurre cada 20

minutos[1].

El solvente se alimenta a su temperatura de

ebullición.

Se alimentan 200 mL de solvente (capacidad

de una cámara Soxhlet).

El solvente sólo remueve los aceites (se

reagrupan los componentes de la pulpa de

naidí, de tal manera que las proteínas, fibra,

azúcares totales, cenizas y antocianina hacen

parte del grupo remanente[2]. (véase Tabla 1).



Tabla 1. Datos de entrada al programa ASPEN.

Característica Valor

Naidí (g) 70

Naidí seco (g) 27.8551

Temperatura de entrada del Naidí (°C) 20

Agua (g/min) 0.903105

Ácido oleico (g/min) 0.188965

Ácido linoleico (g/min) 0.047243

Remanente (g/min) 0.253442

Solvente (L/min) 0.01

Temperatura de entrada de solvente

(°C)

69 (n-

hexano), 77

(acetato de

etilo)

Temperatura de operación del

decantador (°C)

69 (n-

hexano), 77

(acetato de

etilo)

Presión de operación (atm) 1

Los balances de materia referidos al tipo de

solvente aparecen en las Tablas 2 y 3.

Tabla 2. Simulación para la extracción con n-

hexano.

Mass Flow

kg/sec

ACUO

SA

N-

HEXA

NO

NAI

DÍ

ORGÁNI

CA

WATER 1.50E-

05

0 1.51E

-05

3.30E-08

OLEIC-

01

2.43E-

12

0 3.15E

-06

3.15E-06

LINOL-

01

1.18E-

12

0 7.87E

-07

7.87E-07

REMANE

NT

0 0 0 0

N-HEX-

01

7.71E-

09

5.33E-

07

0 5.25E-07

Tabla 3. Simulación para la extracción con

acetato de etilo.

Mass

Flow

kg/sec

ACETA

TO

ACUO

SA

NAI

DÍ

ORGÁNI

CA

WATER 0 6.20E-

06

1.51

E-05

8.86E-06

OLEIC-01 0 0 3.15

E-06

3.15E-06

LINOL-01 0 0 7.87

E-07

7.87E-07

REMANE

NT

0 0 0 0

ETHYL-

01

0.000138

33

4.43E-

07

0 0.0001378

9

Para representar la separación de los antioxidantes,

se escogió el cianidin-3-rutinoside, el cual se

encuentra en un 87% a diferencia de un 13% del

cianidin-3-glucoside. De la proporción de los

ácidos fenólicos presentes en la fruta no se tiene

información. El cianidin-3-rutinoside permite

obtener una buena aproximación para simular los

antioxidantes extraídos.

Se efectuó un balance de ácidos grasos

correspondiente al aceite de oliva por su semejanza

con los del naidí. Los aceites presentes en mayor

cantidad son el omega 6 (linoléico) y el omega 9

(oleico), con un porcentaje del 20% frente a un 80%

respectivamente[5].

ASPEN Plus no cuenta con unidades de cocción,

despulpado y filtro prensa, por lo tanto se

estableció una unidad llamada ICON 1, utilizada en

el programa como un separador convencional. El

diagrama de flujo se muestra en la Figura 1 y los

balances de materia según corrientes de proceso se

muestran en la Tabla 4.



Figura 1. Diagrama inicial de la extracción en

ASPEN Plus.

Tabla 4. Resultados generales de la simulación

en ASPEN Plus.

Corrientes de proceso

Mas

s

Flo

w

kg/h

r

1 2 3 4 5 6 7

N-

HE

X-

01

0 0 0 0 0 0 0

WA

TE

R

66.7

599

5

158.

595

3

108

2.36

9

117

4.20

5

158.

595

3

0 158.

595

3

LIN

OL-

01

28.4

099

8

28.1

258

8

0.28

41

0 28.1

258

8

0 28.1

258

8

OL

EIC

-01

35.2

454

7

34.8

930

2

0.35

245

5

0 34.8

930

2

0 34.8

930

2

DIG

LY-

01

331.

185

2

331.

185

2

0 0 0 331.

185

2

0

CY

ANI

0.05

538

5

0.05

261

7

0.00

276

8

0 0.05

261

7

0 0.05

261

7

BA

GA

ZO

38.3

439

7

38.3

439

7

0 0 38.3

439

7

0 0

Corrientes de proceso

Mas

s

Flo

w

kg/h

r

8 10 Ace

ites

Fas

e

acu

osa

Sol

v

fres

co

n-

hex

ano

Fase

orgá

nica

N-

HE

X-

01

0 144

23.3

26.6

981

7

0.00

703

6

27.2

155

4

144

50.0

1

1445

0

WA

TE

R

0 5.65

268

0.00

290

2

158.

592

2

0 5.65

252

6

5.65

5581

6

LIN

OL-

01

0 0.00

989

1

26.6

161

2

1.50

975

8

0 0.00

989

1

26.6

2601

3

OL

EIC

-01

0 0.01

498

8

28.5

407

3

6.35

228

3

0 0.01

498

8

28.5

5571

9

DIG

LY-

01

0 0 0 0 0 0 0

CY

ANI

0 2.62

E-

17

0.00

862

1

0.04

399

6

0 2.62

E-

17

0.00

8621

1

BA

GA

ZO

38.3

439

7

0 0 0 0 0 0

2.1 Análisis de resultados de la simulación

Si bien la simulación no corresponde exactamente

a la extracción por el método Soxhlet, constituye



una herramienta que permite verificar la

interacción de los componentes de la fruta con

distintos solventes. Las cantidades del ácido oleico

y linoleico en la fase orgánica son semejantes. Sin

embargo, en cuanto a la afinidad de los solventes

con el agua, el acetato de etilo “arrastra” mayor

cantidad de agua que el n-hexano, lo que es

indeseable para el siguiente paso correspondiente a

la recuperación del solvente.

De acuerdo con la cantidad de ciclos (sifones) que

realice el sistema, puede hacerse un cálculo

preliminar de la cantidad de aceite que se puede

extraer. Según los estándares, se considera una

extracción sólido-líquido completa cuando se han

ejecutado 20 ciclos, aunque se asumió flujo

continuo, puesto que el proceso real es discontinuo.

El n-hexano es el solvente más utilizado en la

industria alimenticia para la extracción de ácidos

grasos esenciales[5]. Sin embargo, para obtener una

cantidad aceptable de aceites extraídos, fue

necesario utilizar una relación de alimento

solvente/aceite de 229.5:1. Este valor alto puede

deberse a que las propiedades del antioxidante

afectaron considerablemente el rendimiento de la

separación o también por las suposiciones que

permiten caracterizar aspectos representativos de la

materia prima y de las operaciones unitarias

utilizadas. Por esta razón se incluyó la recuperación

del solvente mediante una unidad de recirculación

mezclada con una cantidad mucho menor de

solvente fresco.

En las corrientes del decantador, a pesar de la poca

cantidad de antocianina que sale por la fase acuosa

con relación a la cantidad de aceites que quedaron

sin extraer, ésta representa una ganancia en el

proceso, de tal forma que se podría instalar una

unidad para aprovechar este producto, purificando

o reutilizando el antioxidante dentro del proceso;

para ello es preciso realizar estudios de rentabilidad

que permitan su recuperación.

En la simulación, al variar la temperatura, la

efectividad de la extracción cambia, así, a

temperaturas bajas el grado de separación de las

fases aumenta.

2.2 Estructura del proceso de extracción

industrial

La información de entrada se basa en:

Reacciones químicas. Este proceso involucra

únicamente transformaciones físicas.

Flujo de fruta a procesar. 500 kg/h.

Condiciones de operación. Todas las unidades

operan a 28.33 °C (83°F), a excepción del

evaporador el cual trabaja a 81.66 °C (179°F),

a presión atmosférica.

Producto deseado. Ácido oleico (aceite

vegetal).

Información física de los reactivos (véase

Tabla 5).

El n-hexano es un solvente adecuado para la

extracción de los aceites esenciales a

condiciones de equilibrio. (Véase Figura 2).



Tabla 5. Propiedades físicas de los componentes

puros.

Sustancia Punto de ebullición

a 1 atm (°C)

Agua 100

Ácido linoleico 229

Ácido oleico 359.9

n-hexano 68.85

Limitantes del proceso. La temperatura de

degradación del antioxidante (80°C).

La antocianina (antioxidante) es muy soluble en

agua, no se contemplará como producto deseado

del proceso, puesto que la cantidad que se obtiene

no justifica la inclusión de otra unidad de

separación.

Para el acondicionamiento de la fruta se debe tener

en cuenta el tiempo de residencia en el tanque de

calentamiento para facilitar la separación de la

pulpa.

Alternativas de proceso. Los residuos que se

obtienen son. corriente 5, contiene sólidos que se

utilizarán como abono orgánico y alimento para los

animales de la región y corriente acuosa, contiene

residuos líquidos. Como la antocianina no se

obtendrá como un producto principal, se considera

el montaje de una planta de tratamiento de aguas

para su posterior reutilización.

Para la comercialización del aceite se requiere un

tratamiento de purificación en donde se separen las

impurezas y se mejore su aspecto físico.

Figura 2. Equilibrio líquido-líquido en el

decantador.

2.3 Requerimientos energéticos

Se efectuó un análisis de todas las corrientes del

proceso y se identificaron los puntos en donde

había transferencia de calor. Los puntos

encontrados fueron.

Tanque de calentamiento.

Entrada del evaporador.

Salida del evaporador.

Se hizo una integración energética mediante

simulación en el programa HINT y en ASPEN, con

el fin de optimizar las necesidades energéticas y

hallar un delta de temperatura mínimo (delta T

mín.).

Se consideró la instalación de dos intercambiadores

de calor adicionales, los cuales proveen de energía

a las corrientes que se encuentran a la entrada del

tanque de calentamiento y a la entrada del

evaporador. (Véase Figura 3).



Figura 3. Diagrama modificado del proceso

extractivo.

Con base en las condiciones presentadas en la

figura anterior, se simuló el proceso en el programa

HINT, con un delta T mín. = 10K. El resumen de

resultados se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Evaluación energética y costos fijos del

proceso de extracción.

Mediante optimización se encontró el delta T mín.

óptimo del proceso extractivo y costos finales, que

se resumen en la Figura 5.

Figura 5. Resultados del programa ASPEN para

la extracción.

Se hizo un análisis en la sección de recirculacion

para la optimización del solvente. El sistema

requiere una corriente de purga para evitar

acumulación del disolvente, ubicada a la salida del

evaporador instantáneo, antes del intercambiador.

De esta forma, se logra reducir costos energéticos

debido a un menor flujo recirculado. Una vez

definida la ubicación de la purga, se optimizaron

tanto la corriente de purga como la de recirculación

al mezcldor y la de alimento fresco, en donde la

variable a optimizar corresponde al flujo de n-

hexano a recircular, sin que se afecte la separación



en el decantador. La simulación arrojó los

resultados mostrados en la Tabla 6.

Tabla 6. Optimización de la corriente de

recirculación.

corr 11 fresco aceite acuoso n-

hexano

orgáni

c

N-

HEX-

01

11553.

1366

2915.0

0997

8.7184

236

0.0069

8577

14468.

1462

14468.

1392

WAT

ER

4.5277

9299

0 0.0029

0516

157.46

044

4.5277

9251

5.6626

4639

LINO

L-01

0.0079

1877

0 26.626

2267

1.4976

7354

0.0079

1875

26.636

1251

OLEI

C-01

0.0120

114

0 28.581

8784

6.3081

3376

0.0120

1144

28.596

8927

DIGL

Y-01

0 0 0 0 0 0

CYA

NI

2.11E-

17

0 0.0086

8198

0.0439

347

2.11E-

17

0.0086

8198

VAG

AZO

0 0 0 0 0 0

Se aprecia una reducción en la cantidad de n-

hexano fresco sin que se afecte significativamente

la separación de los componentes principales. Se

hizo de nuevo la integracion energética del proceso

para hallar un delta T mín. óptimo, así como los

costos del proceso.

A continuación se presentan los esquemas finales

del proceso extractivo (véase Figura 6).

Figura 6. Esquemas finales de la simulación de

la extracción en ASPEN.



2.4 Análisis de las variables de diseño

La temperatura en el decantador. Se considera

que al disminuir, la separación entre los

componentes aumentará debido a que

disminuye la solubilidad entre ellos; esto

facilita la separación. Sin embargo, con gran

variación de temperatura, la cantidad de aceite

separado sólo aumentó en 1 kg/h, lo que no

justifica la inclusión de un intercambiador de

calor adicional.

Relación de recirculación. La recirculación de

solvente en el proceso es una variable de gran

importancia debido a que determina el grado

de separación de la mezcla. Con el aumento de

ésta, se espera obtener una mayor separación

de aceite, luego se debe encontrar un valor

óptimo de solvente recuperado para obtener la

mayor separación de aceites. (Véase Figura 7).

Figura 7. Optimización del solvente.

La función de optimización corresponde a

Separación de aceite = - 0.1844*R2 +

0.2531*R + 55.208

𝑑𝑦

𝑑𝑥= −0.3688 ∗ 𝑅 + 0.2531

𝑑2𝑦

𝑑𝑅2= −0.3688

Al aplicar el método de Newton, se obtiene

un punto de inflexión en una relación de

reciclo de 0.69. (Véase Tabla 7).

Tabla 7. Relación óptima de reciclo.

X f'(X) f''(X) X(k+1) %error

0.4 0.10558 -

0.36881

0.69 72.5

0.69 -1.38E-

03

-

0.36881

0.692 0.23

Con base en el criterio matemático de la

segunda derivada, se corrobora que el punto

0,692 corresponde a un máximo de la



función. Finalmente, se realizó un análisis de

costos del proceso, para determinar la

rentabilidad del mismo. Este análisis fue

realizado en ASPEN por medio de la

herramienta ASPEN Icarus y se resume en la

Tabla 8.

Tabla 8. Simulación económica mediante

ASPEN Icarus.

Costos (COP)

CAPT

(Total

Project

Cost)

Cost 2.32E+

11

Cost/mon

th

pesos/mon

th

RAWT

(Total

Raw

Materi

al

Cost)

Cost/peri

od

7.23E+

11

2.08E+14 5.21E+17

PROD

T

(Total

Produc

t Sales)

Cost/peri

od

1.39E+

12

4.01E+14 1.00E+18

La simulación involucra tanto costos de los equipos

como materia prima y producto, observándose que

la cantidad y precio de los productos soportan los

gastos y la inversión de planta[7].

3. Conclusiones

En cuanto a la simulación del proceso extractivo de

aceites y antioxidantes de naidí.

La temperatura de operación del decantador es

un factor determinante para la extracción.

Las pérdidas de materia prima del proceso se

redujeron mediante recirculación.

El proceso de extracción global es viable

técnicamente.

El análisis económico mostró la viabilidad del

proceso a escala industrial.

Agradecimientos

Los autores agradecen a J. E. Cardona, H. F.

Collazos, G. N. Meneses, N. F. Morales, por su

colaboración en el desarrollo de este estudio y a la

Universidad Nacional de Colombia sede Manizales

por su apoyo logístico.

4. Referencias

[1] Caldas Zúñiga, E. K., Cortés Araújo, J. P. y

Cortés Henao L. F. (2014). Extracción y

Caracterización de Aceite de Naidí. NOOS, 6, 13-

20.

[2] Rodríguez, L. I., Ramírez, L. H. (2013).

Potencial de recuperación de aceite a partir de

pulpa de açaí (Euterpe olerácea Mart.) producido

en el pacífico colombiano. Alimentos Hoy, 22(28),

40-53.

[3] Fito, P.J., Barat, J.M. y Fito, P. (2011).

Simulación del proceso de extracción líquido-

líquido parcialmente miscible. Desarrollo de

herramientas de cálculo en ingeniería de alimentos.

Universidad Politécnica de Valencia, recuperado

el 2 de octubre de 2015 en

http.//www.upv.es/dtalim/herraweb.htm.

[4] Galeano, G., Bernal, R. y Vallejo, M. I. (2009).

Manejo de la palma naidí (Euterpe oleracea) al sur

de la costa pacífica colombiana. Agencia de

noticias. Unal, recuperado el 2 de octubre de 2015

en

http.//www.agenciadenoticias.unal.edu.co

/nc/detalle/article/hacia-un-manejosostenible-



de-la-palma-naidi.html.

[5] Silva, R., Couri, S., Antoniassi, R. y Freitas, S.

P. (2007). Composição em ácidos graxos do óleo

da polpa de açaí fatty acids composition of açaí

pulp oil obtained by enzymatic e com hexano.

Revista brasileira de fruticultura, 498-502.

[6] Valderrama, N., Knoke, T. y Weigend, M.

(2011). Value Chain Investigations on Four

Colombian Palm Species, Technische Universität

München Thesis, 113p.

[7] Aspen Technology Inc. Aspen Plus® versión

8.0. Hysys® versión 8.0.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc/2.5/co/

prototipo para el registro de imÁgenes de … · utilizando n-hexano como solvente, por su elevada...

Documents