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401-1370 - Obtenc Nanocelulosa A Partir Cascarilla Arroz Mediante Hidrólisis Ácida
401-1370 - Obtenc Nanocelulosa A Partir Cascarilla Arroz Mediante Hidrólisis Ácida
401-1370 - Obtenc Nanocelulosa A Partir Cascarilla Arroz Mediante Hidrólisis Ácida
AUTORES:
SANTOS LEMA JOFFRE JOSÉ
SILVA ARROYO CARLOS ALFREDO
TUTOR:
ING. QUIM. MIROSLAV ALULEMA CUESTA MSC.
GUAYAQUIL-ECUADOR
2019
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS/TRABAJO DE GRADUACIÓN
TÍTULO Y SUBTÍTULO: OBTENCIÓN DE NANOCELULOSA A PARTIR DE LA CASCARILLA DE ARROZ
MEDIANTE HIDRÓLISIS ACIDA
II
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
_______________________________________
III
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Nosotros, SANTOS LEMA JOFFRE JOSÉ con C.C. 0940368202 y SILVA ARROYO
CARLOS ALFREDO con C.C. 0802790089 certificamos que los contenidos desarrollados
en este trabajo de titulación, cuyo título es OBTENCIÓN DE NANOCELULOSA A
PARTIR DE LA CASCARILLA DE ARROZ MEDIANTE HIDRÓLISIS ÁCIDA es de
nuestra absoluta propiedad y responsabilidad y según el Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO
DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E
INNOVACIÓN*, autorizamos el uso de una licencia gratuita intransferible y no exclusiva
para el uso no comercial de la presente obra con fines no académicos, en favor de la
Universidad de Guayaquil, para que haga uso del mismo, como fuera pertinente.
__________________________________________ __________________________________________
IV
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Habiendo sido nombrado: ING, MIROSLAV ALULEMA CUESTA MSC, tutor del trabajo
de titulación certifico que el presente trabajo de titulación ha sido elaborado por SANTOS
LEMA JOFFRE JOSÉ, C.C. 0940368202 y SILVA ARROYO CARLOS ALFREDO C.C.
0802790089, con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial para la obtención del
título de INGENIERO QUÍMICO.
Se informa que el trabajo de titulación: “OBTENCIÓN DE NANOCELULOSA A
PARTIR DE LA CASCARILLA DE ARROZ MEDIANTE HIDRÓLISIS ÁCIDA,
ha sido orientado durante todo el periodo de ejecución en el programa antiplagio
URKUND quedando el 1% de coincidencia.
https://secure.urkund.com/view/47059499-215503-202010
_________________________________________________
Docente Tutor
ING. MIROSLAV GONZALO ALULEMA CUESTA, MSc.
C.I.: 1709365116
V
DEDICATORIA
Este logro se lo dedico principalmente a mi Abba Padre JEHOVA por haber cambiado mi
vida a través del Espíritu Santo convirtiéndome en la persona que soy ahora, dándole gracias por
su guianza y ayuda hasta terminar con éxito esta hermosa carrera.
A mis padres Joffre Santos y Alexandra Lema por ser mi inspiración y mi apoyo constante
siendo ese pilar fundamental e importante en todos estos años de estudio de mi formación
académica hasta alcanzar tan prestigioso honor de ser Ingeniero Químico. A mi hija Ruth por ser
mi razón de vivir y acompañarme en esta aventura. A mis hermanos Zuley, Abraham y Raquel
por ser parte importante en mi vida para todos Uds. es este logro obtenido.
VI
DEDICATORIA
A Dios, quien por su infinita gracia y misericordia ha permitido que hoy yo pueda culminar
con mi carrera universitaria.
A mi familia, mis hermanos, mi padre Douglas Silva quien hace mucho tiempo partió de este
mundo, pero siempre ha estado presente en mis pensamientos y en mi corazón y de manera muy
especial a mi madre Bienvenida Arroyo que con su esfuerzo dedicación e incesante amor me ha
impulsado hasta la culminación de mis estudios académicos, gracias mamá esto es por ti.
VII
AGRADECIMIENTO
Agradezco a DIOS por darme sabiduría, la inteligencia y fortaleza necesarias en todos estos 5
años de estudio.
A mis padres por estar conmigo en todo momento, por haberme dado ánimo y fuerzas, por su
amor y confianza puesta en mí.
A mi tutor el ING. QUIM. Miroslav Alulema Cuesta por haber confiado y aceptado trabajar
conmigo, gracias por su predisposición, dedicación y por ayudarme a lograr mi objetivo;
expresándole mediante estas palabras mi agradecimiento y respeto hacia él.
A los Ingenieros Radium Avilez y Cecilia Uzca por la colaboración con sus respectivos
laboratorios para la realización de la parte experimental del trabajo de titulación.
Termino agradeciendo a cada uno de mis profesores durante todos estos 5 años de estudio por
compartir conmigo sus enseñanzas y conocimientos. A mis compañeros de estudio, y por ultimo
al alma mater por abrirme sus puertas y permitirme alcanzar mi sueño de ser profesional.
MUCHAS GRACIAS.
VIII
AGRADECIMIENTO
A Dios por darme la vida, salud y fuerzas necesarias para culminar con mis estudios.
A mi tutor Ing. Gonzalo Miroslav Alulema Cuesta cuyo apoyo y dirección fue fundamental
para la consecución y realización de este proyecto.
A todos mis maestros que han sido participes de mi proceso de formación y de manera
especial a aquellos que en esta última etapa me han brindado su apoyo y el espacio físico a su
cargo para culminar de manera satisfactoria este proyecto de investigación.
IX
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
Resumen
X
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
Abstract
The objective of this research is to obtain nanocellulose from rice husks by acid hydrolysis. To
achieve this, cellulose was obtained by basic hydrolysis, using sodium hydroxide 5 solutions, 15
and 20% with four replicates and for each replicate 20 grams of husk were used with a cooking
time of 90 minutes, bleaching was performed on the cellulose obtained by applying a solution of
sodium hypochlorite 1% (w/w) and removed hemicellulose with solution of hydrochloric acid to
0.65% (w/w). Nanocellulose was obtained by acid hydrolysis of the cellulose obtained by
applying 64% (w/w) sulfuric acid concentration with a reaction time of 45 minutes and 45 °C
temperature, 60% (w/w) sulfuric acid concentration and reaction time of 45 minutes and 45 °C
temperature, cellulose and cellulose nanocrystals obtained by Fourier Transform Infrared
Spectroscopy (FTIR) and Scanning Electron Microscopy (SEM) were characterized respectively,
the latter technique could confirm the obtaining of cellulose nanocrystals with size ranging from
10 x 5 nm to 500 x 100 nm. The industrial scaling-up of the process of obtaining cellulose
nanocrystals was carried out and the financial indicators of the project were determined,
obtaining for the latter an internal rate of return of 13%, which indicates that it is an
economically profitable project.
XI
ÍNDICE GENERAL
DEDICATORIA ...................................................................................................................... VI
AGRADECIMIENTO........................................................................................................... VIII
AGRADECIMIENTO.............................................................................................................. IX
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1
ABREVIATURAS ..................................................................................................................... 2
CAPITULO I .............................................................................................................................. 4
1. GENERALIDADES .............................................................................................................. 4
XII
1.4. Hipótesis o Premisa................................................................................................... 8
CAPITULO II .......................................................................................................................... 14
XIII
2.6.3. Lignina ................................................................................................................ 28
3. PARTE EXPERIMENTAL............................................................................................ 37
CAPITULO IV ......................................................................................................................... 56
XIV
4. ESCALADO A NIVEL INDUSTRIAL ......................................................................... 56
XV
CAPÍTULO V ........................................................................................................................ 109
ANEXOS................................................................................................................................ 146
XVI
ÍNDICE DE TABLAS
XVII
Tabla 30 Temperatura y presión de diseño del reactor de lavado de celulosa ........................ 86
Tabla 31 Grosor de paredes y diámetro externo del reactor de lavado de celulosa ................ 87
Tabla 32 Cantidad de calor requerido en tanque de lavado de celulosa ................................. 88
Tabla 33 Propiedades del área calentamiento del reactor de lavado de celulosa .................... 88
Tabla 34 Dimensionamiento de la agitación del reactor de remoción de hemicelulosas ....... 92
Tabla 35 Medida y espesor de bolas para molinos ................................................................. 97
Tabla 36 Dimensiones de las bandejas del secador de celulosa ............................................. 106
Tabla 37 Dimensiones de la cámara interna del secador de celulosa.................................... 106
Tabla 38 Dimensiones de la cámara externa del secador de celulosa ................................... 106
Tabla 39 Balance de energía del secador de celulosa ........................................................... 107
Tabla 40 Ventas netas de nanocelulosa y microfibra ............................................................ 109
Tabla 41 Gastos de fabricación de nanocelulosa y microfibra.............................................. 110
Tabla 42 Gastos de fabricación ............................................................................................. 111
Tabla 43 Amortización de la deuda y pago de intereses ....................................................... 113
Tabla 44 Indicadores financieros de flujo de fondos puros .................................................. 114
Tabla 45 Indicadores financiero de fondos financiados ........................................................ 115
Tabla 46 Resultados de la caracterización de la materia prima ............................................ 117
Tabla 47 Resultados de la obtención de celulosa primera experimentación ......................... 118
Tabla 48 Resultados de la obtención de celulosa segunda experimentación ........................ 118
Tabla 49 Resultados de la obtención de celulosa tercera experimentación .......................... 119
Tabla 50 Resultados de la obtención de celulosa cuarta experimentación ........................... 120
Tabla 51 Concentración de celulosa para solución al 5% ..................................................... 121
Tabla 52 Concentración de celulosa para solución al 15% ................................................... 122
Tabla 53 Concentración de celulosa para solución al 20% ................................................... 122
Tabla 54 Concentración de celulosa vs tiempo (solución de NaOH al 5%) ......................... 123
Tabla 55 Velocidad instantánea de la reacción vs tiempo (solución de NaOH al 5) ............ 124
Tabla 56 Concentración de celulosa vs tiempo (solución de NaOH al 15%) ....................... 126
Tabla 57 Velocidad instantánea de la reacción vs tiempo (solución de NaOH al 15) .......... 127
Tabla 58 Concentración de celulosa vs tiempo (solución de NaOH al 20%) ....................... 128
Tabla 59 Velocidad instantánea de la reacción vs (solución de NaOH al 20) ...................... 129
Tabla 60 Constante de velocidad de la reacción a diferentes concentraciones ...................... 130
XVIII
Tabla 61 Ecuación de velocidad por el método integral ....................................................... 132
Tabla 62 Tamaño de nanocristales de celulosa y microfibra de celulosa .............................. 137
Tabla 63 Indicadores financieros de flujo puro ...................................................................... 138
Tabla 64 Indicadores financieros de flujo financiado ............................................................ 138
ÍNDICE DE FIGURAS
XIX
ÍNDICE DE GRÁFICAS
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 1 Valores de las constantes KL y KT para tanque con cuatro deflectores ................. 65
Cuadro 2 Presión del acero inoxidable sometido a diferentes temperaturas .......................... 67
Cuadro 3 Ecuaciones para determinar el grosor de la tapa y fondo del reactor ..................... 68
ÍNDICE DE ANEXOS
XX
RESUMEN
XXI
ABSTRACT
The objective of this research is to obtain nanocellulose from rice husks by means of acid
hydrolysis. In order to achieve this, the raw material was first characterized and the amount of
macromolecular substances such as cellulose, hemicellulose and lignin was determined in order
to verify the results obtained in other researches regarding the amount of these substances
present in the husk. Then the cellulose was obtained by basic hydrolysis for which sodium
hydroxide solutions were used at 5, 15 and 20% with four replicates and for each replica were
used 20 grams of husk with a cooking time of 90 minutes, the bleaching of the cellulose obtained
by applying a solution of sodium hypochlorite at 1% (w/w) and removed hemicellulose with
hydrochloric acid solution at 0.65% (w/w). The obtaining of nanocellulose was carried out by
means of the acid hydrolysis of the obtained cellulose applying sulfuric acid to 64% (w/w) of
concentration with a time of reaction of 45 minutes and 45 °C of temperature, sulfuric acid to
60% (w/w) of concentration and time of reaction of 45 minutes and 45 °C of temperature,
sulfuric acid to 64% (w/w) of concentration, time of reaction of 1 hour and 45 °C of temperature,
the reaction was stopped adding 750 ml of distilled water, The cellulose and cellulose
nanocrystals obtained by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Scanning
Electron Microscopy (SEM) were characterized respectively, by means of this last technique it
was possible to confirm the obtaining of cellulose nanocrystals in sizes ranging from 10 x 5 nm
to 500 x 100 nm. The process of obtaining cellulose nanocrystals was industrially scaled and the
financial indicators of the project were determined, obtaining an internal rate of return of 13%
for the latter, which indicates that it is an economically profitable project.
XXII
INTRODUCCIÓN
El arroz se encuentra entre los alimentos de mayor consumo a nivel mundial se trata de unos
de los cereales más completos en cuanto al aporte de calorías. El cultivo de este cereal es
característico de zonas húmedas y su rendimiento es dependiente de las condiciones climáticas y
el nivel de tecnificación al que esté sometido. (Delgado Ormaza, 2011).
Se trata de un cultivo transitorio que según la ESPAC para el año 2017 la superficie sembrada
del mismo fue de 370,406 hectáreas y una producción de 1.066. 614 toneladas, del peso total del
grano de arroz aproximadamente el 22% corresponde a cascarilla. La cascarilla del arroz es un
subproducto agrícola que luego del proceso de pilado es en parte utilizada por la industria como
fuente de energía alternativa en el proceso de secado del arroz, pero un gran porcentaje de ella es
quemada al aire libre. Análisis realizados a la cascarilla de arroz y que en el presente trabajo se
pudo verificar la fiabilidad de los mismos demuestran el contenido de sustancias
macromoleculares como celulosa, lignina y hemicelulosa. Estas sustancias son parte estructural
importante del subproducto y a las que se les puede dar valor agregado convirtiéndolas en
productos amigables con el medio ambiente y de alto valor comercial como son las
nanopartículas. (Gallego Suarez, Hormaza Anaguan, & Doria Herrer, 2013).
Los subproductos agrícolas han sido objeto en los últimos tiempos de incesantes
investigaciones en la búsqueda de encontrar posibles soluciones al problema ambiental que estos
suponen, la presente investigación pretende ayudar en esta tarea mediante el empleo de la
cascarilla de arroz para la obtención de nanopartículas de celulosa mediante hidrólisis ácida. Las
nanopartículas de celulosa o nanocelulosa son materiales derivados de la celulosa en este caso
proveniente de la cascarilla del arroz la misma que ha sido sometida a la acción de un ácido en
un proceso denominado hidrólisis ácida con lo que las partículas de celulosa pasan a ser de
tamaño nanométrico y en consecuencia sus propiedades se ven mejoradas en términos de dureza,
resistencia y aspecto. La utilización de cascarilla de arroz para llevar a cabo esta investigación
nace producto de la cantidad disponible de este subproducto, de la poca utilidad y del inadecuado
tratamiento que se le da al mismo y que como consecuencia acarrean daños medio ambientales.
1
ABREVIATURAS
2
mb: Masa de la bandeja
MOcel: Materia orgánica celulosa
MOholo: Materia orgánica de holocelulosa
MOlig: Materia orgánica de lignina
Np: Numero de potencia
Nu: Nusselt
P: Peso perdido de la cascarilla durante determinación
𝜌𝑐 = Densidad de la cascarilla
Pc: Presión del cilindro
Ph: peso de muestra húmeda
Pr: Número de prandlt
Ps: peso de muestra seca
Re: Número de Reynolds
Ri,c: radio interno del cilindro
S: Presión a la temperatura de diseño
SF: Altura de la tapa
tc: Espesor de las paredes del cilindro
TH: Altura total del cilindro
ttapa: Espesor de la tapa
Uo: Coeficiente global de trasmisión de calor
Vb: Volumen de bandejas
VT, m: Volumen de tanque de mezcla
W: Peso seco de muestra
3
CAPITULO I
1. GENERALIDADES
1.1. Antecedentes
Según (Beltramino Heffes, 2016) en los tiempos postreros la nanocelulosa ha sido un tema de
gran interés debido a la variedad de características que tiene para ofrecer. Esto se origina
producto a una serie de características físicas y químicas fundamentales mostradas por la misma.
La nanocelulosa es una nanofibra que puede obtenerse a partir de fibras de celulosa que aparece
como un novedoso compuesto de potencial relevancia. Esta nanocelulosa es obtenida a partir de
celulosa ya que es un compuesto que se encuentra principalmente formando parte de las paredes
de las células de los vegetales principalmente de la madera y de los subproductos
agroindustriales. La nanocelulosa se presenta de dos maneras cristalina o aleatoria. La primera se
la obtiene por un proceso de hidrólisis ácida y la segunda por un proceso de homogenización o
sometiendo la celulosa a altas presiones.
Según (Prieto, 2013) la nanocelulosa es un nano material que posee una resistencia ocho
veces mayor que la del acero y que además se presenta como un material flexible, ligero y es un
buen conductor de electricidad. Este material presenta una gran estabilidad con respecto a los
cambios de temperatura, es transparente y respetuosa con el medio ambiente.
Según (Valencia Payán, 2015) la nanocelulosa es aplicada como refuerzo y/o barrera de
distintos polímeros, nanopapel, nanofiltros, implantes médicos, y en aplicaciones que necesiten
de alta transparencia, baja expansión térmica y alta resistencia. Además de eso esta nanocelulosa
se la aplica en cosméticos y productos farmacéuticos, películas y recubrimientos de barrera,
tratamiento de aguas, electrónicos y más.
Según (Kaur, Santos, & Praveen, 2018) la nanocelulosa es un material libre y sostenible,
posee características importantes a conocer como son: El dimensionamiento a nano escala,
características rígidas y estabilidad en medios ofensivos, temperaturas elevadas, superficialidad,
4
cristalinidad y resistencia específica alta, esparcimiento térmico renovable bajo, patrón y bajo
costo. El singular complejo que tienen las partículas de nanocelulosa dependerá de las
características que presente la materia prima y las prácticas que se utilizan para su obtención que
se puede conseguir por medio de hidrólisis ácida fuerte que añade cargas negativas de sustancias
ácidas en la composición de la celulosa e hidroliza en fibras nanométricas la fracción amorfa.
Según (Carchi Maurat, 2014) en la época actual los materiales nanométricos ha despertado la
curiosidad entre los científicos, esto se debe a las magníficas características que poseen que son
mecánicas, termales, eléctricas, etc. Se puede concluir que estos materiales deberán poseer por la
condición de nanómetro por lo menos una de sus longitudes.
Según (Prieto, 2013) Durante un estudio realizado por el grupo de científicos de Malcom
Brown, de la Universidad de Texas se logró la adquisición de volúmenes pequeños de
nanocelulosa por medio de un alga que lo origina de forma espontánea, donde los nutrientes no son
necesarios. Esto se consiguió, mediante la inserción de genes en el alga provenientes de la bacteria
Acetobacter xylinum (bacteria típica que se utiliza para la obtención de vinagre) donde se
descubrió que por medio de este proceso se lograría la generación de volúmenes colosales de
nanocelulosa con bajos precios de operación, esto debido a que en el ecosistema se puede
encontrar fácilmente esta materia prima, abriendo la puerta a descubrimientos de procesos en
donde se utiliza la nanocelulosa como un ecológico y eficiente biocombustible, aparte de los
procesos indicados anteriormente nombradas.
5
Según (Carvajal , 2015) en Ecuador se pudo obtener un primer gel de nanocelulosa
proveniente de biomasa como la tagua, esto se pudo lograr luego de 4 años de trabajo mediante
el análisis de esta materia prima que es representativa en el país. Este descubrimiento lo efectúo
Javier Carvajal científico de la Pontificia Universidad Católica del Ecuador (PUCE), que
también explica que la característica primordial de este gel es la de permanecer intacta ante la
combustión y por ende no sufre evaporación. “Este es un combustible nuevo’’. Los vapores
procedentes del etanol también son combustibles y al final, cuando ya se consume todo el
material el residuo es celulosa pura que puede ser reciclada”. Concluyendo Carvajal argumenta
que en el descubrimiento del gel por medio de la tagua el Ecuador es el único país en el mundo
que ha utilizado este material con propósito de aplicarlo industrialmente, por medio de avances a
través de plataformas químicas únicas, proceso que fue conseguido por su grupo de
investigaciones, en conjunto con científicos de origen francés.
Según el Instituto Nacional de Estadística y Censos (INEC) para el año 2016 la cantidad de
arroz producido a nivel nacional fue de 1.534.537 Tm, considerando el porcentaje de cascarilla
de 22 (%) se generaron 337598.14 Tm de cascarilla de arroz. En la actualidad la cascarilla
debido a su poder calorífico es empleada para calentar las calderas de la piladoras, sin que tenga
un valor agregado adicional. (Ballesteros, Cuichán, Márquez, Orbe, & Salazar , 2017)
Según Ramírez Bayas (Ramirez, 2012) los residuos provenientes del tratamiento
agroindustrial constituyen un problema serio de acumulación de residuos, debido a 2 factores
principales: un aumento en la producción y generación de nuevas regulaciones ambientales más
estrictas. Por esta razón se plantea como solución la conversión de estos residuos en productos
con valor agregado. Frente a esta problemática, el presente trabajo de titulación pretende generar
6
un nuevo producto con un mayor valor agregado, a partir del desecho antes mencionado,
concretamente la nanocelulosa, la misma que es una fibra natural que reemplazaría en muchas
aplicaciones a las fibras sintéticas (poliéster, fibra de vidrio, nylon, etc) que en muchas ocasiones
son focos de contaminación, colaborando con la sociedad ecuatoriana mediante la elaboración de
un producto de características sorprendentes y que contribuye con el cuidado del medio
ambiente.
1.3. Justificación
7
acero inoxidable y de la fibra de vidrio cuyas funciones y aplicaciones pueden ser suplidas de
manera formidable por este material. (Prieto, 2013)
Se puede obtener nanocelulosa a partir de la cascarilla del arroz mediante hidrólisis ácida.
1.5. Variables
1.5.1. Variable independiente
o Nanocelulosa
8
1.6. Operacionalización de las Variables
la norma
ASTM 4442.
Porcentaje de Es la cantidad presente en la Estufa Método %
lignina cascarilla de arroz, considerada en Balanza analítica descrito por
base seca. Mufla klason
Desecador
Parrilla eléctrica
9
Porcentaje de Es el porcentaje de celulosa y Estufa Método
holocelulosa hemicelulosa contenida en la Balanza analítica descrito por %
muestra de cascarilla de arroz en Mufla Browning en
base seca. Desecador 1967.
Parrilla eléctrica
Porcentaje de Es la diferencia entre la cantidad Estufa N.A %
hemicelulosa de holocelulosa y celulosa que se Balanza analítica
obtiene del proceso de
caracterización.
Porcentaje de Es la cantidad de celulosa Estufa Empleo de la %
celulosa resultante después del tratamiento Balanza analítica norma ASTM
de holocelulosa aplicando Desecador 1977 b.
solución de hidróxido de sodio a Mufla
diferentes concentraciones.
Tiempo de Es el tiempo requerido para la Cronómetro Hidrólisis
reacción para separación de la celulosa de la básica con Hrs
Tiempo la obtención cascarilla de arroz, mediante hidróxido de
celulosa hidrólisis básica. sodio.
Tiempo de Es el tiempo requerido para la Cronómetro Hidrólisis
reacción de la conversión de celulosa en ácida con ácido Min
nanocelulosa nanocelulosa, mediante hidrólisis sulfúrico.
ácida.
10
Proceso Obtención de Es el proceso mediante el cual se Molino de Bolas Método de %
celulosa obtiene celulosa a partir de la Tamizador hidrólisis
cascarilla de arroz, empleando las Estufa básica
siguientes operaciones unitarias: Desecador empleando
Molienda, Tamizado, Lavado, Agitador hidróxido de
Secado, Hidrólisis básica. magnético sodio.
Es el proceso de obtención de la Baño ultrasónico Método de %
Obtención de nanocelulosa a partir de la Centrifuga hidrólisis acida
nanocelulosa celulosa mediante las siguientes Agitador empleando
operaciones unitarias: Molienda, Magnético ácido sulfúrico.
Mezclado, Hidrólisis ácida, Estufa
lavado por centrifugación.
Es la temperatura que se logra Termómetro N.A.
Temperatura alcanzar durante el proceso de ℃
para la cocción de la cascarilla de arroz y
obtención de soluciones de sosa caústica.
Temperatura celulosa.
Temperatura Es la temperatura que se logra Termómetro N.A.
para la alcanzar durante el proceso de ℃
obtención de cocción de la celulosa con ácido
nanocelulosa sulfúrico a diferentes
concentraciones.
11
pH Es el pH que corresponde a la Medidor de pH N.A. >7ácido
pH de celulosa celulosa obtenida, después del <7 básico
proceso de lavado con agua =7 neutro
destilada.
Es el pH que corresponde a la Medidor de pH N.A. >7ácido
pH de la nanocelulosa obtenida, después <7 básico
nanocelulosa del proceso de centrifugación con =7neutro
agua destilada
Fuente: Autores
12
1.7. Objetivos
13
CAPITULO II
2. MARCO TEÓRICO
Como muestra la figura anterior para el año 2017, el 11.58% del total de la superficie
sembrada es decir 1.430,497 hectáreas correspondieron a cultivos permanentes siendo los
cultivos de más alta producción la palma africana, el banano y la caña de azúcar. Las superficies
14
sembradas de cultivos permanentes han experimentado un decrecimiento en los últimos dos años
con respecto al año 2015, tal y como se evidencia en la Tabla 1.
Tabla 1
Tasa de crecimiento agropecuario
USO DEL CARACTERÍSTICAS PERÍODO
SUELO 2015 2016 2017
CULTIVOS Superficie (Ha) 1,483,366 1,439,117 1,430,497
PERMANENTES Tasa de crecimiento anual 4.68% -2.98% -0.60%
Total participación en la 11.79% 11.62% 11.58%
superficie
Fuente: (Ballesteros, Cuichán, Márquez, Orbe, & Salazar , 2017)
Los cultivos transitorios y barbecho para el año 2017 son el 7.32% lo que representa una
superficie a nivel nacional de 904,224 hectáreas donde el arroz, maíz duro seco y papa son los
productos de mayor producción a nivel nacional. En la Tabla 2 se indica el decrecimiento de los
cultivos transitorios en los últimos dos años con respecto al año 2015.
Tabla 2
Tasa de Crecimiento Agropecuario
USO DEL SUELO CARACTERÍSTICAS PERÍODO
2015 2016 2017
CULTIVOS Superficie (Ha) 950,649 849,685 904,224
TRANSITORIOS Tasa de crecimiento anual 8.46% -10.62% 6.42%
Y BARBECHO Total participación en la superficie 7.55% 6.86% 7.32%
Fuente: (Ballesteros, Cuichán, Márquez, Orbe, & Salazar , 2017)
Debido a las condiciones geográficas, la producción de arroz favorece a la región Costa con
un 98% de la superficie cultivada, y el restante en diferentes puntos del país, viéndose distribuido
en las provincias del litoral ecuatoriano tales como: Guayas (64,32%), Los Ríos (29,66%), y
15
Manabí (3,86%), y el restante en diferentes partes del país. La Tabla 3 muestra la superficie de
arroz sembrada por hectárea dado por provincia y cantón. (Cuichán, Márquez, Orbe, Salazar, &
Villafuerte, 2016).
Tabla 3
Superficies Sembradas, Producción de Arroz y Ventas de arroz a nivel Nacional
NACIONAL
Año Superficie (Ha) Producción (Tm) Ventas(Tm)
Sembrada Cosechada
2014 375.820 354.136 1.379.954 1.282.065
2015 399.535 375.117 1.652.793 1.534.476
2016 385.039 366.194 1.534.537 1.432.318
2017 370.406 358.100 1.066.614 1.017.087
Fuente: (Financiera, 2017)
Región
Oriental
0,75%
Región Costa
99,04%
Región Sierra
0,21%
16
Tabla 4
Superficie, Producción y Ventas, Según Región y Provincia
REGIÓN Y SUPERFICIE SUPERFICIE PRODUCIDAS VENDIDAS
PROVINCIA (Has.) (Has.) (Tm.) (Tm.)
SEMBRADAS COSECHADAS
TOTAL 370.406 358.100 1.066.614 1.017.087
NACIONAL
REGIÓN 783 783 2.302 2.296
SIERRA
REGIÓN COSTA 366.838 354.579 1.059.376 1.010.090
REGIÓN 2.786 2.739 4.936 4.701
ORIENTAL
ZONAS NO
DELIMITADAS
Fuente: Autores
17
2.3. Residuos Agroindustriales
Los residuos agroindustriales son materiales que se pueden encontrar en estado sólido o
líquido y que se derivan de un proceso de industrialización de un producto primario o del
consumo directo del mismo, estos materiales ya no tienen utilidad alguna para el proceso que los
genera. Pero se han constituido en una fuente de estudio para el desarrollo de energías renovables
con lo que ganan valor económico y se crea conciencia social. El principal problema que
enfrentan los residuos agroindustriales es la falta de conciencia ambiental de las empresas que
los generan a esto se suma los pocos recursos destinados a la I+D, a la falta de tecnología y las
pobres políticas del gobierno en cuanto al manejo de dichos residuos. (Perez Perez & Vargas
Corredor , 2018)
Las características de los desechos agroindustriales son a menudo variadas y en gran medida
depende de los productos de donde se desprenden y de los procesos industriales de los cuales son
generados, sin embargo, la mayoría de residuos agroindustriales comparten la misma
composición de materia orgánica, aunque puede diferir en los porcentajes. La materia orgánica
de estos residuos está constituida principalmente por celulosa, lignina, hemicelulosa y pectina. A
menudo de los denomina ´´residuos orgánicos´´ por estar constituidos principalmente de materia
orgánica. (Galáan Hernández, Mejías Brizuela, & Orozco Cuillen, 2016)
18
Para concebir una idea sobre la cantidad de desechos agroindustriales que se derivan de los
procesos de varias industrias a nivel mundial se muestran los siguientes valores: La industria
cervecera utiliza en su proceso apenas un 8% del grano de cebada el 92% sobrante es desechado
como residuo; la industria que elabora aceite de palma solo utiliza el 9% de la pepa el 91%
restante es desechado; la industria del café solo utiliza el 9.5% y el 90.5% sobrante corresponde a
residuo, en la industria papelera se utiliza menos del 30% y lo que resta corresponde a residuos.
(Aguas M, Chams Ch, & Cury R, 2017)
Según la (FAO, 2004) en los últimos tiempos ha ido creciendo el interés por la utilización de
materiales lignocelulósicos los cuales son tratados químicamente para la obtención de nuevos
producto y también muchas veces son empleados para la generación de electricidad. Son dos las
áreas en las que se usa y aplica este tipo de materiales.
a) Obtención de productos químicos y energéticos mediante la utilización de fuentes
renovables las que sustituyen de forma parcial o total el empleo de materias primas
fósiles como petróleo, carbón o gas.
b) Aprovechamiento de residuos agroindustriales y de la industria de la madera para la
obtención de biopolímeros y derivados químicos.
En el primer caso el material lignocelulósico es utilizado para la obtención de energía para lo
que se emplean procesos como pirolisis, gasificación o reformado catalítico con vapor, también
se emplean procesos de hidrólisis química o enzimática. La rentabilidad de los productos
obtenidos de este tipo de material va de mano con los precios de los combustibles tradicionales
con los que se compite. En el segundo caso los componentes del material lignocelulósico
(celulosa, hemicelulosas y lignina) son separados mediante procesos químicos para la fabricación
de productos de alto valor agregado.
Según (Prínsen, Gutiérrez , & del Rio, 2010) de los materiales lignocelulósicos la madera es
el material por excelencia empleado para la producción de celulosa. El abuso en cuanto al uso de
este material ha acarreado una serie de problemas siendo el más grave el medioambiental debido
a la constante deforestación de los bosques derivado del uso de este material, esta situación ha
19
dado paso a la investigación de otros materiales lignocelulósicos que pudieren sustituir a la
madera. Anteriormente la mayoría de la fibra utilizada para la fabricación de pasta de celulosa
procedía de madera virgen, al presente día la mayor parte de la madera utilizada para la
obtención de pasta de celulosa procede de plantaciones de rápido crecimiento destinada para este
fin. Los residuos lignocelulósicos de origen residual contribuyen a la disminución de la
problemática de la deforestación ya que los mismos poseen un gran potencial industrial y que
hasta ahora no han sido explotados en su real dimensión.
Hasta hace poco el uso de las fibras no madereras estaban destinadas únicamente a la
fabricación de pasta para la producción de papel y de fibras textiles compitiendo con las fibras
madereras y las sintéticas (Giraldo Abad, Montenegro Gómez, & Peñaranda Gonzalez, 2017).
20
La mayor cantidad de fibras lignocelulósicas naturales son provenientes de plantas que se
encuentran situados en países subdesarrollados como la india, china y países de Latinoamérica.
Según fuentes bibliográficas la mayor disponibilidad de fibras naturales se encuentra en residuos
agroindustriales como; paja de cereales, tallos de maíz, sorgo y la fibra de caña de azúcar (Aguas
M, Cury R, Martinez M, & Olivero V, 2017)
Tabla 5
Composición química de varias fibras naturales
Tipo de fibra Celulosa (%) Lignina (%) Hemicelulosas (%) Ceniza (%) Sílice (%)
Fibras de paja
Arroz 28-36 12-16 ----- 15-20 9-14
Trigo 29-35 16-21 27 4.5-9 3-7
Fibras de caña
Azúcar 32-44 19-24 22 1.5-5 0.7-3.5
Bambú 26-43 21-31 15 1.7-5 0.7
Fibras de madera
Coníferas 40-45 26-34 ----- <1 -----
Frondosas 38-49 23-30 ----- <1 -----
Fuente: (Giraldo Abad, Montenegro Gómez, & Peñaranda Gonzalez, 2017)
21
Los componentes que conforman el material lignocelulósico se detallan en la Figura 4.
El porcentaje que representa la cascarilla de arroz en relación a la producción total del arroz
en cáscara es del 22% es decir la cantidad de materia prima (cascarilla de arroz) disponible
durante el año 2016 fue de 337,598.14 toneladas. La Tabla 6 muestra el porcentaje de cascarilla
resultante luego del proceso de pilado del arroz.
22
Tabla 6
Productos del Pilado de Arroz
DESCRIPCIÓN PORCENTA
JE
Arroz pilado entero (18% pulido) 63
Arrocillo 5
Polvillo 8.5
Cascarilla 22
Impurezas 1,5
Fuente: (Financiera, 2017)
Para la fabricación de la nanocelulosa la materia prima básica y única será la cascarilla del
arroz compuesta por la sílice y celulosa. La utilización de este subproducto agroindustrial
representa la grandiosa oportunidad de lograr crecimientos en todo tipo de técnicas o procesos
adecuados y de bajo presupuesto además de ayudar a conservar el hábitat natural porque el
producto que se obtendrá será amigable con el medio ambiente. (Valverde , Sarria, &
Monteagudo, 2012)
La materia prima a emplear tiene propiedades específicas, que la convierten en idónea para la
conversión de nanocelulosa, tales propiedades se detallaran a continuación
23
comprendido entre el 8 y 15%. En algunas ocasiones, la cascarilla emerge de la operación de
pilado con un porcentaje de humedad mucho mayor, lo que obligatoriamente dará lugar a la
realización de procesos de preparación, previo al ingreso en el método de transformación
energética. (Morejón Jácome, 2017)
Este subproducto agrícola presenta un poder calorífico de: 13.24 - 14.22 kJ / kg por unidad de
masa, el mismos que servirá para establecer con cuanta biomasa energética se dispone. El
porcentaje de humedad se encuentra directamente relacionado con el poder calorífico debido a
que un alto contenido de humedad reducirá la eficacia de la combustión ya que el calor
desprendido es utilizado en la evaporación del agua. (Morejón Jácome, 2017)
El residuo agroindustrial cascarilla del arroz tiene un sinfín de aplicaciones esto se debe a las
propiedades físicas y la composición química que contiene lo cual origina que su utilidad sea de
gran importancia. A continuación, se muestra la amplia gama en la que puede ser útil este
desecho agroindustrial:
24
flores, obtención de carbón activado, fabricación de etanol por ruta fermentativa, obtención de
productos de silicio debido a su alto contenido de sílice, combustible alternativo, utilización
como limpiador abrasivo de equipos constructivos y metal etc.
2.6.1. Celulosa
La celulosa es un polisacárido de naturaleza orgánica que forma una cadena lineal de glucosa
unida entre sí por enlaces glicosídicos en los enlaces de carbono 1 y 4 (Tabil L & Kashaninejad ,
2011).
25
Cerca de 36 unidades de celulosas se unen de forma natural y dan lugar a unidades
denominadas fibras elementales conocidas como nanofibrillas estas fibras elementales se vuelven
a unir para formar largas unidades de celulosa microfibrilada que tienen un diámetro que oscila
entre 20 a 50 nm con varias micras de longitud. (Bras , Desloges , Dufresne , & Lavoine, 2012)
Las microfibrillas de celulosa se unen en sentido unidireccional para dar lugar a las fibras de
celulosa presentes en la pared celular. En la Figura 6 se pueden observar las fibras de celulosa,
las cuales poseen un ancho de 5 a 20 μm y una longitud que va desde los 0.5 milímetros en
adelante. (Kalia , Boufi , Celli , & Kango, 2014).
Existen cuatro tipos polimorfos de celulosa que se pueden convertir unas a otras (Figura 7).
El primer tipo de celulosa conocida como celulosa nativa ya que de esta forma se la localiza en la
naturaleza, esta celulosa es una especie de mezcla entre celulosas que se encuentran en algas y
bacterias y de las celulosas encontradas en plantas. (Sun, 2010).
El segundo tipo de celulosa se obtiene por medio del sometimiento de la celulosa de primer
tipo a un tratamiento con hidróxido de sodio acuoso. La diferencia entre el primer y segundo tipo
de celulosa radica en la manera como están dispuestos sus átomos ya que el segundo tipo de
celulosa posee sus átomos dispuestos en forma antiparalela contrario al primer tipo de celulosa
en la cual los átomos se encuentran dispuestos en forma paralela. (Aulin , Ahola , & osefsson ,
2009)
26
El tercer tipo de celulosa nace del sometimiento de la celulosa ya sea del primer o segundo
tipo a la acción del amoniaco líquido o de algún tipo de amina. Para la obtención del cuarto tipo
de celulosa se debe tratar la celulosa con glicerol a elevadas temperaturas. (O'SULLIVAN ,
1997)
2.6.2. Hemicelulosas
27
Figura 8 Monómeros precursores de las hemicelulosas
2.6.3. Lignina
28
Figura 9 Estructuras químicas de la lignina (alcohol p-coumaryl y
alcohol coniferílico)
Los métodos que se aplican para aislar la lignina del material lignocelulósico son diversos,
pero son dos los métodos utilizados, el primero se solubiliza la hemicelulosa y la celulosa y se
obtiene la lignina como residuo insoluble mientras que el segundo método ocurre lo contrario al
primero, se obtiene la celulosa y la hemicelulosa de forma insoluble y la lignina de manera
soluble, obteniéndosela en estado líquido para posteriores tratamientos. Los procesos que puedan
utilizarse por la industria para la obtención de pasta de celulosa determinan la calidad de la de la
lignina industrialmente obtenida, en la actualidad hay tres diferentes tipos de proceso que se
aplica para la obtención de lignina: Sulfito, kraft y soda. (C. Sifontes & E. Domine, 2013)
29
especializada. Culminado el proceso de acondicionamiento se astilla la materia prima y se hace
pasar por el tamiz para controlar el espesor ya que de este depende en gran medida la eficiencia
del proceso de separación de la celulosa, grosor de las astillas varía entre 3 y 4 mm pudiendo
llegar hasta los 8 mm. (Sanz Tejedor, 2009, págs. 1-2)
Las astillas de madera mediante una banda de transportación son llevadas hacia tolvas donde
son impregnadas con vapor de agua lo que permite eliminas el contenido de aire de la madera, en
esta parte se empieza agregar una disolución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH) en
combinación con sulfato de sodio (Na2S) mezcla a la que se denomina licor blanco. La mezcla
de las astillas y el licor blanco se introducen en el digestor continuo dentro del que las astillas de
madera se someten a cocción con el licor blanco, la temperatura de cocción de la madera varía
entre 130 y 170 °C siendo en la parte superior del digestor donde se encuentra la temperatura
más alta El tiempo de cocción de la mezcla va de1 a 2 horas dependiendo del tipo de madera que
se procesa. La pasta procedente del proceso de cocción es sometida a un proceso de lavado a
altas temperaturas, este proceso se lo realiza dentro del digestor al que entra y sale agua a contra
corriente con lo que se logra la completa separación del licor negro que pudiere encontrase
presente en la pasta. (Sanz Tejedor, 2009, págs. 3-5)
Una vez culminada la etapa de lavado la pasta es sometida a un proceso de blanqueo con lo
que se persigue la eliminación total de la lignina contenida en la pasta, por lo general se suelen
emplear de 3 a 5 ciclos de blanqueo con aplicación de sucesivos tratamientos donde se emplean
sustancias de naturaleza oxidantes y extracciones en las que se aplica hidróxido de sodio (NaOH)
acuoso de esta forma la lignina y otros componentes responsables de la coloración de la pasta se
vuelven compuestos que se pueden disolver en el agua y se pueden eliminar por sucesivos
lavados. (Sanz Tejedor, 2009, págs. 3-5)
30
2.8. Nanocelulosa
La microfibra de celulosa está constituida de una parte amorfa y otra cristalina estas están
distribuidas de forma aleatoria en la estructura de la microfibra, la región amorfa de la microfibra
se encuentra en desorden dentro de la estructura por esta razón es de fácil rompimiento ante un
ataque con ácido o enzimas, la región cristalina se encuentra muy cohesionada por lo que su
separación se torna más compleja (Figura 10). Uno de los mecanismos más utilizados para la
obtención de la nanocelulosa es la oxidación de la celulosa mediante hidrólisis acida que consiste
básicamente en romper los enlaces glicosídicos de la misma. A menudo la hidrólisis acida se
lleva a cabo empleando acido mineral, el más común el (H2SO4 50-72%) la pureza de la
nanocelulosa obtenida depende en gran manera del tipo de ácido empleado para su obtención, del
tiempo de reacción, la procedencia de la celulosa empleada para realizar la reacción y de la
temperatura que se empleé para llevar a cabo la hidrólisis acida. (Lee, Hamid, & Zain, 2014)
31
Figura 10 Descomposición de celulosa a nanocelulosa
Fuente: (Lee, Hamid, & Zain, 2014)
Cunando se lleva a cabo la hidrólisis ácida de la celulosa además del rompimiento de las
regiones amorfas y cristalinas se genera un proceso de esterificación por parte de los grupos
hidroxilos con el ácido sulfúrico (H2SO4) lo que conlleva a la producción de sulfato de celulosa
lo que causa una sobrecarga negativa en la superficie de los Nanocristales. El control omniótico
de las fuerzas interpelantes de las capas electrónicas es el medio por el cual las suspensiones
coloides de los cristales llegan a estabilizarse como se puede observar en la Figura 11. No
obstante la nanocelulosa obtenida puede sufrir modificaciones químicas por el grupo de ésteres
de sulfato con lo que su funcionalidad podría sufrir alteraciones. (Brinchi, Cotana, Fortunati, &
Kenny, 2013)
32
2.9. Fundamentos de la Espectroscopia de Infrarrojos con Transformadas de Fourier
Tabla 7
Longitud de Onda para Distintos Rangos del Infrarrojo
Infrarrojo Cm-1
Lejano 10 a 650
Medio (IR) 650 a 4000
Próximo 4000 a 12500
Fuente: INTECIN
33
2.10. Fundamentos de la Microscopia Electrónica de Barrido
34
por el contacto que se origina por medio de los átomos presentes superficialmente en la muestra
y el haz de electrones emitidas por el equipo. (Lossada Toro, 2015)
Los mecanismos de estudio presentan limitación esto obedece a que la muestra a realizar debe
estar en presencia de alto vació y tener características conductivas. Inversamente para las
muestras no conductivas se aplica la práctica de “Sputtering” cuya característica es la de
recubrirse por medio de un manto fino de metal conductivo. Para que no se vea afectado la
superficie de la muestra dicho manto tendrá que ser lo adecuadamente delgado o fino. (Lossada
Toro, 2015)
La tasa interna de retorno (TIR) es una tasa de reducción donde la ejecución de un trabajo de
inversión tiene que poseer un valor actual neto equivalente a cero. Por este motivo se puede decir
que la tasa interna de retorno es una medición rentable referente a una inversión. Definiéndolo
con mejor claridad como la tasa de beneficio donde continúan los costes de inversión que no han
sido despojadas del trabajo del mismo. (Santos , 2008)
El siguiente modelo intenta expresar una única tasa de interés donde sintetice las ventajas de
dicha inversión. La expresión “interna” nos quiere decir que la tasa solo será innata a un único
trabajo, esto se debe a que obedece solamente, como en el caso del valor actual neto, de las
normativas adecuadas del trabajo que se ejecute (Santos , 2008).
Realizando:
𝐹1 𝐹2 𝐹3 𝐹𝐹𝑡
𝐼𝑜 = + + + ⋯ +
(1 + 𝑖)1 (1 + 𝑖)2 (1 + 𝑖)3 (1 + 𝑖)𝑡
Si i ≥ CMPC se puede concluir que el trabajo es aceptado. Dando a entender que, si se arranca
con un capital por medio de un precio intermedio de ponderación y de un financiamiento
35
estructurado acorde, el trabajo de estudio en ejecución, como requisito principal debe de tener la
capacidad de crear o forjar una rentabilización similar al coste propuesto con la intención
principal de conservar inalterable el total de valores de la compañía. (Altuve , 2004)
El valor actual neto (VAN) es la tasa de valores de una inversión actualizada de la corriente
de salida de fondos donde esta se compromete en seguir avanzando durante su vida útil. Si el
VAN>0 se puede decir que una inversión es aceptable siempre y cuando el sumatorio total de los
flujos de caja estimados desde el año cero sobresale el coste inaugural del mismo. También se
dice que si este postrero antes mencionado se llegase a extender en el desarrollo de diversas
etapas se tendría que del mismo modo deducir su valor vigente. (Santos , 2008).
De esta manera se determina la viabilidad de un proyecto donde el resultado tendrá que ser el
valor actual neto. Si este es positivo el trabajo de inversión se lo llevara a cabo; si este es
negativo el trabajo de inversión no será aceptado y si fuesen dos trabajos de inversión en
conjunto este se lo ejecutara por medio del valor actual neto mayor. En el caso de que se aplique
este último razonamiento y el resultado de 0, repercutirá de igual manera la disposición de dar
apertura o el rechazo del trabajo del inversionista. (Santos , 2008)
En teoría si el VAN es mayor o igual a cero se puede decir que el proyecto de inversión es
aprobado. (Altuve , 2004)
36
CAPITULO III
3. PARTE EXPERIMENTAL
La parte experimental del proyecto se la llevará a cabo en cinco etapas que se describen a
continuación:
Primera etapa: selección, recolección y acondicionamiento de la materia prima.
Segunda etapa: Caracterización de la materia prima.
Tercera etapa: Hidrólisis básica de la cascarilla de arroz para la obtención de celulosa.
Cuarta etapa: Hidrólisis acida de la celulosa para la obtención de nanocelulosa.
Quinta etapa: Análisis de la celulosa a obtenerse por FTIR y determinación del tamaño de la
nanocelulosa por microscopia electrónica de barrido (SEM)
La materia prima seleccionada para llevar a cabo este proyecto será la cascarilla de arroz ya
que estudios realizados a la misma demuestran que se trata de un material de naturaleza
lignocelulósica. La cascarilla de arroz empleada en esta investigación será recolectada en la
empresa PORTIARROZ de la ciudad de Milagro y se trasladará al laboratorio de operaciones
unitarias de la facultad de Ingeniería Química de la universidad de Guayaquil en donde se
realizará la limpieza de la cascarilla.
Tabla 8
Reducción del tamaño de la Cascarilla del Arroz
Equipos/Materiales Sustancia
Molino de bolas Cascarilla de arroz
Estufa Agua
Tamiz vibratorio
Balanza
Fuente: Autores
37
Antes de empezar la reducción de tamaño de la cascarilla se realizará un secado de la misma
en dos tandas para lo que se usará una estufa a una temperatura de 65 °C y por un tiempo de 01 h
15 minutos cada tanda, esto con la finalidad de facilitar el proceso. Una vez transcurra el tiempo
de molienda será extraída la cascarilla del molino y con los tamices se procederá a la separación
de los diferentes tamaños de partículas, esta actividad se la repetirá por once ocasiones hasta que
se haya tamizado todo el material molido. Para llevar a cabo todas estas acciones se utilizarán los
materiales y equipos descritos en la Tabla 8.
Se lavará la cascarilla haciendo uso de un vaso de precipitado con un agitador para remover el
material hasta que el agua del proceso de lavado de la misma no salga turbia, una vez se haya
terminado el lavado se procederá a secar en la estufa a una temperatura de 60 °C por un tiempo
de 7 horas para luego pesar y guardar en fundas herméticas que impidan el ingreso de humedad
proveniente del aire.
38
horas, luego se colocará en un desecador hasta enfriar y posteriormente se procederá a pesar. Se
repetirá el proceso hasta que el peso de la capsula resulte ser constante.
Tabla 9
Equipos y Materiales para Determinación de la Humedad
Equipos/Materiales Sustancias
Estufa Cascarilla de arroz
Balanza analítica
Espátula
Capsula de porcelana
Desecador
Fuente: Autores
𝑝ℎ − 𝑝𝑠
ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 (%) = ∗ 100 [𝐸𝐶. 3]
𝑝ℎ
39
Tabla 10
Determinación de extractivos en agua fría
Equipos/Materiales Sustancias
Estufa Cascarilla de arroz
Balanza analítica Agua destilada
Desecador
Vaso de precipitado
Papel filtro
Fuente: Autores
𝑃
% 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑏𝑙𝑒𝑠(𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑟𝑖𝑎) = ∗ 100 [𝐸𝐶. 4]
𝑤
Para la determinación del contenido de extractivos en agua caliente se empezará por pesar 2 g
de muestra y se los colocará en un matraz Erlenmeyer agregando 100 ml de agua destilada, se
colocará el matraz en un baño maría y se dejará hervir por tres horas. Terminado el tiempo se
filtrará la suspensión usando un papel filtro, se lavará el residuo con agua destilada caliente y se
llevará a la estufa para secar a una temperatura de 105 °C por 2 horas hasta que se obtenga peso
constante.
Tabla 11
Determinación de extractivos en agua caliente
Equipos/Materiales Sustancias
Estufa Cascarilla de arroz
Balanza analítica Agua destilada
Desecador
Matraz Erlenmeyer
Papel filtro
Fuente: Autores
40
El contenido de extractivos se determinará mediante la Ecuación 5.
𝑃
% 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑏𝑙𝑒𝑠(𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒) = ∗ 100 [𝐸𝐶. 5]
𝑤
Tabla 12
Determinación del contenido de cenizas
Equipos/Materiales Sustancias
Estufa Cascarilla de arroz
Balanza analítica
Mufla
Crisol
Desecador
Fuente: Autores
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎𝑠
% 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎𝑠 = ∗ 100 [𝐸𝐶. 6]
𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑡𝑟𝑎
Al crisol de porcelana que contiene las cenizas, se agregarán 10 ml de ácido clorhídrico (HCl)
4 N tratando de mojar toda la ceniza adherida a las paredes; se llevará a ebullición en baño María
41
hasta que se seque. Se adicionarán 10 ml de agua destilada y se volverá a desecar, se agregarán
10 ml de HCl 1 N y se colocara la cápsula por un tiempo de 10 minutos en baño María para
luego filtrar a través de papel filtro y lavarlo con HCl al 1%. Se desecará el filtrado en una
parrilla eléctrica y luego se calcinará en una mufla a 600 °C por 2 horas; cumplido el tiempo se
pesará y registrará el peso del residuo insoluble. En la Tabla 13 se describen los materiales y
equipos que se utilizaran durante el proceso de determinación.
Tabla 13
Determinación del Contenido de Sílice
Equipos/Materiales Sustancias
Estufa Cascarilla de arroz
Mufla Ácido clorhídrico
Balanza analítica
Espátula
Crisol
Desecador
Pinzas
Parrilla eléctrica
Fuente: Autores
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠
% 𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐𝑒 = ∗ 100 [𝐸𝐶. 7]
𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑡𝑟𝑎
42
3.1.3.1. Determinación del contenido de lignina
Para la terminación del contenido de lignina se hará uso del método descrito por klason cuyo
principio radica en la cantidad de materia orgánica que permanece en un determinado material
luego de un ataque ácido. La Tabla 14 contiene todos los materiales, equipos y sustancias que
serán empleados para la determinación de este elemento.
Tabla 14
Determinación del Contenido de Lignina
Equipos/Materiales Sustancias
Estufa Cascarilla de arroz
Matraz Erlenmeyer Ácido sulfúrico
Balanza analítica Agua destilada
Mufla
Desecador
Pinzas /soporte
Parrilla eléctrica
Fuente: Autores
43
El contenido de lignina presente en la cascarilla de arroz se determinará empleando la
siguiente fórmula:
Donde:
P3: es el peso del papel filtro más el residuo seco
P2: es el peso del papel filtro
P1: es el peso de la muestra al inicio
%H: es el porcentaje de humedad de la cascarilla previamente obtenida
Tabla 15
Determinación del Contenido de Holocelulosa
Equipos/Materiales Sustancias
Estufa Cascarilla de arroz
Matraz Erlenmeyer Clorito de sodio (NaClO2)
Balanza analítica Ácido acético glacial (CH3COOH)
Gotero Agua destilada
Mufla
Desecador
Papel filtro
Parrilla eléctrica
Fuente: Autores
44
Para determinar el contenido de holocelulosa se pesarán 2 gramos de cascarilla de arroz en la
balanza analítica y se los colocará en un matraz Erlenmeyer de 500 ml de capacidad, se añadirán
al matraz 63 ml de una solución de clorito de sodio al 0.94%, se agregarán 7 gotas de ácido
acético glacial, se cubrirá el matraz con un vidrio reloj y se lo llevará a baño María a 80 °C
agitando cada cierto tiempo, el procedimiento se repetirá cada hora hasta completarse la tercera
hora del baño. Cumplida la tercera hora del baño María se introducirá el matraz en un recipiente
con agua helada con el fin de que la temperatura descienda rápidamente, se filtrará la mezcla en
papel filtro de peso conocido y se lavará con agua destilada hasta alcanzar pH neutro, luego el
sólido retenido se llevará a la estufa para secar a temperatura de 105 °C hasta alcanzar peso
constante. Del residuo seco se tomarán 100 mg y se calcinaran en la mufla a 550 °C para
determinar el contenido de materia orgánica de la holocelulosa del mismo modo que se hará con
la lignina. Adicionalmente se determinará el contenido de humedad de la holocelulosa aplicando
la norma descrita anteriormente.
Tabla 16
Determinación del contenido de celulosa
Equipos/Materiales Sustancias
Estufa Holocelulosa
Matraz Erlenmeyer Hidróxido de sodio (NaOH)
Balanza analítica Ácido acético glacial (CH3COOH)
Desecador Agua destilada
Mufla
Papel filtro
Fuente: Autores
45
El contenido de celulosa presente en la cascarilla de arroz se lo obtendrá empleando la
holocelulosa obtenida mediante la técnica anterior y algunas sustancias que se describen en la
Tabla 16. Para llevar a cabo esta determinación se pesará 1 gramo de holocelulosa en la balanza
analítica y se colocará en un matraz Erlenmeyer de 250 ml, se prepararán 12.5 ml de hidróxido
de sodio al 17.5 % de concentración y se añadirán 5 ml de la solución al matraz para luego
agitar, cada 5 minutos se agregarán 2.5 ml de hidróxido de sodio al 17.5% de concentración
hasta completar 12.5 ml, se agitará y se dejará reposar por 30 minutos.
Pasado 30 minutos se añadirán 26.35 ml de agua destilada a la mezcla para pasar de una
concentración de 17.5% al 8.3%, se agitará la mezcla se la dejará por 1 hora a temperatura
ambiente agitando de vez en cuando, cumplido este tiempo se filtrará la mezcla en papel filtro de
peso conocido, se lavará primeramente con 50 ml de una solución de hidróxido de sodio al 8.3%
y luego con agua destilada, se repetirá este procedimiento una vez más y luego se agregaran 17.5
ml de ácido acético al 10% y se dejará en reposo por 10 minutos.
Transcurridos los 10 minutos de reposo se lavará con agua destilada hasta alcanzar pH neutro
y se llevará a la estufa a 105 °C hasta registrar peso constante. De la celulosa ya seca se tomarán
100 mg y se calcinarán a 550 °C por dos horas para determinar el contenido de materia orgánica
de la celulosa.
46
Todo el proceso de caracterización de la materia prima se lo realizará por triplicado con la
finalidad de llevar un registro estadístico de los resultados obtenidos y determinar la
confiabilidad de los mismos.
Impurezas
Cascarilla
Cascarilla de Reducción de
Selección Tamizado
arroz tamaño
Agua
Selección de Agua
Lavado
tamaño residual
Cascarilla
NaOH
Celulosa
NaClO al Agua
Blanqueamiento Lignina + NaClO
1%
Remoción de HCl +
HCl al 0.65%
hemicelulosa Hemicelulosa
Secado Celulosa
Agua
Fuente: Autores
La celulosa que se obtendrá luego del proceso de cocción será lavada con agua destilada hasta
llegar a pH neutro posteriormente se secará en la estufa a 105 °C por 3 horas, luego se trasladará
la celulosa a un desecador para enfriar e impedir que adquiera humedad, se pesará la celulosa y
se registrará el peso, esto se repetirá para todos los demás procesos de cocción.
48
contenido de holocelulosa como un paso previo para determinar la cantidad de celulosa
adicionalmente se obtendrá la cantidad de hemicelulosa presente en cada determinación.
Se determinará el orden de la reacción para las tres concentraciones con la que se obtuvo la
celulosa, se llevaran a cabo dos métodos gráficos para obtener un orden de la reacción para las
diferentes concentraciones. Primero se llevará a cabo el método integral y luego el método
diferencial. El primero consiste en graficar la integral de la concentración con respecto al
tiempo, el segundo método utiliza la derivada de la ecuación exponencial para obtener la
velocidad instantánea para un tiempo determinado y luego graficar el logaritmo natural de las
velocidades instantáneas vs el logaritmo natural de la concentración y cuya pendiente resultante
será tomado como el orden de la reacción.
49
𝑙𝑛 𝑟𝑓 − 𝑙𝑛 𝑟𝑖
𝑙𝑛 𝐾 = [𝐸𝐶. 13]
𝑙𝑛 𝐶𝑓 − 𝑙𝑛 𝐶𝑖
Una vez se haya obtenido el logaritmo neperiano de la constante de velocidad para todas las
concentraciones y velocidades instantáneas se procederá a obtener el valor promedio del
logaritmo de la constante para luego elevarlo al exponente (Ecuación 14), el valor resultante de
dicha operación será la constante de velocidad de la reacción.
𝑒 𝑙𝑛 𝐾 [𝐸𝐶. 14]
Cuando ya se haya obtenido el orden de la reacción y la constante de velocidad para cada una
de las concentraciones con las que se llevará a cabo la reacción de hidrólisis básica ya es posible
obtener la velocidad de la misma.
50
H2SO4 al 64%
(p/p) Agua destilada
Hidrólisis ácida
Reducción de Detención de
Celulosa 45 °C
tamaño hidrólisis
45 min.
Lavado por
Agua
centrifugación Agua ácida
Sobrenadante
destilada
3600 rpm
Nanocelulosa
Fuente: Autores
51
El sobrenadante resultante corresponderá a los Nanocristales de celulosa y la parte
sedimentada a la microfibra de celulosa, el método que se pondrá en consideración para el lavado
de los dos productos obtenidos fue la centrifugación, no es un método de lavado muy eficiente,
pero en comparación al lavado mediante diálisis es mucho más económico y se puede obtener un
potencial de hidrogeno neutro de manera más acelerada.
Antes de proceder analizar la muestra de celulosa esta debe encontrarse en estado sólido y
bien seca, luego con la ayuda de un mortero se procederá a pulverizar un tanto de la muestra la
52
misma que se mezclará con una pequeña cantidad de bromuro de potasio, para luego seguir
moliendo hasta que la muestra quede homogénea.
Cuando la muestra de celulosa esta lo más pulverizada posible se realiza una pastilla y se la
introduce a la cámara de lecturas del espectrofotómetro, todo este procedimiento es repetido con
la celulosa comercial (patrón).
Una vez se han introducido las muestras se comenzará con la lectura que quedaran registradas
en la computadora.
barrido (SEM)
Cuando las muestras se encuentren bien secas se procederán a tomar cada una de ellas para
recubrirlas con oro por un tiempo no mayor a 2 minutos para luego pasarlas al microscopio para
captar las muestras y capturar las micrografías donde se podrán observar la forma de los
nanocristales y de la microfibra y el tamaño de dichos materiales.
Una meta de esta investigación será la realización del escalado industrial del proceso de
obtención de nanocelulosa, adoptando como base las condiciones de proceso y método empleado
para la obtención de este producto a nivel de laboratorio. En el escalado industrial para la
53
obtención del producto se tomarán en cuenta algunas variables de suma importancia para un
correcto funcionamiento del proceso.
Una vez conocido el costo de los equipos del proceso productivo, del terreno y determinada la
superficie de construcción de la planta con la correspondiente delimitación de sus áreas referidas
a cada etapa de producción, se empezará a determinar el monto de inversión para los activos fijos
a los que se le sumarán los equipos de oficina y de transporte. Se fijará un imprevisto
correspondiente al 5% de estos activos.
54
Se calculará un capital de operación tomando en cuenta: la cantidad de materiales directos a
utilizarse en el proceso, los gastos derivados de la comercialización del producto, egresos totales
y administrativos y carga fabril.
Se determinarán los costos de fabricación que encierran todo lo referente a materia prima,
materiales, directos y mano de obra directa. También se procederá a encontrar los gastos de
fabricación, gastos financieros y gastos de carácter administrativo.
Para la determinación de los flujos de fondos efectivos se sumarán otros aspectos como la
amortización de activos diferidos, depreciación, utilidades e impuestos que sumados a los
mencionados anteriormente contribuyen para dicho propósito. Para el cálculo de estos flujos se
tendrá en cuenta una taza de interés del 10% a 10 años plazo.
55
CAPITULO IV
4.2. Introducción
Para la consecución del proyecto la materia prima utilizada fue la cascarilla de arroz adquirida
a la empresa arrocera PORTIARROZ S. A, ubicada en la ciudad de Milagro. Además de la
cascarilla de arroz para la obtención de nanocelulosa se requirió de otros tipos de insumos que
son muy importantes dentro del proceso productivo, estos insumos se encuentran detallados en el
Anexo G, Tabla 73
Para la producción de nanocelulosa se requirió de una serie de equipos que son necesarios
para la consecución de un producto de calidad. Puesto que para la fabricación de este producto se
tomó la celulosa contenida en la cascarilla de arroz, se necesitó equipos de similares
características a los utilizados en la obtención de celulosa a partir de la madera. En el Anexo C
se especifican los equipos que se utilizaron para la obtención de nanocelulosa.
56
o Tiempo de residencia
o Concentración de las soluciones
57
El cálculo del área de construcción de la planta fue de 18,069 m2, dentro de los que se incluyó
áreas: administrativas, de producción, parqueaderos, vías internas y almacenamiento de materia
prima y de producto terminado. Los 11,931 m2 restantes fueron destinados a áreas verdes de
recreación.
Para la distribución de las áreas de la planta se tuvo en cuenta la influencia de cada área
dentro de la misma por esta razón se destinó 4000 m2 al área de producción donde se incluye;
ingeniería del producto, ingeniería de la planta, manufactura y el departamento de control de
calidad. La Tabla 17 muestra la superficie de construcción y los precios de las edificaciones y
obras completarías, los detalles de las áreas que se construirán se encuentran en el Anexo G-
Tabla 75.
Tabla 17
Costo de construcción de edificaciones
58
4.4.3. Obras complementarias y servicios
Los equipos de oficina son todos los enseres requeridos principalmente por las áreas de
administración de la empresa para un correcto funcionamiento, el rubro que se destinó para este
fin fue de $11,907.00.
4.5.2. Imprevistos
En esta sección el proyecto cubrirá todo tipo de inversión que guarde relación con
ordenamiento y legitimación de la empresa que vislumbrará todo lo que respecta a tributaciones
fiscalizadoras, asesoría jurídica, creación de un documento público previo a una escritura,
asesoría contable etc. Este valor se fijó en $ 20,000.00 dólares.
Los aspectos que se tuvo en cuenta para la etapa de operación del proyecto, para garantizar y
permitir un adecuado manejo de los gastos e identificar en cualquier momento cual el
59
patrimonio de la empresa. Estos aspectos que se enlistan a continuación se encuentran detallados
en el Anexo G-Tabla 78.
o Egresos de comercialización
o Egresos totales y administrativos
o Provisión de materiales
o Carga fabril
Todas las inversiones de carácter fijo que se consideraron para el arranque del proyecto de
obtención de nanocelulosa a partir de la cascarilla de arroz se las puede observar en detalle en la
Tabla 18. Estas inversiones son las que representan el mayor gasto de constitución del proyecto.
Tabla 18
Resumen de inversiones
Fuente: Autores
60
4.9. Diseño y Dimensionamiento de Equipos
Para determinar el volumen del reactor fue primordial conocer la cantidad de material
reactante que ingresará al mismo para lo cual se determinó los caudales volumétricos de entrada
al reactor tanto de cascarilla como de la solución de hidróxido de sodio. Como medida de
prevención y pensando en una futura expansión de la planta se sobredimensionaron los equipos
en 20% con respecto a su capacidad.
𝑘𝑔 1𝑚3 𝑚3
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 426.58 ∗ + 3.626
ℎ 1420 𝑘𝑔 ℎ
𝑚3 𝑚3 𝑚3
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 0.300 + 3.626 = 3.926
ℎ ℎ ℎ
𝑚3
𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 3.926 ∗ 1.5 h
ℎ
61
𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 5.889 𝑚3
Como medida de seguridad, a pesar de que el reactor contará con bafles para descartar la
formación de vórtices y en consecuencia un posible derrame del líquido por las paredes del
mismo, se dejó un margen de seguridad del 15% del volumen total del reactor, este porcentaje es
el que más se maneja según las literaturas consultadas. Este margen de volumen sirvió para más
adelante determinar el porcentaje de carga del reactor. El volumen mínimo del reactor
considerando el margen de seguridad se lo determinó mediante la Ecuación 17. (Cálculos, 2016,
pág. 75)
𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎
𝑉𝑇,𝑚 = [𝐸𝐶. 17]
(1 − 0.15)
5.889 𝑚3
𝑉𝑇,𝑚 = = 6.928 𝑚3
(1 − 0.15)
Para empezar a calcular el tamaño de la parte cilíndrica del reactor fue necesario tomar en
cuenta el tipo de agitador que se usará para el mismo y los factores de forma que determinarán
las dimensiones del reactor y que ayudarán a que la agitación dentro del reactor sea mucho más
eficiente.
𝐷𝑎 1 H j 1
= [𝐸𝐶. 18] =1 [𝐸𝐶. 19] = [𝐸𝐶. 20]
𝐷𝑡 3 𝐷𝑡 𝐷𝑡 12
E 1 w 1 L 1
= [𝐸𝐶. 21] = [𝐸𝐶. 22] = [𝐸𝐶. 23]
𝐷𝑡 3 𝐷𝑎 5 𝐷𝑎 4
62
Para determinar el volumen del tanque del reactor se empleó la Ecuación 24.
𝜋
𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = ∗ 𝐷2 ∗ 𝐻 [𝐸𝐶. 24]
4
En este caso se hizo una pequeña modificación en cuanto a la relación altura/diámetro del
tanque sin alterar de manera significativa el diseño estandarizado del reactor, en este sentido la
H
relación altura diámetro del tanque fue de = 1.6. Se obtuvo el diámetro del tanque aplicando
𝐷𝑡
la Ecuación 25.
3 4 ∗ 𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
𝐷=√ [𝐸𝐶. 25]
2∗𝜋
3 4 ∗ 6.928 𝑚3
𝐷=√ 1.64 m
2∗𝜋
Como la relación altura/diámetro del tanque es 1.6 entonces se obtuvo para la altura del
tanque el siguiente valor:
Con los datos de altura y diámetro calculados anteriormente se procedió a calcular las
dimensiones reales del tanque del reactor, pero para tener medidas estandarizadas se redondeó el
diámetro del reactor a 2 m y la altura a 3 m y se calculó el volumen real del reactor con dichas
medidas. Aplicando la fórmula anterior se tuvo que el volumen real del tanque fue:
𝜋
𝑉𝑟𝑒𝑎𝑙 = ∗ 𝐷2 ∗ 𝐻 [𝐸𝐶. 27]
4
𝜋
𝑉𝑟𝑒𝑎𝑙 = ∗ (2)2 ∗ (3)
4
𝑉𝑟𝑒𝑎𝑙 = 9.42 𝑚3
63
4.9.1.3. Capacidad de ocupación del tanque
La capacidad de ocupación del tanque se la determinó una vez se hubo calculado todos los
volúmenes, para determinar esta capacidad se empleó la Ecuación 28.
𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎
# tanques
% 𝑉𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑑𝑜 = ∗ 100 [𝐸𝐶. 28]
𝑉𝑟𝑒𝑎𝑙
5.889 𝑚3
1
% 𝑉𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑑𝑜 = ∗ 100 = 61.21%
9.42 𝑚3
1
𝐷𝑎 = ∗ 𝐷𝑡 [𝐸𝐶. 29]
3
Tabla 19
Dimensionamiento de los elementos de agitación
Factor Ecuación # de Ecuación Medida Unidad
Diámetro del agitador 1 [𝐸𝐶. 30] 0.67 m
𝐷𝑎 = ∗2
3
Ancho de los bafles 1 [𝐸𝐶. 31] 0.17 m
𝑗= ∗2
12
Distancia del agitador al 1 [𝐸𝐶. 32] 0.67 m
𝐸 = ∗2
fondo del tanque 3
64
Para determinar la potencia del motor de agitación se procedió a calcular el número de
Reynolds y número de potencia, se tuvo en consideración que este tipo de agitador tiene un
rango de velocidad que va de 50 a 500 rpm. Por la naturaleza de la mezcla con la que trabajará se
optó por una velocidad de agitación de 240 rpm.
𝑘𝑔 𝑔 𝑘𝑔
𝜇 = 4.2 𝑐𝑝 = 4.2 ∗ 10−3 𝜌 = 1.15 = 1150 3
𝑚∗𝑠 𝑚𝑙 𝑚
𝜌 ∗ 𝑛 ∗ 𝐷𝑎 2
𝑅𝑒 = [𝐸𝐶. 35]
𝜇
𝑘𝑔
1150 𝑚3 ∗ 4 𝑟𝑝𝑠 ∗ (0.67)2
𝑅𝑒 = 𝑘𝑔 = 491652.38
4.2 ∗ 10−3 𝑚∗𝑠
El valor de Reynolds que se obtuvo fue mayor a 10000, de acuerdo a (Harriot, Smith, &
McCabe, 2007) cuando 𝑅𝑒 ˃104 entonces 𝑁𝑝 = 𝐾𝑇 (Cuadro 1), en este caso para un agitador
tipo turbina de seis aspas 𝑁𝑝 = 5.75.
𝑁𝑝 ∗ 𝐷𝑎 5 ∗ n3 ∗ 𝜌
𝑃= [𝐸𝐶. 36]
𝑔
𝑘𝑔
5.75 ∗ (0.67 𝑚)5 ∗ (4 𝑟𝑝𝑠)3 ∗ 1150 𝑚3
𝑃= 𝑚 = 5824.39 𝑤
9.81 𝑠2
𝑃 = 5.824 𝑘𝑤 = 7.81 ℎ𝑝
4.9.1.5. Determinación del grosor de las paredes del cilindro y grosor de la tapa
La temperatura al interior del reactor estará en el rango de 102 a 120 °C, este rango de
temperatura se lo determinó como resultado de la fase de experimentación del proceso de
obtención de celulosa mediante el empleo de solución de hidróxido de sodio. La presión
correspondiente a dicho rango de temperatura ser estimó en el rango de 5 a 6 bares, tomando
como referencia la presión medida en la fase de experimentación; para determinar el grosor de
las paredes del tanque se tomó el mayor valor de temperatura y presión. A partir de estos valores
se procedió a determinar tanto la temperatura de diseño como la presión.
Presión de diseño: Para determinar la presión de diseño del reactor se aumentó la presión de
trabajo en un 10% (Sieir Pereira, Garcia Casassas, & Tkatchenko, 2016) de esta manera la
presión de diseño será:
66
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 1.1 ∗ 𝑃𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 [𝐸𝐶. 38]
Cilindro: El material de construcción del reactor será acero inoxidable 304 L el cual se
adapta mejor a las condiciones de operación del reactor. Según la normativa ASME el grosor de
las paredes de un reactor se calcula aplicando la Ecuación 39.
𝑃𝑐 ∗ 𝑅𝑖,𝑐
𝑡𝑐 = + 𝐶. 𝐴 [𝐸𝐶. 39]
𝑆 ∗ 𝐸 − 0.6 ∗ 𝑃𝑐
67
Para la determinación del diámetro externo del cilindro se aplicó la Ecuación 40 como se
recomienda en (Cálculos, 2016, pág. 82)
Tapa y fondo: Para determinar el espesor del fondo y el cabezal del reactor se tomó como
referencia los parámetros propuesto por la ASME indicados en el Cuadro 3.
La relación L/r para hallar M (Cuadro 3) se encontró mediante el empleo de la Ecuación 41,
42 y 43. (Cálculos, 2016, pág. 80)
68
𝐿 = 100% ∗ 𝐷 = 2 𝑚 [𝐸𝐶. 41]
𝐿 2
= = 10 [𝐸𝐶. 43]
𝑟 0.2
Para esa cantidad obtenida L/r el Cuadro 3 mostró un valor de M de 1.54. La ecuación a
empleada para determinar el grosor de la tapa y el fondo del reactor es la misma que se encuentra
en el Cuadro 3 sumado la tolerancia a la corrosión. (Cálculos, 2016, pág. 80)
𝑃𝑐 ∗ L ∗ M
𝑡𝑡𝑎𝑝𝑎 = + 𝐶. 𝐴 [𝐸𝐶. 44]
2 ∗ 𝑆 ∗ 𝐸 − 0.2 ∗ 𝑃𝑐
Este grosor solo se lo empleará para la tapa del reactor ya que para el fondo del mismo se
utilizará el mismo diámetro externo del cilindro.
69
Altura de la tapa y fondo: La empresa fabricante de los cabezales ´´Koenig-co’’ ofrece las
ecuaciones que permiten el cálculo del diámetro y altura de la tapa y fondo del reactor.
Altura del cilindro del reactor: Una vez obtenida la altura de la tapa y fondo del reactor se
procedió a calcular la altura total del cilindro. (Cálculos, 2016, pág. 83)
70
Calor ganado: La cantidad de calor ganado se obtuvo producto de la suma del calor
requerido por la cascarilla y el calor requerido del hidróxido de sodio.
Cascarilla:
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 426.58 𝑘𝑔 ∗ 3.60 ∗ (120 − 30)
𝑘𝑔 °𝐶
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 138211.92
ℎ
Hidróxido:
kal
𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 4397.12 𝑘𝑔 ∗ 0.969 ∗ (120 − 30)
𝑘𝑔 °𝐶
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 383472.83
ℎ
Calor total:
Masa de vapor requerido: La temperatura de entrada del vapor de agua será de 270 °C con
una presión correspondiente a dicha temperatura de 55 bares y los valores para 𝐻𝑣 y 𝐻𝐿 fueron
665.9 y 283.0 kcal/h respectivamente.
71
𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑚 ∗ (𝐻𝑣 − 𝐻𝐿 ) [𝐸𝐶. 54]
𝑘𝑔
𝑚𝑣 = 1,362.46
ℎ
𝜌 ∗ 𝑛 ∗ 𝐷𝑎 2
𝑅𝑒 = [𝐸𝐶. 56]
𝜇
𝑘𝑔
1150 𝑚3 ∗ 4 𝑟𝑝𝑠 ∗ (0.67)2
𝑅𝑒 = 𝑘𝑔 = 491652.38
4.2 ∗ 10−3 𝑚∗𝑠
𝑘𝑐𝑎𝑙 kg
𝐶𝑝 ∗ 𝜇 0.11 𝑘𝑔.°𝐶 ∗ 15.12 𝑚.ℎ
𝑃𝑟 = = 𝑘𝑐𝑎𝑙 = 0.30 [𝐸𝐶. 57]
𝐾 12.81 ℎ.𝑚.°𝐶
El valor del número de Reynolds (Ecuación 58) indica que se trata de un régimen turbulento
entonces Nusseltl quedara expresado de la siguiente manera:
1 𝜇𝐿 0.14
𝑁𝑢 = 0.027 ∗ (𝑅𝑒 )0.8 ∗ (𝑃𝑟 )3 ∗ ( ) [𝐸𝐶. 58]
𝜇𝑣
72
Como los valores de viscosidad del fluido y del vapor son muy parecidos, entonces expresión
siguiente se simplifica a 1.
𝜇𝐿
=1
𝜇𝑣
1
𝑁𝑢 = 0.027 ∗ (491652.38)0.8 ∗ (0.30)3 = 646.24
ℎ𝑖 ∗ 𝐷𝑖
𝑁𝑢 = [𝐸𝐶. 59]
𝑘
Para poder obtener el coeficiente global de transmisión de calor se asumió un valor de para ℎ𝑜
en este caso fue de 5000 kcal/h. m °C.
1
U= 𝐷 [𝐸𝐶. 61]
𝐷𝑜 𝐷𝑜 ∗𝑙𝑛 𝐷𝑜 1
+ 𝑖
+ℎ
𝐷𝑖 ∗ℎ𝑖 2∗𝑘 𝑜
1 𝑘𝑐𝑎𝑙
U= 2.019 m = 841
2.019 m 2.019 m∗𝑙𝑛 1 h. 𝑚. °𝐶
𝑘𝑐𝑎𝑙 + 2m
𝑘𝑐𝑎𝑙 + 𝑘𝑐𝑎𝑙
2∗4139 2∗12.81 5000
h.𝑚.°𝐶 h.𝑚.°𝐶 h.𝑚.°𝐶
𝑘𝑐𝑎𝑙
U = 841
ℎ. 𝑚2 . °𝐶
73
subíndices Cs y fs se refieren a los fluidos caliente y frio a la salida del intercambiador. (J.
Chapman, 1984, pág. 572)
∆𝑇1 − ∆𝑇2
∆𝑇𝑙𝑛 = ∆𝑇
[𝐸𝐶. 64]
𝒍𝒏 (∆𝑇1 )
2
240 − 50
∆𝑇𝑙𝑛 = 240
= 121.12°𝐶
𝒍𝒏 ( 50 )
Área de calentamiento:
𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑐𝑎𝑙
521684.75 = 841 ∗ 𝐴 ∗ 87.85 °𝐶
ℎ ℎ. 𝑚2 . °𝐶
𝐴 = 5.12 𝑚2
Para la determinación del peso del tanque se procedió a calcular el volumen de la pared del
cilindro del reactor y los volúmenes de la pared de la tapa y el fondo del reactor para luego
utilizando la densidad del material de construcción proceder a determinar el peso del reactor.
74
Para encontrar el volumen del reactor se tuvo que calcular el volumen interno y externo de la
parte cilíndrica del reactor utilizando las Ecuaciones 65 y 66. (Cálculos, 2016, pág. 90)
𝐷𝑡,𝑖 2
𝑉𝑖,𝑐 = 𝜋 ∗ ( ) ∗𝐻 [𝐸𝑐. 65]
2
2m 2
𝑉𝑖,𝑐 = 𝜋 ∗ ( ) ∗ 3 𝑚 = 9.42 𝑚3
2
𝐷𝑡,𝑒 2
𝑉𝑒,𝑐 = 𝜋 ∗ ( ) ∗𝐻 [𝐸𝑐. 66]
2
2.019 m 2
𝑉𝑒,𝑐 = 𝜋∗( ) ∗ 3 𝑚 = 9.60 𝑚3
2
La diferencia de ambos diámetros resultó ser el volumen del cilindro (Ecuación 67).
(Cálculos, 2016, pág. 91)
3
𝑉𝑖 (𝑡,𝑓) = 0.1 ∗ (𝐷𝑡,𝑖 ) [𝐸𝑐. 68]
75
3
𝑉𝑒 (𝑡,𝑓) = 0.1 ∗ (𝐷𝑖,𝑖 + 𝑡𝑡𝑎𝑝𝑎 ) [𝐸𝑐. 69]
𝐷𝑡,𝑐ℎ 2
𝑉𝑖,𝑐ℎ = 𝜋∗( ) ∗𝐻 [𝐸𝑐. 72]
2
2.3 m 2
𝑉𝑖,𝑐 = 𝜋 ∗ ( ) ∗ 3 𝑚 = 12.46 𝑚3
2
𝐷𝑒,𝑐ℎ 2
𝑉𝑒,𝑐ℎ = 𝜋 ∗ ( ) ∗𝐻 [𝐸𝑐. 73]
2
76
2.3086 m 2
𝑉𝑒,𝑐ℎ = 𝜋∗( ) ∗ 3 𝑚 = 12.56 𝑚3
2
Volumen de la chaqueta
77
Para determinar el peso del reactor se usó la densidad del material de construcción del reactor
el cual es acero inoxidable 304 L y cuya densidad es de 7900 kg/m3 la Ecuación 78 corresponde
al cálculo del peso del reactor.
kg
𝑚𝑅 = 0.34 𝑚3 ∗ 7900 = 2,686 𝑘𝑔
𝑚3
𝑚𝑅 = 2.686 𝑇𝑜𝑛.
Ese peso obtenido del reactor corresponde netamente al peso del equipo vació.
𝑘𝑔
𝑚𝑅,𝑂 = 2,686 kg + 5.889 𝑚3 ∗ 1150 = 9,458.35 𝑘𝑔
𝑚3
La cotización de los materiales para la fabricación del reactor se la realizó tomando en cuenta
los valores referenciales que otorga en su catálogo digital Alibaba. A estos precios referenciales
se les sumaron los costos de importación, motivo por el cual se duplicó el valor del precio
78
referencial. También se pudo cotizar el precio de un reactor de similares características para
comparar entre uno y otro costo. Además de la construcción del reactor se planteó construir una
estructura metálica que le brinde soporte al reactor, el material del que estará construida esta
estructura será acero al carbono de alto espesor y un diámetro adecuado para soportar el peso del
reactor.
El costo de construcción de este reactor asciende a 35,837.06 dólares la estructura de costos se
detalla en el Anexo D-Tabla 69-72.
Para el diseño de este reactor se siguió la misma hoja de ruta que para el reactor de hidrólisis
básica, pero con dimensiones más pequeñas ya que este procesará 1363.7 toneladas de celulosa
al año, teniendo en consideración un 20% más de la capacidad de producción. Se plantea
producir 157.83 kilogramos de nanocelulosa por hora para ello se llevará a cabo una hidrólisis
ácida con ácido sulfúrico al 64% en una relación celulosa ácido de 1:8 y un tiempo de hidrólisis
de 45 minutos.
𝑘𝑔 1𝑚3 𝑚3
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 157.83 ∗ + 1.263
ℎ 1500 𝑘𝑔 ℎ
𝑚3 𝑚3 𝑚3
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 0.105 + 1.263 = 1.368
ℎ ℎ ℎ
Para el volumen del reactor se aumentó como medida de seguridad un 15% respecto al
volumen de la mezcla y para el dimensionamiento se consideró la relación altura-diámetro (H/D)
de 1.6. Tabla 20.
79
Tabla 20
Dimensiones del tanque del reactor de hidrólisis ácida
Volumen Unidad
Volumen de mezcla 1.98 𝑚3
Volumen mínimo del reactor 2.33 𝑚3
Diámetro del reactor 1.14 m
Altura del reactor 1.82 m
Volumen real del reactor 3.53 𝑚3
% ocupación del reactor 56.02 %
Fuente: Autores
Por motivos de estándares es más factible trabajar con un diámetro del reactor de 1.5 en lugar
de 1.14 y la altura del mismo pasará de 1.82 a 2 metros, estos valores fueron los utilizados para
continuar los cálculos en lugar de los obtenidos.
Para la agitación y potencia del motor se consideró los mismos factores de forma que en el
caso del reactor anterior y que de detallan en la Tabla 21.
Tabla 21
Dimensionamiento de la agitación del reactor de hidrólisis ácida
Dimensionamiento de los elementos de agitación
Factor Ecuación # de ecuación Medida Unidad
Diámetro del agitador 1 [EC. 30] 0.50 m
𝐷𝑎 = ∗ 1.5
3
Ancho de los bafles 1 [EC. 31] 0.125 m
𝑗= ∗ 1.5
12
Distancia del agitador al 1 [EC. 32] 0.50 m
𝐸 = ∗ 1.5
fondo del tanque 3
80
Para encontrar el número de Reynolds y el número de potencia se consideraron las
propiedades y condiciones que se detallan en la Tabla 22.
Tabla 22
Condiciones de mezcla en reactor de hidrólisis ácida
Cantidad Unidad
Viscosidad 1.4 ∗ 10−2 Kg/m.s
Velocidad de agitación 5 𝑟𝑝𝑠
Densidad de la mezcla 1450 Kg/𝑚3
Número de Reynolds 258928.57 ----
Número de potencia 5.75 ----
Potencia del agitador 4.45 hp
Fuente: Autores
4.9.2.4. Determinación del grosor de las paredes del cilindro y grosor de la tapa
Tabla 23
Temperatura y presión de diseño del reactor de hidrólisis
ácida
Temperatura
Cantidad Unidad
De trabajo 45 °C
De diseño 95 °C
Presión
De trabajo 4 𝑃𝑎
De diseño 4.4 𝑃𝑎
Fuente: Autores
81
Grosor del cilindro, tapa y fondo del reactor:
El material de construcción del reactor será acero inoxidable 304 L al igual que el reactor
anterior. Tanto el grosor de las paredes del cilindro, así como el de la tapa y fondo del mismo se
presentan en la Tabla 24.
Tabla 24
Grosor de paredes y diámetro externo del reactor de hidrólisis ácida
Cilindro
Tamaño Unidad
Grosor 5.59 mm
Diámetro externo 1505.6 mm
Tapa
Grosor 7.52 mm
Diámetro externo 1507.5 mm
Altura 313.14 mm
Fondo
Grosor 5.59 mm
Diámetro externo 1504.4 mm
Altura 313.14
Altura final del reactor 2626.28 mm
Fuente: Autores
El diámetro externo del fondo del tanque se consideró el mismo que el diámetro externo del
cilindro. La altura total del cilindro fue de 2.63 m.
La sustancia escogida para el calentamiento de la mezcla dentro del reactor será el vapor de
agua a 120 °C y 2 bares de presión. A estas condiciones se determinó la cantidad de calor
requerido por la mezcla para el proceso de hidrólisis ácida, en la Tabla 25 se muestra la cantidad
de vapor encontrado para calentar la mezcla.
82
Tabla 25
Cantidad de calor requerido en tanque de hidrólisis ácida
Tabla 26
Propiedades del área de calentamiento del reactor de hidrólisis ácida
Propiedad Valor Unidad
Reynolds 258928.57 -----
Prandtl 0.43 -----
Nusselt 436 -----
Coeficiente de película interna 3723 Kcal/h.m.°C
Coeficiente de película externa (asumido) 4200 Kcal/h.m2.°C
Coeficiente de trasferencia de calor 1376 Kcal/h.m2.°C
Diferencia media logarítmica de temperatura 61.65 °C
Área de calentamiento 3.58 m2
Peso del reactor vacío 0.59 Tm
Peso del reactor en operación 3.46 Tm
Fuente: Autores
83
4.9.2.6. Estructura de costos para construcción de reactor de hidrólisis ácida
Para la determinación del costo de los materiales para la construcción de este reactor al igual
que en el reactor de hidrólisis básica se tomaron como referencia los precios de materiales y
equipos catalogados en Alibaba. El valor destinado a la construcción de este reactor será de
26,553.43 dólares, los detalles de los gastos se los encuentra en el Anexo D-Tabla 73-76.
𝑘𝑔 1𝑚3 𝑚3
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 213.29 ∗ + 2.133
ℎ 1500 𝑘𝑔 ℎ
𝑚3 𝑚3 𝑚3
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 0.142 + 2.133 = 2.275
ℎ ℎ ℎ
84
Tabla 27
Dimensiones del tanque del reactor de lavado de celulosa
Volumen Unidad
Volumen de mezcla 2.73 𝑚3
Volumen mínimo del reactor 3.21 𝑚3
Diámetro del reactor 1.27 m
Altura del reactor 2.03 m
Volumen real del reactor 4.42 𝑚3
% ocupación del reactor 62 %
Fuente: Autores
Por consideraciones de diseño se tomó el diámetro del agitador como 1.5 y la altura de 2.5 y
no los calculados (Tabla 28).
Para la agitación y potencia del motor se consideraron los mismos factores de forma que en el
caso del reactor anterior, para este caso las dimensiones se muestran en la Tabla 28.
Tabla 28
Dimensionamiento de la agitación del reactor de lavado de celulosa
Dimensionamiento de los elementos de agitación
Factor Ecuación # Ecuación Medida Unidad
Diámetro del agitador 1 [EC.30] 0.50 m
𝐷𝑎 = ∗ 1.5
3
Ancho de los bafles 1 [EC.31] 0.125 m
𝑗= ∗ 1.5
12
Distancia del agitador al fondo del tanque 1 [EC.32] 0.50 m
𝐸 = ∗ 1.5
3
Altura de las aspas 1 [EC.33] 0.10 m
𝑤 = ∗ 0.50
5
Longitud de las aspas 1 [EC.34] 0.125 m
𝐿 = ∗ 0.50
4
Fuente: Autores
85
Para encontrar el número de Reynolds y el número de potencia se consideraron las
propiedades y condiciones que se presentan en la Tabla 29.
Tabla 29
Condiciones de mezcla en reactor de lavado de celulosa
Cantidad Unidad
Viscosidad 3.6 ∗ 10−3 Kg/m.s
Velocidad de agitación 4 𝑟𝑝𝑠
Densidad de la mezcla 1450 Kg/𝑚3
Número de Reynolds 281250 ----
Número de potencia 5.75 ----
Potencia del agitador 2.28 = 3 hp
Fuente: Autores
4.9.3.3. Determinación del grosor de las paredes del cilindro y grosor de la tapa
Tabla 30
Temperatura y presión de diseño del reactor de lavado de
celulosa
Temperatura
Cantidad Unidad
De trabajo 70 °C
De diseño 120 °C
Presión
De trabajo 5 𝑃𝑎
De diseño 5.5 𝑃𝑎
Fuente: Autores
86
Grosor del cilindro, tapa y fondo del reactor:
El material de construcción del reactor será acero inoxidable 304 L al igual que el reactor
anterior. Los diámetros y espesor de las paredes del cilindro y de la tapa y fondo del mismo asi
como la altura que tendrá el reactor aparecen detallados en la Tabla 31.
Tabla 31
Grosor de paredes y diámetro externo del reactor de lavado de
celulosa
Cilindro
Tamaño Unidad
Grosor 6.55 mm
Diámetro externo 1,506.55 mm
Tapa
Grosor 8.99 mm
Diámetro externo 1,508.99 mm
Altura 210.85 mm
Fondo
Grosor 6.55 mm
Diámetro externo 1513.1 mm
Altura 210.85 mm
El diámetro externo del fondo del tanque se considera el mismo que el diámetro externo del
cilindro. La altura total del cilindro será 2.92 m.
La sustancia escogida para el calentamiento de la sustancia dentro del reactor fue el vapor de
agua a 140 °C y 3.76 bares de presión.
La masa de agua requerida para calentar este reactor se muestra en la Tabla 32.
87
Tabla 32
Cantidad de calor requerido en tanque de lavado de celulosa
Cantidad de calor requerido
Calor ganado
Cantidad Unidad
Celulosa 42658 Kcal/h
NaClO 109200 Kcal/h
Total 151858 Kcal/h
Calor cedido
Vapor 151858 Kcal/h
Cantidad de calor
Masa de vapor 300.94 Kg/h
Fuente: Autores
Tabla 33
Propiedades del área calentamiento del reactor de lavado de celulosa
88
4.9.3.5. Estructura de costos para construcción de reactor de lavado de celulosa
Al igual que los otros dos reactores, para este reactor la cotización de los materiales para la
construcción del mismo se la realizó por medio del portal de compra en línea Alibaba y tomando
como base los costos de los materiales consultados se realizó una estructura de costos mediante
la cual se pudo obtener un valor de construcción para este equipo de 27,244.49, el desglose de
esta suma se la puede encontrar en el Anexo D-Tabla 77-80.
𝑘𝑔 1𝑚3 𝑚3
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 187.70 ∗ + 1.877
ℎ 1500 𝑘𝑔 ℎ
𝑚3 𝑚3 𝑚3
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 0.125 + 1.877 = 2.00
ℎ ℎ ℎ
89
𝑚3
𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 2.00 ∗ 1 h ⇒ 𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 2.00 𝑚3
ℎ
Volumen mínimo del tanque agitado dejando como margen de seguridad 15% con respecto al
volumen de mezcla.
𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎
𝑉𝑇,𝑚 = [𝐸𝐶. 17]
(1 − 0.15)
2.00 𝑚3
𝑉𝑇,𝑚 = = 2.35 𝑚3
(1 − 0.15)
𝐷𝑎 1 H j 1
= [𝐸𝐶. 18] =1 [𝐸𝐶. 19] = [𝐸𝐶. 20]
𝐷𝑡 3 𝐷𝑡 𝐷𝑡 12
E 1 w 1 L 1
= [𝐸𝐶. 21] = [𝐸𝐶. 22] = [𝐸𝐶. 23]
𝐷𝑡 3 𝐷𝑎 5 𝐷𝑎 4
3 4 ∗ 𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
𝐷=√ [𝐸𝐶. 25]
2∗𝜋
90
4 ∗ 2.35 𝑚3
3
𝐷= √ 1.22 m
2∗𝜋
Como la relación altura/diámetro del tanque fue 1.6 entonces la altura del tanque resultó ser:
Para hacer que el tanque fuese más estandarizado se redondeó el diámetro del mismo a 1.5
metro y la altura a 2 metros.
𝜋
𝑉𝑟𝑒𝑎𝑙,𝑡 = ∗ 𝐷2 ∗ 𝐻 [𝐸𝐶. 27]
4
𝜋
𝑉𝑟𝑒𝑎𝑙 = ∗ (1.5 𝑚)2 ∗ (2 𝑚) = 3.53 𝑚3
4
𝑉𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎
# tanques
% 𝑉𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑑𝑜 = ∗ 100 [𝐸𝐶. 28]
𝑉𝑟𝑒𝑎𝑙
2.00 𝑚3
1
% 𝑉𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑑𝑜 = ∗ 100 ⇒ % 𝑉𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑑𝑜 = 56.66%
3.53 𝑚3
91
Tabla 34
Dimensionamiento de la agitación del reactor de remoción de hemicelulosas
Para determinar la potencia que se requiere de parte del reactor, a parte del diámetro del
agitador fue necesario tener presente las siguientes propiedades y condiciones.
𝑘𝑔 𝑔 𝑘𝑔
𝜇 = 1.16 ∗ 10−2 𝜌 = 1.52 = 1520 3
𝑚∗𝑠 𝑚𝑙 𝑚
𝑛 = 240 𝑟𝑝𝑚 = 4 𝑟𝑝𝑠
𝜌 ∗ 𝑛 ∗ 𝐷𝑎 2
𝑅𝑒 = [𝐸𝐶. 35]
𝜇
𝑘𝑔
1520 ∗ 4 𝑟𝑝𝑠 ∗ (0.50)2
𝑚3
𝑅𝑒 = 𝑘𝑔 = 131034
1.16 ∗ 10−2 𝑚∗𝑠
Según (Harriot, Smith, & McCabe, 2007) cuando 𝑅𝑒 ˃104 entonces 𝑁𝑝 = 𝐾𝑇 , en este caso
para un agitador tipo turbina de seis aspas 𝑁𝑝 = 5.75
92
𝑁𝑝 ∗ 𝐷𝑎 5 ∗ n3 ∗ 𝜌
𝑃= [𝐸𝐶. 36]
𝑔
𝑘𝑔
5.75 ∗ (0.50 𝑚)5 ∗ (4 𝑟𝑝𝑠)3 ∗ 1520 𝑚3
𝑃= 𝑚 = 1781.85 𝑤 ⇒ 𝑃 = 2.39 ℎ𝑝
9.81 𝑠2
El tanque agitado se operará a temperatura ambiente (30 °C) y a 3.5 bares de presión.
Temperatura de diseño:
𝑇𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 30 °𝐶 + 50 °𝐶 = 80°𝐶
Presión de diseño:
Cilindro: El espesor de las paredes del tanque agitado se calculó según los parámetros de la
norma ASME según la Ecuación 38.
𝑃𝑐 ∗ 𝑅𝑖,𝑐
𝑡𝑐 = + 𝐶. 𝐴 [𝐸𝐶. 39]
𝑆 ∗ 𝐸 − 0.6 ∗ 𝑃𝑐
93
3.85 𝑏𝑎𝑟 ∗ 750 𝑚𝑚
𝑡𝑐 = + 2 = 5.15 𝑚𝑚
1082.75 𝑏𝑎𝑟 ∗ 0.85 − 0.6 ∗ 3.85 bar
𝐿 1.5
= = 10 [𝐸𝐶. 43]
𝑟 0.15
𝑃𝑐 ∗ L ∗ M
𝑡𝑡𝑎𝑝𝑎 = + 𝐶. 𝐴 [𝐸𝐶. 44]
2 ∗ 𝑆 ∗ 𝐸 − 0.2 ∗ 𝑃𝑐
Para el fondo del tanque se consideró el mismo espesor que para el cilindro y en consecuencia
el mismo diámetro externo.
94
4.9.4.7. Altura total del tanque agitado
Este molino será utilizado como un procedimiento anterior al de hidrólisis básica para la
reducción del tamaño de la cascarilla de arroz lo cual ayuda a optimizar el proceso de extracción
de celulosa. Al molino ingresaran 426.58 kg/h de cascarilla lo cual representa un volumen de
0.300 m3/h este volumen se utilizó para encontrar el volumen, diámetro y longitud del cilindro
del molino. Antes de empezar a dimensionar el molino se tomaron en cuenta algunas
consideraciones:
Según (Quintana Silva , 2015), las bolas dentro del cilindro ocuparan de un 30 al 40% la
capacidad del mismo. La carga del material a ser reducido ocupará del 40 al 50% de la capacidad
del molino y teniendo en cuenta que se debe dejar un margen de seguridad al momento de
llenado.
Se calculó en primer lugar el volumen mínimo del cilindro teniendo en cuenta un volumen de
ocupación de las bolas dentro del mismo del 40% de su capacidad y de carga del 50%
𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑉𝑚.𝑐 = [𝐸𝐶. 79]
(1 − 0.40)
95
0.300 𝑚3
𝑉𝑚,𝑐 = = 0.5 𝑚3
(1 − 0.40)
A este volumen obtenido se le multiplicó por 1.5 ya que se plantea que para una mayor
eficiencia el molino este opere al 50% de capacidad con lo que el volumen mínimo del cilindro
será 0.75 m3.
Conociendo el volumen mínimo del cilindro se puedo obtener el diámetro del mismo
empleando la Ecuación 25.
3 4 ∗ 𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
𝐷=√ [𝐸𝐶. 25]
2∗𝜋
3 4 ∗ 0.75 𝑚3
𝐷=√ = 0.78 m
2∗𝜋
Para encontrar la longitud del cilindro se empleó la siguiente relación altura – diámetro del
cilindro.
𝐻
=3
𝐷𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
La altura del cilindro fue:
𝐻 = 3 ∗ 0.78 𝑚 = 2.34 𝑚
Para tener una mejor relación de diseño se redondeó para un diámetro de 1 m y una longitud
de 2.5 m.
96
4.9.5.4. Volumen real del cilindro
Conocidas ya las dimensiones del cilindro ya es posible encontrar el volumen real mediante el
empleo de la Ecuación 27. .
𝜋
𝑉𝑅,𝐶 = ∗ 𝐷2 ∗ 𝐻 [𝐸𝐶. 27]
4
𝜋
𝑉𝑅,𝐶 = ∗ (1 𝑚)2 ∗ 2.5 𝑚 = 1.96 𝑚3
4
𝑉𝑚,𝑐
𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = ∗ 100 𝑛 [𝐸𝐶. 28]
𝑉𝑅,𝐶
0.75 𝑚3
𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = ∗ 100 = 38.26 %
1.96 𝑚3
Para obtener el espesor de las paredes del cilindro se pone en consideración la información de
la Tabla 35.
Tabla 35
Medida y espesor de bolas para molinos
97
Como el diámetro del cilindro fue de 1 metro, entonces correspondió un grosor de la pared de
18 mm (0.018 m).
Por el concepto de seguridad se recubre el interior del cilidro con planchas de acero del
mismo espesor que la de las paredes del cilindro y del mismo material (acero al carbono) de
7854 kg/m3 de densidad. Las tapas que cubriran los extremos del cilindro tendrán el doble de
espesor de las paredes del cilindro (2*18 mm) ya que serán las que soporten los ejes de rotación.
El diámetro corregido del cilindro fue de 0.982 m y el volumen real de 1.89 m3, la ocupación
del mismo resultó ser de de 41.72%.
Se prevé que el material del que esten construidas las bolas sea acero al carbono-silicio con
densidad de 7817 kg/m3 y con 80 mm de diámetro.
kg
𝑚𝑏𝑜𝑙𝑎𝑠 = 7817 3
∗ 0.75 𝑚3 ∗ 0.4 = 2345.1 𝑘𝑔
𝑚
La velocidad critica es la velocidad máxima a la que puede operar el molino y que permite
que las bolas en el interior se mantengan adheridas a la pared del mismo, para el cálculo de esta
velocidad el diámetro del cilindro estará expresado en pies (3.22 ft). La velocidad critica se la
calculó con la Ecuacion 81.
76.6
𝑣𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎 = [𝐸𝐶. 81]
√𝐷𝑖
98
76.6
𝑣𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎 = = 42.67 𝑟𝑝𝑚
√3.22
p = 19.75 𝐶𝑉 = 19.48 ℎ𝑝
Según (Ruiz Sepa, 2016), la fórmula para la carga del sólido sobre las bandejas es la
siguiente:
99
𝐿𝑠
= 𝜌𝑐 ∗ 𝑡 [𝐸𝐶. 83]
𝐴
𝐿𝑠 𝑘𝑔 𝑘𝑔
= 1420 3 ∗ 0,005 𝑚 = 7.1 2
𝐴 𝑚 𝑚
𝐿
𝐴𝑡𝑏 = 𝐿𝑠 [𝐸𝐶. 84]
𝐴
426.58 𝑘𝑔
𝐴𝑡𝑏 = 𝑘𝑔 = 60 𝑚2
7.1 𝑚2
Para determinar el área de cada bandeja se dividió el área total de las bandejas para el número
de las mismas es así que el área para una bandeja es 6 m2. Conociendo el área para una bandeja
ya fue posible establecer tanto la longitud como el ancho de las mismas, estas dimensiones
fueron de 3 y 2 metros respectivamente.
𝐶𝐵 𝑥 𝑔
𝑃= [𝐸𝐶. 85]
𝑎𝐵 𝑥 𝑙 𝐵
100
El volumen de las bandejas se lo obtuvo sumando los tres volúmenes de la bandeja tomando
como referencia: la altura, ancho, longitud de bandeja y espesor.
𝑉𝐵 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3 [𝐸𝐶. 86]
𝑉1 = 𝑎𝐵 ∗ 𝑙𝐵 ∗ 𝑒𝐵
𝑉2 = 𝑎𝐵 ∗ ℎ𝐵 ∗ 𝑒𝐵 𝑉3 = 𝑙𝐵 ∗ ℎ𝐵 ∗ 𝑒𝐵
𝑉1 = 2m ∗ 3m ∗ 0.002m
𝑉2 = 2m ∗ 0.26m ∗ 0.002m 𝑉3 = 3m ∗ 0.26m ∗ 0.002m
𝑉1 = 0.012 𝑚3
𝑉2 = 0.00104 𝑚3 𝑉3 = 0.00156 𝑚3
𝑉𝐵 = 0.0146 𝑚3
Una vez determinado el volumen de la bandeja fue posible determinar la masa de la misma
para lo cual se usó la densidad del material del que estarán fabricadas, en este caso acero
inoxidable 304 L cuya densidad es de 7900 kg/m3 entonces la masa de la bandeja resultó ser de:
𝑚𝐵
𝜌= ⇒ 𝑚𝐵 = 𝜌 ∗ 𝑉𝐵 [𝐸𝐶. 88]
𝑉𝐵
𝑘𝑔
𝑚𝐵 = 7900 𝑥 0.0146 𝑚3
𝑚3
𝑚𝐵 = 115.34 𝑘𝑔
101
La longitud, así como el ancho del secador fue de un 30% más de la longitud y ancho de las
bandejas (Ruiz Sepa, 2016).
102
𝐴𝑐𝑖 = 2(𝑎𝑐𝑖 ∗ ℎ𝑐𝑖 + 𝑙𝑐𝑖 ∗ ℎ𝑐𝑖 + 𝑎𝑐𝑖 ∗ 𝑙𝑐𝑖) [𝐸𝐶. 92]
𝐴𝑐𝑖 = 73.32 𝑚2
V𝑐𝑖 = 41,37𝑚3
103
𝑎𝑐𝑒 = 2.9 𝑚 = 290 𝑐𝑚
ℎ𝑐𝑖 = 4. 2𝑚 = 420 𝑐𝑚
𝐴𝑐𝑒 = 77.6 𝑚2
𝑉𝑐𝑒 = 56.76 𝑚3
104
4.9.6.17. Cantidad de calor requerido
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑄 = (426. 58 𝑘𝑔). (3.6 ). (105℃ − 30℃)
𝑘𝑔 ℃
𝑄 = 115176.6 𝐾𝑐𝑎𝑙
𝑤
1.16 ℎ 𝑤
𝐸 = 115176.6𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑋 = 133604.8 [𝐸𝐶. 100]
1 𝐾𝑐𝑎𝑙 ℎ
La potencia de la resistencia requerida para secar la cantidad de sólido deseado fue de:
𝑤
𝑃 = 133604.8 𝑥 0.25 ℎ [𝐸𝐶. 101]
ℎ
𝑃 = 33401.2 𝑊
ℎ𝑝 = 44.79
La carga para este secador será la procedente del proceso de blanqueamiento de la celulosa la
cual será de 131.53 kg/h a una temperatura de secado de 105 °C y una duración del secado de 1.5
horas. Las dimensiones del secador que se empleará para el secado de este material se detallan en
las Tablas 36, 37,38 y 39.
105
Tabla 36
Dimensiones de las bandejas del secador de celulosa
Parámetro Valor Unidad
Longitud 1.75 m
Ancho 1 m
Espesor 0.002 m
Área 1.75 m2
Volumen 0.005 m3
Fuente: Autores
Tabla 37
Dimensiones de la cámara interna del secador de celulosa
Tabla 38
Dimensiones de la cámara externa del secador de celulosa
106
Tabla 39
Balance de energía del secador de celulosa
El secador que se empleará para el secado de la nanocelulosa será del mismo tipo y
dimensiones que el utilizado en el secado de celulosa.
Los costos de los equipos para la producción de nanocelulosa se los obtuvo a partir de los
valores obtenidos para la construcción de los tres reactores y de la cotización del resto de equipos
que se la realizó a partir del dimensionamiento de los mismos. Los precios para los equipos
cotizados y que se prevé importar fueron duplicados por motivos de impuestos y gastos de
aduana. Los precios de los reactores obtenidos a partir del diseño de los mismos se compararán
con precios de equipos que guarden las mismas características de los equipos diseñados.
Los costos de los equipos que conforman la planta de producción de nanocelulosa se detallan
en el Anexo C-Tabla 65-68.
Se realizó también la cotización de los equipos diseñados y de los que se obtuvo el costo de
fabricación en base a una estructura de gastos realizada que otorgó como resultado un valor de
89,634.98 dólares, este valor es más bajo que el obtenido producto de la cotización 96,444
dólares mostrando una diferencia de 6,809.02 dólares. A pesar de la diferencia se decide trabajar
con los valores obtenidos de la cotización ya que los materiales para la construcción de los
equipos son importados, el tiempo de fabricación y operación será mucho mayor.
107
El costo de los principales equipos para el montaje de la planta es de 1,075,514 millones de
dólares, a esta cifra se le debe sumar otros valores de equipos complementarios detallados en el
apartado referente al análisis Financiero.
108
CAPÍTULO V
A NIVEL INDUSTRIAL
Para la determinación de los ingresos del proyecto se tuvo en cuenta la cantidad de producto a
elaborar y el precio del mismo, en este caso además de los ingresos por venta de nanocelulosa se
percibirá un ingreso por la venta de microfibra de celulosa que es un producto derivado del
proceso de obtención de nanocelulosa tal como se visualiza en la Tabla 40. Los valores que
ingresan por la venta de nanocelulosa y microfibra de celulosa por año se detallan en el Anexo
K-Tabla 89.
Tabla 40
Ventas netas de nanocelulosa y microfibra
VENTAS NETAS
VALOR EN (USD)
CAPACIDAD DE PRODUCCION 250 (TM)
Producto Precio de venta TM Importe
Nanocelulosa 18750 250 4.687.500
Estos costos son todos los gastos que se requieren para la fabricación de la nanocelulosa, los
mismos encierran una serie de rubros, así como los gastos de comercialización, administración,
operación, entre otros. Este costo de operación asciende a 493,865.62 dólares mensuales es decir
5,926,387.44 millones de dólares al año, los rubros que forman parte de costo se detallan en el
Anexo K-Tabla 87.
109
5.2.1. Costos de fabricación
Entre los costos de fabricación más importantes dentro del proceso de obtención de
nanocelulosa se calcularon:
Para este caso la materia prima principal dentro del proceso de obtención de nanocelulosa fue
la cascarilla de arroz un subproducto agroindustrial.
Son todos los insumos necesarios dentro del proceso de obtención de nanocelulosa, fueron: el
ácido clorhídrico, el ácido sulfúrico, el hidróxido d sodio, entre otros. En el Anexo J-Tabla 81 se
obtienen los costos por cada año de producción.
La mano de obra directa es el personal que se requiere en la empresa para que esta desempeñe
un correcto funcionamiento y es la que se encargará de que la empresa cumpla con las metas
planteadas al inicio de cada año de operación, el número de trabajadores que requiere la empresa
se lo determinó de acuerdo con la producción que plantea alcanzar la empresa hasta el año 2018,
los costos de producción se revelan en la Tabla 41. Los detalles de los costos se presentan en el
Anexo J-Tabla 82.
Tabla 41
Gastos de fabricación de nanocelulosa y microfibra
Producto
Ítems Valor total Nanocelulosa Microfibra
Materiales directos 1,763,550.82 1,234,485.58 529,065.25
Mano de obra directa 314,050.88 219,835.62 94,215.27
Carga fabril 2,486,981.39 1,740,886.97 746,094.42
Total 4,564,583.10 3,195,208.17 1,369.374.93
Fuente: Autores
110
5.2.2. Gastos de fabricación
La Tabla 42 contiene los valores correspondientes a los gastos de fabricación que son detallados
en el Anexo K-Tabla 90-99.
Tabla 42
Gastos de fabricación
111
Energía eléctrica: Este rubro es muy importante y que conforma uno de los principales
suministros de la empresa, vale destacar que la empresa productora de nanocelulosa cuenta con
una planta de cogeneración de energía eléctrica, el costo por la utilización del servicio de energía
eléctrica se calculó en 250,369.56 dólares al año, los detalles de este costo se encuentran en el
Anexo K-Tabla 90-99.
Depreciación de edificios: Se estipuló que la vida útil de las edificaciones sea de 20 años 10
años más que los equipos y maquinarias para este valor se consideró una carga anual de
188,030.00 dólares. Anexo K-Tabla 90-99.
Este rubro corresponde a los gastos que realizará la empresa por concepto de publicidad,
promoción y venta del producto.
112
5.3. Flujo de Fondos Efectivos
Los flujos de fondos efectivos permiten conocer que tan rentable es un proyecto de inversión
además en base a ellos se puede tomar decisiones sobre la operatividad y el financiamiento del
proyecto. Mediante el conocimiento del flujo de caja los inversionistas no solo podrán identificar
los ingresos y egresos del proyecto, sino que podrán también conocer sobre las necesidades de
financiamiento del mismo.
Los flujos de fondos tanto puros como financiados del proyecto se muestran en las Tablas 44
y 45 respectivamente.
Tabla 43
Amortización de la deuda y pago de intereses
TABLA DE AMORTIZACIÓN
SALDO AMORTIZACION CUOTA SALDO
AÑO INICIAL INTERESES DE CAPITAL (INTERES + AMORTIZACION) FINAL
1 5926387,49 $ 1.422.333,00 $ 187.286,45 $ 1.609.619,45 $ 5.739.101,04
2 $ 5.739.101,04 $ 1.377.384,25 $ 232.235,20 $ 1.609.619,45 $ 5.506.865,84
3 $ 5.506.865,84 $ 1.321.647,80 $ 287.971,65 $ 1.609.619,45 $ 5.218.894,19
4 $ 5.218.894,19 $ 1.252.534,61 $ 357.084,84 $ 1.609.619,45 $ 4.861.809,35
5 $ 4.861.809,35 $ 1.166.834,24 $ 442.785,20 $ 1.609.619,45 $ 4.419.024,15
6 $ 4.419.024,15 $ 1.060.565,80 $ 549.053,65 $ 1.609.619,45 $ 3.869.970,50
7 $ 3.869.970,50 $ 928.792,92 $ 680.826,53 $ 1.609.619,45 $ 3.189.143,97
8 $ 3.189.143,97 $ 765.394,55 $ 844.224,90 $ 1.609.619,45 $ 2.344.919,07
9 $ 2.344.919,07 $ 562.780,58 $ 1.046.838,87 $ 1.609.619,45 $ 1.298.080,20
10 $ 1.298.080,20 $ 311.539,25 $ 1.298.080,20 $ 1.609.619,45 $ 0,00
Fuente: Autores
113
Tabla 44
Indicadores financieros de flujo de fondos puros
Ganancia neta (=) $ 2.028.882,82 $ 2.269.133,52 $ 2.526.313,62 $ 2.801.613,76 $ 3.096.308,23 $ 3.411.760,79 $ 3.749.430,98 $ 4.110.900,60 $ 4.497.792,70 $ 4.911.923,79
Depreciación (+) $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41
Amortización de activos diferidos (+) $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00
Costos de inversión (-) 6352335,98
Capital de trabajo) ( +/-) 5926387,49
FLUJO DE FONDOS FINANCIADO 12278723,47 $ 2.583.379,23 $ 2.823.629,93 $ 3.080.810,03 $ 3.356.110,17 $ 3.650.804,64 $ 3.966.257,20 $ 4.303.927,39 $ 4.665.397,01 $ 5.052.289,11 $ 5.466.420,20
Fuente: Autores
114
Tabla 45
Indicadores financiero de fondos financiados
Ganancia neta $ 1.624.500,26 $ 1.836.444,18 $ 2.063.336,03 $ 2.306.227,74 $ 2.566.245,19 $ 2.844.593,33 $ 3.142.561,80 $ 3.461.550,58 $ 3.802.988,17 $ 4.168.482,94
(+) Depreciación $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41 $ 553.496,41
(+) Amortización de activos diferidos $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00 $ 1.000,00
(-) Costos de inversión 6352335,98
(+/- Capital de trabajo) 5926387,49 5926387,49
(+) Creditos recibidos 5926387,49
(-) Amortizaciones de créditos (pagos de capital) $ 187.286,45 $ 232.235,20 $ 287.971,65 $ 357.084,84 $ 442.785,20 $ 549.053,65 $ 680.826,53 $ 844.224,90 $ 1.046.838,87 $ 1.298.080,20
FLUJO DE FONDOS PURO 6352335,98 $ 1.991.710,22 $ 2.158.705,39 $ 2.329.860,79 $ 2.503.639,30 $ 2.677.956,39 $ 2.850.036,09 $ 3.016.231,68 $ 3.171.822,09 $ 3.310.645,71 $ 9.351.286,64
Fuente: Autores
115
CAPITULO VI
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS
Para los solubles tanto en agua fría como en agua caliente se obtuvieron valores de 5.5% y
9.5% respectivamente, estos valores corresponden a sustancias ajenas que se encuentran
presentes en la cascarilla y que su remoción permite una mejor calidad de los productos
obtenidos posteriormente, estos valores no se lo pueden comparar con investigaciones
relacionadas al tema debido a que no se encuentra información concreta al respecto. En la Tabla
46 se reportan los resultados obtenidos luego de la caracterización de la cascarilla de arroz.
116
& Vargas , 2013) determina que la misma se encuentra dentro de los porcentajes proporcionados
de las fuentes bibliográficas.
Tabla 46
Resultados de la caracterización de la materia prima
Porcentajes
Parámetros Experimentación Fuente Porcentaje de Error respecto a
Bibliográfica las Fuentes Bibliográficas
Humedad 6.83 8.8 22.38
Solubles en agua fría 5.5 --------- --------
Solubles en agua caliente 9.5 --------- --------
Cenizas 21.5 24.6 12.60
Sílice 90.69 91.14 0.49
Lignina 26.10 26.6 1.88
Holocelulosa 56.71 56 1.25
Celulosa 36.82 36 2.22
Hemicelulosa 23.23 31.6 26.49
Fuente: Autores
En este primer ensayo se puede observar que con hidróxido de sodio al 5% de concentración
fue donde se obtuvo el mayor rendimiento de celulosa con un 34%, seguida por la solución de
hidróxido de sodio al 20% con un 33% y con la solución de hidróxido de sodio al 15% el
rendimiento de celulosa fue del 32%. Estos valores son los que se reportan en la Tabla 47.
117
Tabla 47
Resultados de la obtención de celulosa primera experimentación
EXPERIMENTO #1
Concentración Peso cascarilla Tratamiento Blanqueamiento Remoción de
NaOH (gr) alcalino (gr) (gr) Hemicelulosa (gr)
(%)
5 20 10.03 8.13 6.84
15 20 8.02 7.67 6.39
20 20 9.62 8.04 6.65
Rendimiento del material lignocelulósico respecto al Peso de cascarilla (%)
5 50 41 34
15 40 38 32
20 48 40 33
Fuente: Autores
Para la segunda experimentación (Tabla 48). La celulosa obtenida con solución de hidróxido
de sodio al 15% de concentración proporcionó un rendimiento de 35% seguida de la extraída con
solución a concentración del 5% donde se obtuvo un rendimiento del 34.3% y finalmente en la
obtención de celulosa con la solución de hidróxido al 20% se obtuvo un rendimiento del 36%.
Tabla 48
Resultados de la obtención de celulosa segunda experimentación
EXPERIMENTO #2
Concentración Peso cascarilla Tratamiento Blanqueamiento Remoción de
(%) (gr) alcalino (gr) (gr) Hemicelulosa (gr)
5 20 11.1 8.16 6.86
15 20 9.63 8.37 7.09
20 20 9.82 8.2 6.72
Rendimiento del material lignocelulósico respecto al Peso de la cascarilla (%)
5 56 40.8 34.3
15 48 42 35
20 49 41 33.6
Fuente: Autores
118
El tercer experimento proporcionó rendimientos del 43.8% para la celulosa obtenida con
solución de hidróxido de sodio al 5%, este rendimiento es mayor a los obtenidos con solución de
hidróxido de sodio al 15% y 20% que fueron del 38.9% y 35.6% respectivamente. En la Tabla
49 se detallan los rendimientos de celulosa para cada concentración de hidróxido de sodio
conforme se fueron realizando los distintos tratamientos a los que se sometió la celulosa obtenida
a partir de la cascarilla de arroz.
Tabla 49
Resultados de la obtención de celulosa tercera experimentación
EXPERIMENTO #3
Concentració Peso cascarilla Tratamiento Blanqueamiento Remoción de
n (gr) alcalino (gr) (gr) Hemicelulosa (gr)
(%)
5 20 12.03 10.5 8.77
15 20 10.30 8.6 7.12
20 20 11.21 9.3 7.79
Rendimiento del material lignocelulósico respecto al Peso de la cascarilla (%)
5 60 52.5 43.8
15 51 43 35.6
20 56 46 38.9
Fuente: Autores
119
Tabla 50
Resultados de la obtención de celulosa cuarta experimentación
EXPERIMENTO #4
Concentració Peso cascarilla Tratamiento Blanqueamiento Remoción de
n (gr) alcalino (gr) (gr) Hemicelulosa (gr)
(%)
5 20 10.54 8.5 7.2
15 20 10.26 8.8 7.52
20 20 9.94 6.4 5.27
Rendimiento del material lignocelulósico (%) respecto al Peso de la cascarilla
5 53 42.5 36
15 51 44 38
20 50 32 26
Fuente: Autores
Para apreciar de mejor manera los resultados en cuanto a la obtención de celulosa y poder
observar la variación que existe de una experimentación a otra, se realizó la Gráfica 1 donde se
puede constatar los cambios en cuanto a la cantidad de celulosa luego de ir pasando por las
diferentes etapas.
RENDIMIENTO DE CELULOSA
70
60
50
40
30
20
10
0
Hidrólisis básica Blanqueamiento Remoción de hemicelulosa
Experimentación #1 50 40 48 41 38 40 34 32 33
Experimentación #2 56 48 49 40,8 42 41 34,3 35 33,6
Experimentación #3 60 51 56 52,5 43 46 43,8 35,6 38,9
Experimentación #4 53 51 50 42,5 44 32 36 38 26
120
En esta grafica se incluyó una tabla para la mayor compresión de los datos obtenidos, las tres
primeras columnas de la tabla corresponden a la hidrólisis básica realizada sobre la cascarilla
para cada una de las experimentaciones realizados, de la cuarta a la sexta correspondieron a la
etapa de blanqueamiento y de la séptima a la novena correspondieron a la etapa de remoción de
hemicelulosa. Las claves de leyendas muestran la coloración que correspondieron a cada
experimentación.
La concentración molar de celulosa tanto incorporada como aislada con respecto al tiempo de
cocción con hidróxido de sodio al 5% de concentración. Esto se detalla en la Tabla 51.
Tabla 51
Concentración de celulosa para solución al 5%
Concentración de NaOH al 5%
Tiempo (min) [C6H10O5] (M) [C6H10O5] (M)
Incorporada Aislada
0 3.49 0
20 3.41 0.08
40 3.28 0.21
60 3.22 0.27
80 3.14 0.35
100 3.09 0.40
Fuente: Autores
En la Tabla 52 se describen los valores obtenidos de celulosa tanto incorporada como aislada
de la cascarilla de arroz en relación al tiempo de cocción con una solución de hidróxido de sodio
al 15% de concentración.
121
Tabla 52
Concentración de celulosa para solución al 15%
Concentración de NaOH al 15%
Tiempo (min) [C6H10O5] (M) [C6H10O5] (M)
Incorporada Aislada
0 3.74 0
20 3.70 0.04
40 3.52 0.22
60 3.28 0.46
80 3.27 0.47
100 2.95 0.79
Fuente: Autores
La Tabla 53 describe los valores de la celulosa tanto incorporada como aislada obtenidos de
la cascarilla de arroz en relación al tiempo de cocción con una solución de hidróxido de sodio al
20% de concentración.
Tabla 53
Concentración de celulosa para solución al 20%
Concentración de NaOH al 20%
Tiempo (min) [C6H10O5] (M) [C6H10O5] (M)
Incorporada Aislada
0 3.45 0
20 3.41 0.04
40 3.36 0.09
60 3.31 0.14
80 3.26 0.19
100 3.20 0.25
Fuente: Autores
El método que se empleo fue el diferencial por medio del cual fue posible la obtención del
orden de la reacción mediante la representación gráfica de la velocidad instantánea con respecto
122
a la concentración donde la pendiente resultante correspondió al orden de la reacción. Para la
obtención de celulosa con solución de hidróxido de sodio al 5% de concentración, la Gráfica 3
muestra una pendiente de 0.9317. Este valor corresponde al orden de la reacción y puede
perfectamente redondearse al número más próximo superior es decir que n=1.
La determinación del orden de la reacción a través del método diferencial implicó la inclusión
de algunos procesos complementarios antes de la obtención del orden de la reacción. La Tabla
54 muestra el tiempo y la concentración de la celulosa obtenida con solución de hidróxido de
sodio al 5%, tanto la columna del tiempo y la concentración se graficaron para obtener una línea
de tendencia exponencial con una ecuación exponencial Gráfica 2.
Tabla 54
Concentración de celulosa vs tiempo (solución de
NaOH al 5%)
Orden de la reacción
Fuente: Autores
123
CINETICA DE LA REACCIÓN
3,60
3,50
[C6H10O5]
3,40 y = 3,4793e-0,001x
R² = 0,9849
3,30
3,20
3,10
3,00
0 20 40 60 80 100 120
Tiempo
Tabla 55
Velocidad instantánea de la reacción vs tiempo (solución de
NaOH al 5)
Orden de la reacción
Tiempo [C6H10O5] ln[C6H10O5] lnV(inst.)
0 3,49 1,24990 5,6549
20 3,41 1,22671 5,6839
40 3,28 1,18784 5,7138
60 3,22 1,16938 5,7446
80 3,14 1,14422 5,7446
100 3,09 1,12817 5,7763
Fuente: Autores
124
En la Gráfica 3 se obtuvo el orden de reacción para la obtención de celulosa empleando
hidróxido de sodio a concentración de 5%
ORDEN DE LA REACCIÓN
5,8
5,78
5,76 y = -0,9317x + 6,8232
lnV(inst.)
5,74 R² = 0,967
5,72
5,7
5,68
5,66
5,64
1,12000 1,14000 1,16000 1,18000 1,20000 1,22000 1,24000 1,26000
ln[C6H10O5]
125
Tabla 56
Concentración de celulosa vs tiempo (solución de
NaOH al 15%)
Orden de la reacción
Tiempo [C6H10O5] Pendiente
0 3,74 -0,007829
20 3,70
40 3,52
60 3,28
80 3,27
100 2,95
Fuente: Autores
Mediante la Gráfica 4 se pudo obtener la ecuación exponencial que al derivarse hizo posible
la obtención de las velocidades instantáneas para cada tiempo de reacción.
CINETICA DE LA REACCIÓN
4,5
4 y = 3,8177e-0,002x
R² = 0,9367
3,5
3
[C6H10O5]
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0 20 40 60 80 100 120
Tiempo
126
𝑦 ′ = 𝑉𝑖𝑛𝑠𝑡 = 3,8177(−0.002)𝑒 −0.002𝑥 [𝐸𝑐. 103]
Tabla 57
Velocidad instantánea de la reacción vs tiempo (solución de
NaOH al 15)
Orden de la reacción
Fuente: Autores
ORDEN DE LA REACCIÓN
5,1
4,95
4,9
4,85
0,0000 0,2000 0,4000 0,6000 0,8000 1,0000 1,2000 1,4000
ln[C6H10O5]
Fuente: Autores
127
El orden de la reacción para una solución de hidróxido de sodio de concentración al 20% es
de 1.3597 tal y como se observa en la Gráfica 7, este número redondeado al número próximo
inferior fue de 1.
Tabla 58
Concentración de celulosa vs tiempo (solución de
NaOH al 20%)
Orden de la reacción
Tiempo [C6H10O5] Pendiente
0 3,45 -0,0025
20 3,41
40 3,36
60 3,31
80 3,26
100 3,20
Fuente: Autores
Mediante la Gráfica 6 se pudo obtener la ecuación exponencial que al derivarse hizo posible
la obtención de las velocidades instantáneas para cada tiempo de reacción.
128
CINETICA DE LA REACCIÓN
3,50
3,45 y = 3,4581e-8E-04x
3,40 R² = 0,9957
[C6H10O5]
3,35
3,30
3,25
3,20
3,15
0 20 40 60 80 100 120
Tiempo
Tabla 59
Velocidad instantánea de la reacción vs (solución de NaOH al
20)
Orden de la reacción
Tiemp [C6H10O5] ln[C6H10O5] lnV(inst
o .)
0 3,45 1,2383 5,8781
20 3,41 1,2267 5,9145
40 3,36 1,2119 5,9145
60 3,31 1,1969 5,9522
80 3,26 1,1817 5,9522
100 3,20 1,1631 5,9914
Fuente: Autores
129
Con los datos de las velocidades y de las concentraciones presentes en la Tabla 59 se obtuvo
el orden de la reacción reflejado en la Gráfica 7.
ORDEN DE LA REACCIÓN
6
5,98 y = -1,3597x + 7,5697
R² = 0,9359
5,96
lnV(inst.)
5,94
5,92
5,9
5,88
5,86
1,14 1,16 1,18 1,2 1,22 1,24 1,26
ln[C6H10O5]
Tabla 60
Constante de velocidad de la reacción a diferentes concentraciones
130
𝑣 = 0.4492 𝑀 ∗ 𝑠 −1 ∗ [𝐶6 𝐻10 𝑂5 ]1
3
𝑣 = 0.3710𝑀 ∗ 𝑠 −1 ∗ [𝐶6 𝐻10 𝑂5 ]4
La reacción con solución al 20% de concentración resulto ser de primer orden y su constante
de velocidad de 0.4152 se puede notar que tanto el orden como la constante de velocidad para la
reacción a las diferentes concentraciones son muy similares y esto era de esperarse ya que se
trata de la misma reacción llevada a cabo a diferentes concentraciones de NaOH.
131
Tabla 61
Ecuación de velocidad por el método integral
Fuente: Autores
132
El espectro IR fue el resultado de la corrida de dos muestras de celulosa comercial que se
utilizó como patrón y la celulosa obtenida (prueba). Tanto la celulosa comercial como la
obtenida presentan espectros muy parecidos con las mismas frecuencias indicadas en el recuadro.
133
Microfibra de celulosa obtenida mediante hidrólisis ácida con concentración de ácido
sulfúrico de 64% y 45 minutos de reacción. Figura 18
134
Microfibra de celulosa obtenida mediante hidrólisis ácida con concentración de ácido
sulfúrico de 64% y una hora de reacción. Figura 20
135
Microfibra de celulosa obtenida mediante hidrólisis ácida con concentración de ácido
sulfúrico de 60% y 45 minutos de reacción. Figura 22
Los análisis de SEM obtenidos por * (Dai, Huang, Huang, & Ou, 2018) en su estudio sobre la
¨utilización de la cascara de piña para la producción de nanocelulosa demuestran unas
dimensiones de los nanocristales de celulosa obtenidos con ácido sulfúrico al 64% de 189 nm de
longitud por 15 nm de diámetro que comparado con las dimensiones de los nanocristales
obtenidos en la presente investigación a esa concentración (100 x 10) de ácido presentan unas
dimensiones superiores lo cual es bueno ya que las dimensiones más pequeñas indican la
eficacia del método y de la materia prima empleada para su obtención.
136
En cuanto a la nanocelulosa obtenida con concentración de ácido sulfúrico al 60% se puede
observar que sus dimensiones son menores a las obtenidas con concentración de ácido sulfúrico
al 64%, tanto para la presente investigación como para la obtenida por (Dai, Huang, Huang, &
Ou, 2018) en su investigación. En la Tabla 62 se puede observar las dimensiones de los
Nanocristales de celulosa tanto de los obtenidos como de la referencia.
Tabla 62
Tamaño de nanocristales de celulosa y microfibra de celulosa
Material/concentración Tiempo / Dimensiones Unidad Dimensiones
Temperatura obtenidas (L*D) de referencia
(L*D)
Nanocristales de celulosa al 64% 45 (min) /45 °C 100 x 10 Nm * 189 x 15
Microfibra de celulosa al 64% 45 (min) /45 °C 1000 x 45 Nm *1100 x 40
Nanocristales de celulosa al 64% 60 (min) /45 °C 100 x 10 Nm *189 x 15
Microfibra de celulosa al 64% 60 (min) /45 °C 900 x 20 Nm *1100 x 40
Nanocristales de celulosa al 60% 45 (min) /45 °C 80 x 5 Nm *189 x 15
Microfibra de celulosa al 60% 45 (min) /45 °C 900 x 20 Nm *1100 x 40
Fuente: Autores
137
4.1.5. Indicadores financieros
Tabla 63
Indicadores financieros de flujo puro
Tabla 64
Indicadores financieros de flujo financiado
Los indicadores financieros reportados para el proyecto (Tabla 63 y 64) muestran cifras
favorables ya que la tasa de interés a la que se adquiere la deuda para el financiamiento del
proyecto es del 10% y la tasa interna de retorno TIR reportada para el caso del flujo financiado
es de 13% tres puntos por encima del interés adquirido, así mismo el valor actual neto reporta
una cifra positiva lo cual indica que se trata de un proyecto económicamente viable ya que basta
que la cifra sea superior a cero para serlo. Por otra parte para los indicadores de flujo puro del
proyecto se obtuvo una tasa interna de retorno (TIR) de 19% y un valor actual neto de
9.232.093,79 millones de dólares estos números son mejores que los obtenidos de los
indicadores financiados pero en la elección de un indicador u otro se debe tener en cuenta que el
presente proyecto no será autofinanciado sino que requerirá de financiamiento por medio de
préstamos bancarios.
138
CAPÍTULO VII
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1. Conclusiones
Mediante la realización del escalado industrial se pudo determinar que la capacidad de los
reactores de: hidrólisis básica, hidrólisis acida y lavado de celulosa fueron 9.42, 3.53 y 4.42 m3
respectivamente, los mismos que fueron implementados con reactores comerciales de
139
capacidades de: 10, 4 y 5 m3 para la implementación futura y determinación de los indicadores
financieros.
Tanto el flujo de caja financiado que tiene una tasa de interés del 13% como el flujo de caja
puro que presenta una tasa de interés del 19% sobrepasan la tasa de interés existente en el
mercado que es del 10%, así mismo el valor actual neto ($ 2.489.526,32 y $ 9.232.093,79)
respectivamente reportan una cifra positiva lo cual indica que se trata de un proyecto
económicamente viable, pero ante la falta de liquidez existente en la actualidad es recomendable
optar por el flujo de caja financiero.
7.2. Recomendaciones
Para que los indicadores financieros del proyecto sean favorables para la inversión se
recomienda la mayor cantidad de producción posible ya que a mayor producción los costos de la
misma disminuyen y los ingresos aumentan, por consiguiente, se obtendrá una rentabilidad
mucho más alta.
Cuando se lleve a cabo el análisis del FTIR es aconsejable incluir la materia prima para
observar los cambios que se producen en la estructura de la misma luego de haberse sometido a
la cocción con hidróxido de sodio (NaOH) o cualquier otro tipo de compuesto utilizado para tal
fin.
140
BIBLIOGRAFÍAS
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145
ANEXOS
146
Anexo B Procedimiento Experimental
147
B-3 Obtención de Nanocelulosa
149
150
B-4 Caracterización de nanocelulosa por microscopia electrónica de barrido (SEM)
151
Anexo C Cotización de Equipos para la Producción de Nanocelulosa
Tabla 65
Costo del equipo de secado
Fuente: Autores
152
B-2 Obtención de Celulosa
148
Tabla 66
Costos de equipo de molienda, centrifugación y tanque agitado
Fuente: Autores
153
Tabla 67
Costo del equipo de reacción
Fuente: Autores
154
Tabla 68
Costo del equipo de bombeo y generación de vapor
Fuente: Autores
155
Anexo D Costos de Fabricación de Reactores Para la Obtención de Nanocelulosa
Tabla 69
Costo de materiales y equipos para construcción de reactor de hidrólisis básica.
Fuente: Autores
156
Tabla 70
Costo de mano de obra para reactor de hidrólisis básica
Fuente: Autores
Tabla 71
Costo de personal administrativo para reactor de hidrólisis básica
Fuente: Autores
Tabla 72
Costo de construcción del reactor más estructura reactor de
hidrólisis básica
Fuente: Autores
157
Tabla 73
Costo de materiales y equipos para construcción de reactor de hidrólisis ácida
Fuente: Autores
158
Tabla 74
Costo de mano de obra para reactor de hidrólisis ácida
Fuente: Autores
Tabla 75
Costo de personal administrativo para reactor de hidrólisis ácida
Fuente: Autores
Tabla 76
Costo de construcción del reactor más estructura reactor de
hidrólisis ácida
Fuente: Autores
159
Tabla 77 Costo de materiales y equipos para construcción de reactor de lavado
Fuente: Autores
160
Tabla 78
Costo de materiales y equipos para reactor de lavado
Fuente: Autores
Tabla 79
Costo de personal administrativo para reactor de lavado
Fuente: Autores
Tabla 80
Costo de construcción del reactor más estructura reactor de
lavado
Fuente: Autores
161
Anexo E Plano del equipo de hidrólisis básica de la cascarilla de arroz
Fuente: Autores
162
Anexo F Plano del equipo de hidrólisis ácida
Fuente: Autores
163
Anexo G Plano del reactor de lavado de celulosa
Fuente: Autores
164
Anexo H Plano Integral de la Planta de Producción de Nanocelulosa
Fuente: Autores
165
Anexo I Diagrama de flujo del proceso de Obtención de Nanocelulosa a Nivel Industrial
Cascarilla de arroz
341.26 kg/h
Impurezas Tamizado
Molienda
Hemicelulosa +
Lavado Agua
HCl
Celulosa
126.26 kg
1.01 m3 de H2SO4
Hidrólisis acida
al 64%
Agua
acidificada Neutralización Agua
Sonicación
Microfibra de Nanocristales de
celulosa celulosa
pH < 7
Acidez Acidez
pH = 7 pH = 7
Secado
Secado
Nanocelulosa y
microfibra de
celulosa
166
Anexo J Producción de nanocelulosa a escala
Tabla 81
Requerimiento de materia prima
MATERIALES DIRECTOS
Materia Cantidad Unidad Precio unitario (USD) Total (USD)
Cascarilla de arroz 1670.63 Tm 80 133650.40
Ácido sulfúrico (GR) 2057.2 Tm 240 493728.00
Hidróxido de sodio (5%) 389.2 Tm 400 155680.00
Sulfuro de sodio 166.8 Tm 520 86736,00
Hipoclorito de sodio (1%) 417 Tm 214.2 89321.40
Ácido clorhídrico 0.695 Tm 200 139.00
Total de costos 959254.80
Fuente: Autores
Tabla 82
Requerimiento de mano de obra
167
Tabla 83
Áreas de construcción de la planta de precisión de nanocelulosa
Rubro Área Sub-area Superficie Unidad Precio unitario(USD) Precio total(USD)
Terreno Terreno 3 Ha. 40000 120000
Suma terreno 120000
Ingenieria del producto
Manufactura
Departamento de control
Área de produccion 4000 m^2 400 1600000
de calidad
Departamento de
producto terminado
Investigacion de
mercados
Área de Ventas
mercadotecnia
50 m^2 260 13000
Promoción
Publicidad
Reparto
Gerencia de finanzas
Área de finanzas 100 m^2 260 26000
Tesoreria
Edificaciones Empleo
Administracion de
sueldos y salarios
Área de personal Servicio al personal 2500 m^2 260 650000
Planeacion de recursos
humanos
Comedor
Investigacion de
materiales y compras
Área de adquisición y Depatamento d compras
abastecimiento Almacenamiento
3844 m^2 300 1153200
Control de inventario y
recepcion
Canchas deportivas
Área de recreacion Piscinas 5625 m^2 90 6750
Áreas verdes
Suma edificaciones 16119 m^2 3448950
VÍa interna
1950 m^2 40 78000
Obras Provisión de agua
corriente 65200
complementarias y
servicios Eliminación de aguas
negras e industriales 19500
Provision fde luz electrica 28950
Suman obras
complementarias y 191650
servicios
Valor total 18069 m^2 3760600
Fuente: Autores
168
Tabla 84
Gastos en maquinarias y equipos
169
Tabla 85
Otros activos de inversiones
OTROS ACTIVOS
Denominación (USD)
Equipos de laboratorio 316640
Vehículos 390000
Montaje e instalación 129586,80
Equipos y muebles de oficina 11907
Constitución y organización de la 20000
sociedad
Intereses durante la construcción 152000
Imprevistos (5% de otros activos) 51006,69
Total 1071140,49
Fuente: Autores
Tabla 86
Capital de trabajo mensual
CAPITAL DE TRABAJO
(CAPACIDAD DE PRODUCCIÒN DE 250 TM/AÑO
170
Anexo K Gastos operativo anual de la empresa de producción de nanocelulosa
Tabla 87
Costos de producción de nanocelulosa y microfibra
COSTO DE PRODUCCIÓN
AÑO 2028
VALOR TOTAL NANOCELULOSA MICROFIBRA DE CELULOSA
1. MATERIALES DIRECTOS 1763550,82 1234485,58 529065,25
3. CARGA FABRIL
a) Materiales Indirectos 5681,99 3.977,39 1704,60
b) Mano de Obra Indirecta 34080,00 23.856,00 10224,00
c) Depreciación 539425,71 377.597,99 161827,71
d) Reparación y Mantenimiento 269712,85 188.799,00 80913,86
e) Suministros 884419,56 619.093,69 265325,87
f) Gastos de Impacto ambiental 635233,60 444.663,52 190570,08
g) Imprevistos 118427,69 82.899,38 35528,31
Fuente: Autores
Tabla 88
Ingresos por venta de celulosa y nanocelulosa
VENTAS NETAS
VALOR EN (USD)
CAPACIDAD DE PRODUCCION 250 (TM)
Producto Precio de venta TM Importe
Nanocelulosa 18750 250 4.687.500
171
Tabla 89
Ingresos de ventas por año
AÑO NANOCELULOSA NANOFIBRA DE CELULOSA INGRESO POR VENTAS DE NANOCELULOSA INGRESO POR VENTAS DE MICROFIBRAS INGRESO POR VENTAS TOTAL
TM TM USD USD USD
2019 135,99 482,14 2549812,50 4769328,88 7319141,38
2020 145,51 515,89 2728299,38 5103181,90 7831481,28
2021 155,69 552,00 2919280,33 5460404,63 8379684,97
2022 166,59 590,64 3123629,95 5842632,96 8966262,91
2023 178,26 631,99 3342284,05 6251617,27 9593901,32
2024 190,73 676,23 3576243,93 6689230,47 10265474,41
2025 204,08 723,56 3826581,01 7157476,61 10984057,62
2026 218,37 774,21 4094441,681 7658499,97 11752941,65
2027 233,66 828,41 4381052,60 8194594,97 12575647,57
2028 250,01 886,39 4687726,28 8768216,62 13455942,90
Fuente: Autores
172
Tabla 90
Gastos de fabricación para el año 2019
CARGA FABRIL
AÑO 2019
a) Materiales Indirectos
c) Depreciación
f) Gastos de Impacto ambiental (10% Maquinarias, Equipos & Obra civil) 635233,598
SUBTOTAL 2365962,37
g) Imprevistos (5% de subtotal) 118298,12
Fuente: Autores
173
Tabla 91
Gastos de fabricación para el año 2020
CARGA FABRIL
AÑO 2020
a) Materiales Indirectos
TOTAL 34080
c) Depreciación
f) Gastos de Impacto ambiental (10% Maquinarias, Equipos & Obra civil) 635233,598
SUBTOTAL 2366178,71
g) Imprevistos (5% de subtotal) 118308,94
Fuente: Autores
174
Tabla 92
Gastos de fabricación para el año 2021
CARGA FABRIL
AÑO 2021
a) Materiales Indirectos
TOTAL 34080
c) Depreciación
f) Gastos de Impacto ambiental (10% Maquinarias, Equipos & Obra civil) 635233,598
SUBTOTAL 2366410,20
g) Imprevistos (5% de subtotal) 118320,51
Fuente: Autores
175
Tabla 93
Gastos de fabricación para el año 2022
CARGA FABRIL
AÑO 2022
a) Materiales Indirectos
TOTAL 34080
c) Depreciación
f) Gastos de Impacto ambiental (10% Maquinarias, Equipos & Obra civil) 635233,598
SUBTOTAL 2366657,90
g) Imprevistos (5% de subtotal) 118332,89
Fuente: Autores
176
Tabla 94
Gastos de fabricación para el año 2023
CARGA FABRIL
AÑO 2023
a) Materiales Indirectos
TOTAL 34080
c) Depreciación
f) Gastos de Impacto ambiental (10% Maquinarias, Equipos & Obra civil) 635233,598
SUBTOTAL 2366922,93
g) Imprevistos (5% de subtotal) 118346,15
Fuente: Autores
177
Tabla 95
Gastos de fabricación para el año 2024
CARGA FABRIL
AÑO 2024
a) Materiales Indirectos
TOTAL 34080
c) Depreciación
f) Gastos de Impacto ambiental (10% Maquinarias, Equipos & Obra civil) 635233,598
SUBTOTAL 2367206,51
g) Imprevistos (5% de subtotal) 118360,33
Fuente: Autores
178
Tabla 96
Gastos de fabricación para el año 2025
CARGA FABRIL
AÑO 2025
a) Materiales Indirectos
TOTAL 34080
c) Depreciación
f) Gastos de Impacto ambiental (10% Maquinarias, Equipos & Obra civil) 635233,598
SUBTOTAL 2367509,95
g) Imprevistos (5% de subtotal) 118375,50
Fuente: Autores
179
Tabla 97
Gastos de fabricación para el año 2026
CARGA FABRIL
AÑO 2026
a) Materiales Indirectos
TOTAL 34080
c) Depreciación
f) Gastos de Impacto ambiental (10% Maquinarias, Equipos & Obra civil) 635233,598
SUBTOTAL 2367800,54
g) Imprevistos (5% de subtotal) 118390,03
Fuente: Autores
180
Tabla 98
Gastos de fabricación para el año 2027
CARGA FABRIL
AÑO 2027
a) Materiales Indirectos
TOTAL 34080
c) Depreciación
f) Gastos de Impacto ambiental (10% Maquinarias, Equipos & Obra civil) 635233,598
SUBTOTAL 2368163,72
g) Imprevistos (5% de subtotal) 118408,19
Fuente: Autores
181
Tabla 99
Gastos de fabricación para el año 2028
CARGA FABRIL
AÑO 2028
a) Materiales Indirectos
TOTAL 34080
c) Depreciación
f) Gastos de Impacto ambiental (10% Maquinarias, Equipos & Obra civil) 635233,598
SUBTOTAL 2368553,71
g) Imprevistos (5% de subtotal) 118427,69
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