JABONES Y PRODUCTOS DERIVADOS

Los jabones, derivados de los aceites y grasas naturales, son los surfactivos clásicos. El jabón se ha utilizado al menos desde los tiempos bíblicos y, aunque su uso ha declinado desde la II Guerra Mundial, se emplea aún para hacer la mayoría de las pastillas de tocador del mundo y, en los países subdesarrollados, las barras de jabón duro son aún los productos más importantes empleados para el lavado de la ropa. También una proporción sustancial del polvo de lavado de ropa empleado en la Gran Bretaña está basada en el jabón.

Los aceites y grasas naturales son mezclas de triglicéridos, es decir, glicerina esterificada con ácidos grasos. Los jabones son las sales de estos ácidos grasos y se producen por saponificación de los triglicéridos con álcalis, normalmente, hidróxido sódico.

Las materias primas más importantes para fabricar jabón son el sebo y el aceite de coco. Se emplean también otros materiales como el aceite de palma y aceite de palmiste. Si es preciso, los aceites pueden tratarse antes de la saponificación, por ejemplo, decolorarse con tierra de batán para eliminar impurezas coloreadas o, en el caso de aceites con un elevado contenido en triglicéridos no saturados, hidrogenarse parcialmente para mejorar el color y la estabilidad.

1. Saponificación

Un proceso satisfactorio de fabricación de jabón no debe sólo saponificar los glicéridos, sino también producir el jabón con un contenido bajo de agua, separar las impurezas coloreadas y separar la glicerina subproducto de tal forma que pueda recuperarse convenientemente.

El método clásico, elaborado durante muchos años y todavía en uso para producir una cantidad significativa del jabón del mundo, entraña el tratamiento de grasa con hidróxido sódico en calderas abiertas equipadas de calefacción a vapor y con dispositivos para la separación de fases.

Hay numerosas variantes de este tipo de proceso, todas ellas consumen mucho tiempo, a causa del gran número de operaciones secuenciales y de los largos tiempos de decantación requeridos. Se ha desarrollado un conjunto de procesos continuos más rápidos, que en muchos casos han desplazado al método de la caldera. Algunos se asemejan en fundamento al método de la caldera, y comprenden la saponificación alcalina y la separación de fases mediante sal. Otros utilizan un procedimiento completamente distinto, a saber la hidrólisis a alta temperatura (sobre 250 ºC) y alta presión (4-5*106 N/m2) de las grasas con agua en reactores tubulares en contracorriente, separación de los ácidos grasos brutos resultantes de la solución acuosa de glicerina, purificación de los ácidos grasos por destilación y neutralización de los ácidos grasos purificados con hidróxido sódico u otro álcali.

2. Preparación de productos determinados con jabón

Jabón de tocador:

El jabón neto procedente de la saponificación contiene sobre el 30% de agua. El contenido en agua se reduce al 12%. Después se añaden aditivos menores como por ejemplo: perfumes, agentes conservantes como ácido etilendiamino-tetracético, blanqueantes como TiO2, o colorantes, y en algunos casos germicidas. Se mezcla todo de manera que quede homogéneo. Los jabones de tocador contienen normalmente de 20-50% de jabón de aceite de coco y 50-80% de jabón de sebo, y pueden contener también hasta el 10% de ácido graso no neutralizado. El jabón de aceite de coco, más caro, es necesario para dar un producto con buena espuma y propiedades de disolución satisfactorias. Recientemente se han desarrollado pastillas de tocador basadas en surfactivos sintéticos, con sales solubles en calcio y magnesio y se utilizan en una extensión significativa en algunas áreas del mundo.

Jabones en polvo para lavado de ropa:

Las formulaciones típicas constan de jabón sódico, perborato sódico, silicato sódico y pequeñas cantidades de reforzadores de espuma, carboximetilcelulosa sódica, agentes fluorescentes de blanqueado, perfumes y agua. Pueden también estar presentes carbonato sódico y/o fosfatos sódicos. Estos productos dominaron una vez el mercado del lavado de ropa, pero ahora han sido desplazados casi por completo en la mayoría de los mercados del mundo por productos basados en alquilbencenosulfonatos. Una notable excepción ocurre en Gran Bretaña, donde los jabones en polvo todavía tienen una importante proporción del mercado del lavado de ropa.

Otros usos de los jabones:

Los jabones han sido desplazados por los surfactivos sintéticos en muchas aplicaciones, aunque todavía se emplean, por ejemplo, en acabado textil, polimerización en emulsión, cosmética, pulimentos y pinturas de emulsión.

3. Algunos problemas asociados con los productos con jabón

Aunque los productos basados en el jabón son altamente satisfactorios en muchos aspectos, presentan un conjunto de desventajas, de las cuales la más familiar es el cortado indeseable que se produce cuando se utilizan con aguas duras.

La disponibilidad y, en consecuencia, el precio de los aceites y grasas naturales varía de forma no previsible, en muchos casos los suministros no pueden aumentarse con facilidad.

La distribución de longitudes de cadena de los ácidos grasos naturales disponibles al formulador de productos detergentes es bastante limitada. La mayoría de los aceites y grasas tienen distribuciones de longitud de cadena con un máximo de a C12 o C16/18 y si una operación particular de detergencia requiere, por ejemplo, una distribución C14-16, tal jabón sencillamente no podría producirse económicamente a partir de materias primas naturales.

Las reservas de grasas y aceites en Estados Unidos son inadecuadas para proporcionar las materias primas de las cantidades de jabón que serían precisas. Si el jabón se empleara para sustituir la producción anual de 2.6 billones de kilogramos de detergente, haría falta alrededor de 1 billón de toneladas de sebo. El uso de cantidades tan elevadas de sebo haría entrar en competencia a los fabricantes de jabón por esta sustancia, que ahora se dirige hacia las reservas alimenticias mundiales.

Las prestaciones de jabón en los millones de máquinas lavadoras diseñadas en Estados Unidos son marcadamente inferiores que las de los detergentes. Dichas máquinas fueron específicamente ideadas para utilizar detergentes. El jabón es totalmente inadecuado para los lavavajillas automáticos.

Todas estas y otras razones han contribuido a que declinen los productos del jabón. El empleo de surfactivos sintéticos basados en materias primas petroquímicas económicas y fácilmente disponibles, y más efectivos que los jabones en muchas aplicaciones, ha crecido a un ritmo considerable desde la II Guerra Mundial.

GENERAL

PROCESO DEL DETERGENTE

Podría definirse como la "acción de limpiar la superficie de un material sucio en un baño líquido en el que se disuelven uno o varios solutos -detergentes- que ayudan a la limpieza". Muchos procesos ampliamente distintos contribuyen a la limpieza, y su importancia relativa depende mucho de la naturaleza del sustrato, la naturaleza de la suciedad a ser eliminada y las condiciones de la limpieza (concentración de detergente, temperatura y grado de agitación). Estos procesos generalmente emplean agua como solvente.

Un detergente efectivo debe realizar dos funciones: debe desprender la suciedad de la superficie a limpiar y debe dispersar o disolver la suciedad en el líquido de lavado, de tal modo que el sustrato limpio pueda separarse del líquido de lavado sin que la suciedad se deposite sobre él. La clave de ambos requisitos radica en la naturaleza de las interfases entre el sustrato, la suciedad y el líquido de lavado. Un detergente completamente formulado funciona modificando las propiedades de estas interfases, cambiando así la energía de las interacciones entre la suciedad y el sustrato. Por lo general, la sal de un ácido carboxílico es más soluble en agua que el propio ácido. Cuando la parte hidrocarbonada del ácido es muy grande en comparación con el grupo carboxilato, la parte iónica de la molécula interacciona favorablemente con el agua y tiende a disolverse, pero el resto de la cadena no. Las cadenas hidrocarbonadas de moléculas vecinas se atraen mutuamente por fuerzas de Van der Waals más de lo que lo están por las moléculas polares del agua. De hecho son hidrófobas, o repelentes del agua, en su comportamiento. La sal de un ácido de cadena larga, pues, tiene dos regiones: una cabeza hidrófila, el grupo carboxilato soluble en agua, y una cola hidrófoba, la parte de cadena hidrocarbonada que es repelida por las moléculas del agua y atraída en cambio por las cadenas hidrocarbonadas de las moléculas vecinas.

La estructura de estos compuestos provoca una orientación particular de sus moléculas en la superficie del agua: las cabezas están en el agua y las cadenas hidrocarbonadas sobresalen hacia el aire. La concentración de moléculas en la superficie del agua provoca que su tensión superficial disminuya. Los compuestos que presentan este comportamiento se llaman compuestos tensioactivos o surfactantes . Los jabones son un tipo de compuestos tensioactivos. Todos los buenos surfactantes tienen estructuras con una cabeza hidrófila y una cola hidrófoba. Loa ácidos con doce o más átomos de carbono en la cadena hidrocarbonada de la molécula presentan un comportamiento tensioactivo.

Cuando se alcanza una concentración crítica de surfactante, la capa superficial se rompe en unidades más pequeñas, en agrupaciones de iones llamadas micelas. Las micelas son partículas en las que la parte hidrófoba de la molécula, repelida por el agua, se sitúa en el interior mientras que las cabezas hidrófilas, cargadas negativamente, se colocan en el exterior de la micela e interaccionan con las moléculas de agua y los iones positivos del medio. La apariencia opalescente de una disolución de jabón, que es coloidal, es una evidencia de que las partículas presentes son mayores que unas simples moléculas individuales. Las partículas en una solución coloidal son suficientemente grandes para que la luz se disperse en vez de transmitirse, como en el caso de las verdaderas soluciones cuyo aspecto es perfectamente transparente.



La grasa se parece en su composición química a las cadenas hidrocarbonadas de la micela. Si se frota una mancha de grasa con una solución jabonosa, se provoca que la grasa se rompa en partículas suficientemente pequeñas para ser englobadas dentro de las micelas. Las partículas pasan a la solución gracias a la porción hidrocarbonada del jabón, que se mantiene en suspensión por la interacción de la superficie iónica de las micelas con el agua que las rodea. Se dice entonces que la grasa se ha emulsionado, o sea que está suspendida en un medio en el que normalmente no es soluble.

Así pues, los jabones suelen ser sales de ácidos carboxílicos de cadena larga. Los jabones ordinarios presentan desventajas en las aguas que se denominan "duras". Las aguas duras contienen iones calcio y magnesio disueltos, de forma que cuando se usa jabón en dichas aguas, las sales cálcicas y magnésicas de los ácidos carboxílicos del jabón precipitan. Este precipitado es la espuma que puede verse a veces en la superficie del agua y que causa un anillo de precipitado alrededor de la bañera. Como es lógico, se han desarrollado varios surfactantes cuyas sales cálcicas y magnésicas son más solubles. Uno de éstos, obtenido a partir de aceites vegetales, es el dodecilsulfato de sodio, la sal sódica del éster del 1-dodecanol con ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico y no un ácido carboxílico proporciona en este caso la parte iónica de la molécula.

PROCESOS DE PRODUCCION - HISTORIA

El proceso clasico, que aun se emplea ampliamente, se basa en el tratamiento con SO3 (trioxido de azufre) de fracciones de petroleo. Su empleo como agente de sulfonacion es reconocido en la industria y los trabajadores rusos fueron pioneros en ese campo en el periodo de 1925 - 1935.
En 1957, Bilbert y Beldhuis publicaron una revision del SO3 empleado en la refinacion de los aceites lubricantes. En las ponencias del 5to congreso mundial del petroleo en 1959, Kaye describio una planta para la refinacion de fracciones de petroleo con SO 3/oleum al 60%. Asi mismo, en el 4to congreso mundial de actividad superficial en 1964 se reporto el empleo del sistema Sulfurex de sulfonacion en cascada, el cual consiste de un cierto numero de recipientes con agitadores de alta potencia en cascada. La cantidad de SO3es determinada por la cantidad de azufre liquido introducido por la bomba de dosificacion, y la alimentacion total SO 3/oleum es determinada por la naturaleza y porcentaje del material sulfonable. De ahí, el producto pasa a un decantador en donde el exceso de acido en el aceite es removido y recirculado.
La compañía Allied Chemical Process diseño un reactor en donde el SO3 es dosificado en un vaporizador, recogido por la corriente de aire y pasa a traves de enfriadores y filtros, y dirigido a la cima de una torre de reaccion a una temperatura de 120°. El alquilato se bombea a las paredes internas de la torre, formando una pelicula liquida de material la cual reacciona con la mezcla de aire y SO3. No hay agitacion mecanica concerniente. Reactores como el mencionado estan patentados en diversas versiones en los cinco continentes.

DESARROLLO DE ALQUILBENCEN SULFONATOS

La historia de la manufactura de los alquil benceno sulfonatos (LABS) se remonta a los años 1930. En Alemania, asi como en los Estados Unidos un alquil benceno fue producido por la monoclorinacion de fracciones de Kogasin y una reaccion subsecuente de Friedel - Crafts. La sulfonacion fue elaborada con oleum (acido sulfurico fumante). Y su subsecuente neutralizacion con hidroxido de sodio par la formacion de la respectiva sal disodica.
A comienzos de los noventas, el propileno fue tetramerizado formando un α-dodecileno ramificado. La reaccion de Friedel-Crafts con benceno en la presencia de cloruro de aluminio o fluoruro de hidrogeno hizo disponible un proceso atractivamente economico para la sintesis del alquilbenceno. El sulfonato de tetrapropilenbenceno fue obtenido reemplazando el jabon empleado como componente surfactante anionico primario en las formulaciones para detergentes.
La insuficiente biodegrabilidad debido a la alta ramificacion de la cadena carbonada condujo a una contaminacion acuosa. Por ello, el compuesto lineal fue empleado como un compuesto biologicamente mas degradable.
Las fracciones de petroleo fueron separadas por el metodo del tamiz molecular en n-parafinas de la pureza deseada y convertidas a olefinas por diversos metodos. Las olefinas eran puestas en contacto con benceno, en la presencia de un catalizador acido, obteniendo el alquilbenceno lineal.
Por medio de la selección del catalizador apropiado, se pueden obtener varias distribuciones isomericas del grupo fenil. La sulfonacion de alquilbencenos puede ser realizada con oleum, acido sulfurico o trioxido de azufre gaseoso. El grupo sulfonato se introduce dentro del anillo bencenico primariamente en la posicion P. El proceso podria ser operado en proceso discontinuo o continuo.
La sulfonacion industrial de LAB (linear alkyl benzene) es logrado hoy en dia con trioxido de azufre SO3 en reactores especificos. Los reactores de pelicula liquida o tubos de contacto son los adecuados especialmente para aplicación del proceso continuo.
En la reaccion con trioxido de azufre, en lugar de acido sulfurico, la generacion de subproductos es inevitable por lo cual los productos (acido sulfonico) se neutralizan con hidroxido de sodio obteniendo pastas con contenido de sustancia activa de alrededor del 60%. El producto final puede ser mezclado con una solucion de hipoclorito sodico acuosa para alcanzar colores mas claros.
Para el analisis de la eficiencia del producto, la cadena lineal de carbon influye en el producto final afectando la humectacion, produccion de espuma y su estabilidad y tambien la tension superficial.

Producción de un Detergente

INTRODUCCIÓN.

Jabones, detergentes, emulsiones, agentes de humedad y penetrantes son agentes activadores de superficie modernos. Los detergentes son una mezcla compleja de muchas sustancias que incrementan el efecto limpiador del agua en los objetos sólidos. Los detergentes varían en su composición, dependiendo del efecto limpiador deseado. Los detergentes son utilizados para aseo personal, lavandería, limpieza de superficies duras y limpieza industrial especializada. Los detergentes contienen varios tipos de ingredientes tales como los surfactantes que disminuyen la tensión superficial del agua. Otro tipo de ingrediente utilizado en esta producción son los agentes reforzadores, sales inorgánicas o álcalis que realzan el efecto limpiador de los surfactantes. Los detergentes también contienen agentes auxiliares que incrementan las características de rendimiento de los materiales.

La composición de los detergentes es mejorada cada vez más debido a las condiciones de su medio ambiente. Algunos detergentes sintéticos causan contaminación del agua debido a que sus agentes surfactantes no destruyen las bacterias en el suelo o en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Se han desarrollado y estandarizado pruebas para establecer el requerimiento biodegradable de muchos detergentes.
Los jabones caseros dominaron el mercado de detergentes por muchos años. Sin embargo, muchos países subdesarrollados usan todavía jabones de producción casera. En la mayoría de los países desarrollados, recientemente, los detergentes surfactantes no jabonoso se han desarrollado y han desplazado a los jabones caseros en el mercado mundial. Esta situación cambiante junto con el aumento de los estándares de vida hace del establecimiento de esta planta una inversión segura y rentable.

INFORMACIÓN GENERAL DEL PROCESO

a) DIAGRAMA DE FLUJO

b) DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

Esta proceso incluye las siguientes etapas:

1. Sulfatado y neutralizado (proceso óleum)

2. Sección de preparación de la pasta.

3. Sección de secado.

4. Sección de perfumado y transporte.

5. Sección de empaque.

La sección de sulfatado y neutralizado está diseñada para permitir a las materias primas, alquilobenceno, óleum (ácido sulfúrico fumante), solución de sosa cáustica, y agua diluida ser contenidas en tanques de alimentación, respectivamente; las materias primas son suministradas a través de una máquina dosificadora, la cual contiene bombas volumétricas de seis pistones, hacia los contenedores de reacción.

La sección de sulfatado presenta tuberías de recirculación, un contenedor de reacción, y un intercambiador de temperatura. La máquina dosificadora (bombas proporcionales) envía el alquilobenceno por medio de las tuberías de recirculación hacia el contenedor de reacción. El agente de sulfatado (ácido sulfúrico), que es suministrado por su respectiva bomba volumétrica, también es transportado al contenedor de reacción. La mezcla que será sulfatada, igual a la cantidad de agentes de reacción, son suministradas y pasadas de manera continua por un sistema de digestión donde se completará la reacción. La temperatura del sistema de recirculación es controlada por una válvula de ajuste de agua fría.

Esta mezcla ácida pasa desde el sistema de digestión hacia el sistema de adulteración. El sistema de adulteración contiene un contenedor de reacción, un intercambiador de temperatura y tuberías de conexión. Agua diluida, que es suministrada desde su respectiva bomba, es introducida al contenedor de reacción. La temperatura en el circuito de adulteración es controlada por una válvula de ajuste de agua fría.

La mezcla de ácido diluido pasa al sistema de separación donde cualquier ácido de escape es separado en forma de capas. Esta separación es controlada por medio de un control de nivel de interfase, por ejemplo, para controlar la separación de la superficie en dos capas. El ácido sulfatado emerge a la parte superior del separador y entra al circuito de neutralización que consiste de un contenedor de reacción, un intercambiador de temperatura, y tuberías de circulación para trasladar la mezcla al tanque de ajuste de pH. La solución de sosa cáustica es bombeada al contenedor de reacción. El ácido sulfatado es transportado a su tanque de almacenamiento y luego es bombeado hacia el contenedor de reacción. La temperatura de este sistema es controlada por válvulas de ajuste de agua fría. El tanque de ajuste de pH hace que el producto neutralizado tenga una composición uniforme y homogénea. El producto neutralizado es controlado por un medidor continuo de pH a través de unos electrodos colocados en la cámara de fluido y en el indicador de pH.

La sección de preparación de la pasta está diseñada para permitir que el producto neutralizado (sulfato de sodio) y agentes adicionales (como trifosfato de sodio, silicato de sodio, sulfato de sodio, CMC, abrillantador, etc.) sean mezclados por medio de un embrague en un agitador eléctrico de baja velocidad. La pasta mezclada es convertida en una pasta homogénea a través de un molino coloidal. Luego esta pasta es pasada por unos filtros para remover las impurezas sólidas. Después de pasar por los filtros, la pasta es transportada a su tanque de almacenamiento.

Una vez que la torre de rociado está preparada, la pasta es transportada a los inyectores de rociado (colocados en la parte superior de la torre de rociado) a través de una bomba triple de alta presión. Los sujetadores, tanques de almacenamiento, filtros y tuberías son calentados por un dispositivo a vapor. Los motores y la temperatura del proceso son manejados por un panel de control central.

La sección de secado consiste de una torre de rociado, un horno generador de aire caliente, y un colector de ciclón.

El horno genera aire caliente utilizando para su combustión aceite de quemado ligero (o una mezcla de diesel y aceite ligero) El aire caliente es soplado y distribuido en la torre de rociado utilizando un soplador, ubicado al lado del horno.

La pasta de detergente es enviada a la torre de rociado y esparcido desde los inyectores cortando el flujo de aire caliente para mantener volúmenes pequeños en forma de comprimidos. Luego la pasta desciende suavemente y es secado dentro de dispositivos ahuecados antes de llegar al conducto de descarga de la torre de rociado.

Después de pasar a través de la torre de rociado, el aire caliente es liberado dentro del colector de ciclón, que separa al detergente en un polvo fino, luego este pasa a través del conducto de aire caliente y es descargado en un lugar abierto.

Como el polvo seco, descargado de la torre de rociado, está aún caliente entonces será enfriado en un conducto de transporte neumático. Luego es separado del aire frío en una cámara de separación y almacenado en tanques.

El detergente en polvo descenderá sobre un tamiz vibratorio, separando el polvo fino y grueso y pasando a un aparato de perfumado continuo donde se rocía el perfume desde los inyectores, y luego será transportado a la sección de empaque.

El detergente en polvo es enviado por medio de un transportador a la máquina automática de pesado y empaque que es acoplada con una máquina de sellado continuo para sellar el producto en bolsas de plástico. Una vez que las bolsas son selladas, los productos son transportados al almacén para su posterior comercialización.