Detrás de la fabricación industrial de detergentes hay un proceso de numerosos experimentos que tienden a ser costosos y poco amigables con el medioambiente. La Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales desarrolló una herramienta de simulación por computador que reduciría las pruebas experimentales y bajaría costos.
El creador de la herramienta es Juan Federico Herrera Ruiz
en el marco de su Maestría en Ingeniería Química de la UNAL, quien explica que
para transformar las materias primas en productos comercializables como
detergentes, la industria realiza un 70 % de reacciones químicas entre
líquidos, gases y otros elementos en un proceso conocido como “sistemas
reactivos heterogéneos con transferencia de masa interfacial”.
“Para entender y predecir esta transferencia de masa se
utilizan modelos basados en experimentos que pueden ser costosos. Sin embargo,
ahora el avance con tecnología permite emplear modelos computacionales más
precisos para mejorar la producción industrial”, puntualiza el investigador.
Dentro de este proceso se utilizan compuestos químicos
surfactantes, que son aquellos que permiten mezclar líquidos que en condiciones
normales no se combinan, como el agua y el aceite. Los surfactantes aniónicos,
con carga negativa, son muy usados en detergentes y jabones por su capacidad
para formar espuma y eliminar grasa.
En 2021 el mercado global de surfactantes alcanzó ventas de
43.000 millones de dólares y una demanda de 19 millones de toneladas, de las
cuales un tercio correspondió a surfactantes aniónicos.
Para fabricar detergentes industriales se usa especialmente
el tridecilbenceno y otros productos químicos industriales por su capacidad
para formar surfactantes que ayudan a limpiar y emulsionar en soluciones de
agua; su estructura le permite interactuar eficazmente tanto con el agua como
con las grasas y aceites, facilitando la eliminación de manchas y suciedad.
Para obtener estos compuestos se emplea un reactor de
película descendente que genera un proceso de sulfonación o reacción química
para producir ácido tridecilbencensulfónico (TDBS) o surfactante aniónico, el
ingrediente esencial en la fabricación de estos productos.
“Este reactor es un tubo largo e inclinado por el que fluye
una capa delgada de líquido que inicia el proceso de fabricación a 20 °C,
luego, casi a un tercio de la longitud, la temperatura sube hasta casi
60 °C, y al final de la longitud del reactor desciende hasta casi
40 °C”, explica el investigador.
A medida que el líquido se desliza hacia abajo se encuentra
con una mezcla de aire y trióxido de azufre que se introduce en el tubo
permitiendo que ocurran reacciones químicas para obtener los surfactantes. La
inclinación del tubo hace que el líquido fluya lentamente, lo que da tiempo
para que, con la mezcla gaseosa, se intercambien sustancias de manera
eficiente.
Para optimizar este proceso de la industria, en el estudio
el equipo desarrolló una herramienta de simulación por computador que describe
el comportamiento del reactor de película descendente. Este método reduciría el
número de pruebas de laboratorio previas a la etapa industrial, que pueden
costar miles y hasta millones de dólares.
El modelo propuesto predijo la temperatura y la
concentración del producto con errores muy pequeños: solo un 0,3 % en
temperatura y 2 % en concentración. Aunque tomar los cálculos lleva
tiempo, el modelo es mejor que los anteriores porque da resultados más exactos,
lo cual ayuda a mejorar el diseño y funcionamiento del reactor.
La metodología de análisis del reactor estudiado se podría
extender a otros sistemas similares, ahorrando en experimentos costosos y
reduciendo los tiempos de escalado y diseño de procesos industriales. Además,
al reducir la necesidad de experimentos físicos, el modelo contribuye
indirectamente a proteger el medioambiente, al minimizar el uso de recursos y
la generación de residuos.
“En 1970 el mercado global de productos químicos era cercano
a los 400.000 millones de dólares, y en 2020 alcanzó los 5,9 billones de
dólares. La industria química representa el 6,4 % del PIB en la Unión
Europea y el 25 % en Estados Unidos, influyendo en el 96 % de los
productos consumidos. Se proyecta que en 2030 las ventas de la industria se
duplicarán, y nuevamente lo harán en 2050, por el crecimiento poblacional”,
señala el investigador Herrera.
En Colombia existe 4 plantas dedicadas a la sulfonación, de
las cuales solo 2 se enfocan en la producción y comercialización de sulfonatos,
mientras que las otras 2 utilizan el producto para sus propias necesidades
internas. “En 2019 el país manejó un comercio de surfactantes que alcanzó casi
los 6 billones de pesos colombianos (3 billones en importaciones y 3 billones
en exportaciones)”, añade el investigador.
En 2020 las ventas totales de surfactantes se elevaron a
unos 10 billones de pesos, un aumento notable impulsado por la emergencia
sanitaria. Colombia exporta principalmente a mercados en el Caribe y América
Latina, e importa desde Estados Unidos, China, Francia y Alemania.
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