TRABAJOS CIENTIFICOS
Plantas medicinales, aromáticas y tintóreas.
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Anales de SAIPA - Sociedad Argentina para la Investigación de Productos Aromáticos
V JORNADAS NACIONALES DE ACTUALIZACIÓN SOBRE RECURSOS NATURALES AROMÁTICOS Y MEDICINALES - San Carlos de Bariloche (Río Negro), Argentina - 1991
Volumen XII - 1994 - pág 35 a 51CONSIDERACIONES PRÁCTICAS PARA EL DISEÑO DE EQUIPOS DESTILADORES DE ACEITES ESENCIALES
Nicolás A. Camisa * y Claudio M. Grassetti *** Agrónomo e
** Ingeniero Químico; ambos asesores privados.
INTRODUCCIÓN
Quienes estamos fomentando la producción de aceites esenciales, ya sea promocionando los mismos, teniendo que decidir la apertura de nuevas zonas o instruir a quienes quieren iniciarse en este tipo de explotación, estamos obligados a plantearle al iniciante la necesidad de estudiar la escala de producción, la inversión da capital total y los costos de fabricación para llegar por último al beneficio o rentabilidad del proyecto. Debemos despejar la premisa de que no existe la gran inversión en la instalación de un equipo de destilación, sin el cual no tendría mucho sentido encarar la parte agrícola, ya que si bien algunas plantas aromáticas son utilizadas para el uso condimenticio, para lograrlo sería mayor la inversión y habría que solucionar muchos más problemas para su elaboración.
Cabe destacar la versatilidad del equipo destilador que diseñado adecuadamente permite procesar prácticamente todas las plantas aromáticas, según sea la parte del vegetal que almacena el aceite esencial, hierbas, semillas o maderas chipeadas.
De acuerdo a la extensión cultivada se da la escala de producción, que será:
- Instalación semidoméstica
- Instalación industrial
La primera es la adecuada para pequeños productores que posean de 5 a 25 ha. cultivables, mientras que la segunda para explotaciones mayores a las 25 ha.. Nosotros desarrollaremos el caso de tener 25 ha. en la primera y 250 ha. para la instalación industrial.
A continuación desarrollaremos, para cada tipo de instalación, los parámetros que llevan a hacer rentable el proyecto contemplando para cada caso las consideraciones técnico-económicas del diseño, forma de operación del proceso, costos fijos de los mismos y cultivos alternativos que se pueden realizar.
GENERALIDADES
La construcción de las distintas partes que constituyen el sistema de destilación se detallan a continuación:
ALAMBIQUE
Se emplea chapa de hierro negro, chapa galvanizada o acero inoxidable calidad 304.
CUELLOS DE CISNE, CONDENSADORES Y VASOS FLORENTINOS
Estas partes se encuentran en contacto directo con la esencia, por lo que se las construye exclusivamente en acero inoxidable 304, para asegurar que el material del equipo no desvirtúe la calidad del producto obtenido.
Hay que tener en cuenta que el volumen del alambique es generalmente cinco veces superior a la cantidad en peso del material vegetal a procesar en el mismo.
En cuanto a la faz operativa, digamos que al permitir los destiladores procesar una amplia gama de plantas aromáticas, se hace necesario la limpieza del aparato mediante el soplado de vapor durante 30 a 45 minutos, para evitar la contaminación de las esencias. Es aconsejable para comprobar la calidad según norma de las esencias obtenidas y de los rendimientos esperados, encarar la construcción de un equipo experimental.
Dicho equipo deberá estar diseñado teniendo presente que éste mantendrá las líneas del equipo semidoméstico o industrial, será económico y de fácil instalación y traslado.
Para facilitar esto último se recomienda que el volumen del alambique no sea superior a 20 litros, ya que ésta es la capacidad límite por sobre la cual la DGI reglamenta su traslado, evitando así demoras enojosas en dichas dependencias.
Por otro lado se hace preferible, repetir varias veces la operación de extracción para lograr 100 g de esencia, que no diseñar un equipo de mayor envergadura.
Este equipo mantiene las formas de la planta industrial, ya que de él se pueden obtener datos de proceso que son luego utilizados en el diseño.
Además este equipo debe ser económico para estar al alcance del colono, y lo que es mejor aún y que nosotros venimos pregonando desde hace ya tiempo es que la adquisición se realice a través de un municipio, cooperativa o estación agrícola experimental.
Una estimación aproximada de su costo discriminando sus partes constitutivas, sería el siguiente:
Descripción
u$s
Alambique capacidad 20 l en capa de hierro negro
50
Tapas, juntas y cuello de cisne en cobre o acero inoxidable, condensador a serpentina en caño de 3/4" de diámetro de cobre o acero inox.
60
Vaso florentino o separador de esencias de 15 l. de acero inox.
40
Accesorios y cañerías.
30
Mano de obra e imprevistos.
60
TOTAL
240
Con respecto a la forma operativa, es conveniente la inyección de vapor directa para evitar la pirólisis de la esencia. De no disponerse de caldera, se podrá generar vapor de baja presión en un recipiente lleno con agua en sus 2/3 partes del volumen, calentando a fuego directo, gas o resistencias eléctricas.
Instalación Semi doméstica:
Según sea la forma de generación de vapor para el proceso, se denomina al mismo:
HIDRODESTILACIÓN
Cuando el vapor es generado dentro del alambique, por ejemplo calentando al mismo con fuego directo y no encontrándose el material vegetal en contacto con el agua.
ARRASTRE CON VAPOR
En este caso el vapor es generado en un recipiente (caldera), independiente del alambique.
Operación del proceso:
- ALAMBIQUE
El volumen convencional es de 3,0 a 3,5 m3.
Siendo su forma tronco-cónica, para facilitar la descarga del material vegetal exhausto.
Este tipo de alambique permite el procesamiento aproximado de: 600 kg. de material vegetal.
En el caso de estar los alambiques expuestos a fuego directo, el espesor del fondo del mismo no debe ser inferior a los 4 mm. debido al desgaste que experimentan los mismos por corrosión. Además se debe contemplar que no es beneficioso el sobredimensionamiento, ya que en ese caso se sumaría al hollín depositado, que actúa como aislante, otra resistencia más a la transferencia de calor.
El espesor de la envolvente del equipo suele ser inferior al del fondo colocándose anillos de refuerzo para lograr mayor rigidez mecánica.
Se aconseja que el espesor de las tapas del alambique tengan el mismo espesor que el fondo del mismo, debido a las continuas maniobras de carga y descarga que suelen deformarlas, trayendo a posteriori el inconveniente de un cierre defectuoso con la consabida pérdida de vapor.
Las tapas se fijan al cuerpo del destilador con 8 charnelas (tornillos con doble tuerca).
La práctica nos ha demostrado que se obtienen operaciones más versátiles y de idéntico rendimiento, si la salida de vapor se encuentra en forma lateral, a 10 cm. de la tapa, en lugar de estar situada perpendicularmente a ésta.
El cuello de cisne es el primer elemento del sistema que entra en contacto directo con la esencia y como ya dijimos anteriormente será construido en caño de acero inoxidable con un diámetro no inferior a las 4", para evitar condensaciones y grandes pérdidas de carga del vapor.
CONDENSADOR
Se utiliza el condensador tipo serpentina sumergida en agua, construido en tres tramos de caño cuyos diámetros son decrecientes, pero que poseen igual área de transferencia de calor. Por ejemplo, el primer tramo será de caño diámetro n 2", el intermedio de O n 1 1/2" y el último de O n 1". Se suele sobredimensionar el área de transferencia de calor ya que la carga de vapor que pasa por el condensador sufre variaciones bruscas debido a la combustión irregular de la leña.
La temperatura de salida del agua y la refrigeración no debería superar el rango de 30-35°C, para evitar la pérdida de esencia.
SEPARADOR DE ESENCIA O VASO FLORENTINO
Para este tipo de instalaciones se sugiere que su capacidad sea de 60 a 80 litros. Este volumen permite alcanzar el tiempo de residencia adecuado para la separación de la emulsión agua-esencia proveniente del condensador.
Otro tema importante es la forma en que ingresa la emulsión al vaso florentino, para evitar la formación de turbulencia que demora su separación. Para evitar esto se coloca un caño perforado que llegue más allá de la mitad de la altura del sifón que permite la salida del agua libre de esencia.
En el caso de la hidrodestilación el proceso de extracción demora un tiempo de 3 a 4 horas, siempre y cuando se logre mantener la temperatura constante de calentamiento de agua, para conseguir tal fin se recomienda alimentar el hogar de combustión con leña de tamaño mediano.
En cuanto al arrastre por vapor el tiempo de proceso es bastante menor, tardándose de 50 a 90 minutos en concluirlo. Esta reducción del tiempo y debe tener una velocidad constante de vapor producido a una presión de 4 kg/cm2 o lo que es igual 60 psi.
De contar con la ventaja que brinda una caldera de vapor es conveniente trabajar con dos alambiques y un sólo condensador compartido de modo de trabajar en uno de dos alambiques mientras se procede a la descarga y recarga del restante, desviando el suministro de vapor mediante el juego de dos válvulas esclusas.
A continuación analizaremos la estimación en la inversión total de capital que se debe realizar para concretar el proyecto.
La inversión total es la suma del capital fijo, o sea el capital necesario para proveer equipos e instalaciones de la planta y del capital de trabajo que es el capital necesario para la operación de la planta.
Inversión de capital del equipo semidoméstico
Cantidad
Descripción
Precio total u$s
2
Alambique de capacidad 3 m3 en chapa de hierro negro.
4.000
1
Refrigerante a serpentina.
500
1
Vaso florentino capacidad 80 l.
130
1
Pluma giratoria de madera de 4 x 4 m para descarga de material exhauto.
250
1
Horno para calefacción del alambique.
80
1
Galpón de 20 m2, techo y paredes de madera.
300
Cañerias, accesorios, bomba de agua.
600
Mano de obra, supervisión de montaje e imprevistos.
650
TOTAL ESTIMADO
6.510
A continuación describimos los cultivos que se pueden encarar:
Has.
Cultivo esencia
Kg esencia/ha por corte
Total - kg
Precio esencia/kg - u$s
Ingreso total - u$s
10
Citronela
120
2.400
4,0
9.600
10
Lemongras
50
1.000
10,0
5.000
5
Menta arvensis
60
600
20,0
1.200
TOTAL
15.800
Se pueden cosechar 5 ha. de menta solamente, pues con la capacidad instalada no se podrá procesar todo el material mientras dura la floración, tiempo estimado en 60 a 70 días.
Existe la alternativa de producir 300 kg. de esencia de menta inglesa cuyo precio sería de U$S 12.000, pero debido a ser esta esencia utilizada como saborizante, la destilación a fuego directo pirogena la esencia con lo cual se desmerece la calidad de la misma.
Con este tipo de equipos se podría encarar la producción de lavandín, romero u otras especies de la familia de las labiadas como así también de eucaliptus, sin mayores inconvenientes.
Para conocer el beneficio del proyecto debemos antes calcular nuestro costo de producto, que resulta de la suma de los costos de fabricación y de los gastos generales.
Se estima la amortización de esta instalación en 3 años por trabajarse con esencias que producen alto grado de corrosión, como el que presentan la citronela y el lemongras.
Detalle
u$s
Amortización
2.170
Costos agrícolas.
3.800
Costos de destilación.
1.580
TOTAL
7.550
Detalle
u$s
Total de ventas
15.800
Costos del producto
7.550
Beneficio total
8.250
Beneficio por Hectárea
330
Los costos de fabricación incluyen los costos directos de producción (materias primas y mano de obra), más los gastos fijos (depreciación, impuestos, etc.) y los gastos generales (administración, marketing, financiación).
Se toma en este caso como costo de fabricación agrícola al 25% del precio de venta de la esencia y los costos de destilación como el 10% de la misma, minimizándose en este caso los gastos generales.
Instalación Industrial
ALAMBIQUE
Presenta la misma forma que en el caso de la instalación semidoméstica, tendrá un volumen de 6,0 a 8,0 m3.
Estos aparatos son exclusivamente alimentados con vapor directo. Por otro lado, con alambiques de esta capacidad se permite procesar entre 250 a 350 ha. por corte, es decir entre 30 y 45 días de cosecha, a razón de 7 a 8 ha. por día, previendo siempre los factores climáticos que condicionan la disponibilidad de hierba que se puede procesar. Si bien parece que el volumen del equipo es excesivo, debe tenerse en cuenta que en determinado momento la madurez del vegetal hace que se recurra a estos equipos para no perder rendimiento.
CONDENSADORES
Se utilizan los del tipo de casco y tubos fijos, dispuestos en posición horizontal o vertical, los cuales presentan la ventaja de ser más compactos y de más fácil desarme para la limpieza que los condensadores del tipo serpentín, si bien poseen la desventaja de ser más costosos que aquellos.
VASO FLORENTINO
Presenta la misma forma y material que los de la instalación semidoméstica, pero en este caso su volumen suele ser de 160 a 200 lts.
CALDERA
Se utilizan calderas de baja presión que generan vapor entre 2,8 y 4,0 kg/cm2 (130-144°C), del tipo humutubular.
Conviene durante el cálculo sobredimensionar la capacidad productiva del vapor, para permitir en el futuro la instalación de una batería adicional de alambiques, sin tener que caer en el agregado de una caldera extra. Debe evaluarse la posibilidad de usar leña como combustible, que si bien significa un gasto extra en la adaptación del hogar, se compensa con el ahorro por gasto de combustible, según muestra comparativamente el gráfico.
La instalación típica es la de una caldera que produzca de 1.000 a 1.200 kg. de vapor/h. el cual alimenta a 3 juegos de 2 alambiques cada uno, de volumen entre 6,0 a 8,0 m3, a los que se les inyecta de 250 a 300 kg. vapor/hora y actúan alternativamente de a 3 a la vez, mientras se efectúa la descarga y recarga de los restantes.
Es necesario en este punto de la disertación, formular algún comentario sobre el tratamiento previo a la destilación que requiere el material vegetal a procesar.
El mismo debe ser secado u oreado al aire, en lugares no abiertos y a la sombra, para poder disminuir el consumo de vapor, que requerirá en su lugar el procesamiento de material vegetal verde. Para ilustrar este situación, Guenther cita el consumo de vapor necesario para destilar menta arvensis por Kg. de esencia según sea el grado de humedad presentado, el que se ilustra a continuación:
Menta arvensis
Material
Consumo de vapor en kg/kg de esencia - u$s
Verde
250 - 350
Semiseco
60 - 800
Secado al aire
30 - 40
Una experiencia reciente, nos ha permitido saber que es posible deshidratar menta, enfardándola luego de la cosecha y dejándola almacenada para hacer después destilada durante la época invernal, momento propicio en el cual la destilería presenta su máxima capacidad ociosa.
Cantidad
Descripción
Precio total u$s
1
Caldera humutubular, capacidad 1.200 kg/h.
25.000
6
Alambiques capacidad 8 m3 de chapa hierro negro.
36.000
3
Condensadores horizontales de tubos de acero inox.
30.000
3
Vasos florentinos capacidad 160 l. en acero inox.
2.700
1
Cañerias, válvulas y accesorios boba de circulación de agua.
1.500
1
Ablandador de agua capacidad 1.200 l/h y tanque de agua tratada y retorno de condensado.
2.600
1
Puente grua monoriel, carga 2,5 t.
2.000
Galpón tinglado para alambique y refrigerante, medidas 20 x 15 x 4 m.
7.500
1
Galpón para caldera de 30 m2
2.000
1
Tanque australiano para agua, cpacidad 20 m3
1.500
Electrificación y accesorios
2.000
Obra civil y armado mano de obra
4.500
Supervición, montaje e imprevistos.
32.700
TOTAL PREVISTO
150.000
Se puede contemplar la amortización de este tipo de instalación en el lapso de 5 años a razón de U$S 25.000/año.
La inversión de capital fijo representa los costos directos o sea los costos de los materiales y de la mano de obra necesaria para la instalación completa de la planta y de los costos indirectos que incluyen los gastos de ingeniería, supervisión, gastos de construcción y eventuales, los cuales han sido considerados en este caso.
En el siguiente cuadro se muestran los aceites esenciales obtenidos según el área cultivada y el total de ventas de los mismos:
Especie cultivada
Rinde por hectárea
Cantidad de hectáreas cultivadas
Total - kg de esencia
Precio esencia/kg - u$s
Precio total - u$s
Menta inglesa
60
100
6.000
50
300.000
Menta arvensis o japonesa
120
100
12.000
20
240.000
Lavandín
100 *
50
5.000
18
90.000
TOTAL
630.000
* a partir del 3er. año de plantación y hasta los 15/20 años de vida de la planta.
Eventualmente se pueden cultivar ciertas especies de eucaliptus en muchas zonas del país, ya que presenta este cultivo la ventaja de destilarse en la época del año en que no se elabora ninguna de las otras tres especies citadas anteriormente.
En este caso no hemos tenido en cuenta esta alternativa, para no ser demasiado optimistas en cuanto al beneficio del proyecto.
Mientras las condiciones climáticas lo permitan, se puede elaborar una cosecha normal, que provea el material vegetal necesario a los alambiques para trabajar las 24 horas del día.
Para este tipo de instalación el costo del producto y el beneficio estará dado por:
Detalle
u$s
Amortización (en 5 años)
30.000
Costos de fabricación agrícola
315.000
Destileria
126.000
Costos generales
14.000
485.000
Ventas
630.000
Costos del proyecto
485.000
Beneficio Total
145.000
Este valor representa un beneficio algo superior al 75% con respecto a la instalación semidoméstica.
Se estima que el costo de fabricación agrícola que incluye plantines, abonos, insecticidas, mano de obra de cultivos y cosecha se encuentra en el orden del 50% del precio de venta total de la esencia. En cuanto a los gastos de fabricación de la destilería por mano de obra y combustible es del orden del 20% del precio de venta, en cuanto a los gastos generales son de aproximadamente el 2,5% de este último.
CONCLUSIONES
A través de este estudio, pretendemos modestamente despejar las incógnitas que se les plantea a las personas que desean encarar la explotación de los aceites esenciales.
Sabemos a ciencia y conciencia, las estimaciones aquí presentadas no están lejos de la realidad. Por el contrario se ajustan a las mismas y hacen que no podamos dejar de ser optimistas en cuanto a la factibilidad del proyecto, ya que las ganancias obtenidas de las esencias, producidas con los equipos presentados y respetando las técnicas de la buena destilación, se incrementan debido a las buenas perspectivas que ofrece el mercado.
Por último queremos señalar que los equipos aquí presentados no difieren en cuanto a calidad ni al rendimiento con los de tecnología extranjera. Por esto y por la amplia experiencia que poseemos en cuanto al diseño de equipos, instalación y puesta en marcha de los mismos es que queremos aportar a través de este trabajo nuestra pequeña cuota al desenvolvimiento de esta bendita Patagonia.
BIBLIOGRAFÍA
- E. Guenther. The essential oil. Ed. Van Nostrand Co., Inc. (1949)
- E.F.K. Denny. Field destillation for herbaseous oils. Ed. Denny Me. Kenzie Ass.. Australia 1990.
- F. Muñoz López de Bustamante. Plantas medicinales y aromáticas. Estudio, cultivo y procesado. Ed. Mundi - Prensa (1987).
- M. Peters y K. Timmerhaus. Diseño de plantas y su evaluación económica para ingenieros químicos. Ed. Géminis S.R.L. (1978).
- H. García Araez. Esencias naturales. Ed. Aguilar. Madrid (1953).
CUADROS
Contenido promedio de aceite esencial en el destilado (Relación Peso/Peso)
Material vegetal
Esencia % P/P
Angélica semillas
0,19
Angélica raíz fresca
0,03
Anís semillas
0,81 a 1,16
Cedro madera
0,97 a 1,1
Perejil semillas
0,17
Manzanilla flores secas
0,004 a 0,007
Coriando semillas
0,56 a 0,57
Menta arvensis. Hierbas frescas.
0,11
Vetiver raíz.
0,015 a 0,02
Costo de combustible para la generación de 1.000 kg. por hora (620.000 Kcal./hora)
Combustible
Potencia calorífica
Consumo
Precio unitario -
ARelación de precios
Madera blanda
1.900
kcal/kg
350
kg
160.000
tn
1
Madera dura
4.000
kcal/kg
160
kg
-
-
Gas Oil
10.500
kcal/kg
861
l.
3.100
l.
4.8
Gas natural
8.300
kcal/m
83
m
2.550
l.
3,8
Inversión total de Capital = Capital Fijo + Capital de trabajo
Capital fijo
Costo directo
Equipos adquiridos
Instalación de equipos
Instrumentación y Control
Cañeris y Accesorios
Equipos y materiales electricos
Obras civiles
Mejoras del terreno
Instalaciones de servicio
Terreno
Costo indirecto
Ingenieria y construcción
Gastos de construcción
Honorarios de contratistas
Eventuales
Capital de trabajo
Dinero invertido en:
- Productos terminados en depósito y semelaborados en proceso.
- Cuentas a cobrar.
- Pago mensual gastos operativos
- Cuentas a pagar
- Impuestos a pagar.
Costos de fabricación = Costos directos de producción + Gastos fijos + Gastos generales de planta.
Costos de fabricación
Costo directo
Materias primas
Mano de obra
Superviión directa
Servicios auxiliares
Suministros para la operación
Gastos de laboratorio
Gastos Fijos
Depreciación
Seguros
Alquileres
Impuestos locales
Gastos Generales
Administración
Distribución y marqueting
Investigación y desarrollo
Financiación
Costos Total del Producto = Costo de fabricación + Gastos generales.
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