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Estudio donde detalla la produccion de biodiesel en una planta piloto de frijol de soya. Desde la produccion mundial ,nacional equipos empleados etc.
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TITULO
Estudio de prefactibilidad para la generacin de biodiesel a partir de
aceite quemado en el restaurante Tip Top, Estel, Nicaragua.
AUTORES
Br. Edduar Gilberto Garca Snchez
Br. Yesser Adiath Alfaro Lpez
Br. Manuel Esteban Ruiz Ortega
TUTOR
Ing. Fernando Jos Lpez Artola
Managua, 10 de Febrero de 2012
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE TECNOLOGIA DE LA INDUSTRIA
INGENIERIA INDUSTRIAL
Dedicatoria.
Autor: Edduar Garca Snchez A Dios, quien me dio la fe, la fortaleza, la salud y la esperanza
para terminar este trabajo.
A mis padres, quienes me ensearon desde pequeo a luchar para
alcanzar mis metas. Mi triunfo es el de ustedes.
A mis hermanos, tos, primos, abuelos, novia, amigos y maestros.
Gracias por haber fomentado en m el deseo de superacin y el
anhelo de triunfo en la vida.
Mil palabras no bastaran para agradecerles su apoyo, su
comprensin y sus consejos en los momentos difciles.
A todos gracias, porque creyeron en mi y porque me sacaron
adelante, dndome ejemplos dignos de superacin y entrega,
porque en gran parte gracias a ustedes, hoy puedo ver alcanzada
mi meta, ya que siempre estuvieron impulsndome en los
momentos ms difciles de mi carrera, y porque el orgullo que
sienten por m, fue lo que me hizo ir hasta el final. Va por ustedes,
por lo que valen, porque admiro su fortaleza y por lo que han
hecho de m.
A todos, espero no defraudarlos y contar siempre con su valioso
apoyo, sincero e incondicional.
Autor: Manuel Esteban Ruiz Ortega
A Dios Padre todo poderoso por haberme dado la vida, salud,
sabidura e inteligencia para poder lograr este sueo tan
importante en mi vida que tanto anhel, el cual es culminar mis
estudios universitarios y ser un profesional, quien ha sido mi
gua por el camino del bien, instruyndome y llevndome de
su mano permitindome levantarme cuando estuve dbil y
mirar al horizonte con la esperanza de que llegara a mi meta.
A mis padres Manuel de Jess Ruz Garca y Juana del
Socorro Ortega Hernndez pero muy en especial a mi madre
por brindarme la confianza, el apoyo y la motivacin constante
que me han permito alcanzar con xito mis metas. Por todos
los consejos que me dieron y los valores inculcados, los que
me permitieron ser una persona de bien.
A mis hermanos Reynaldo de Jess Ruz Ortega y Maura del
Carmen Ruz Ortega quienes me ayudaron a darme cuenta de
que sin ellos yo no sera nadie y no hubiera podido lograr este
sueo porque me inspiraron a luchar por esta meta para sacar
adelante nuestra familia.
A mis abuelitas Maura Catalina Hernndez Prez y Mara del
Carmen Garca Torrez quienes estn hoy en da en la gloria de
nuestro seor Jesucristo, ellas me inspiraron y sirvieron de
ejemplo para siempre viviera cada da con humildad y poder
ayudar a las dems personas cuando tengan alguna necesidad.
A mis familiares y amigos que creyeron y me dieron ese
aliento de que poda llegar a ser un Ingeniero.
Agradezco primeramente a Dios por darme la oportunidad de
finalizar otra etapa de mi vida, de permitirme tener otras
experiencias, est escrito en la palabra de Dios que la hoja de
un rbol no se puede mover si no es la voluntad de l, y fue su
voluntad la que hizo que se moviera esta hoja de mi vida y as
pudiera terminar mis estudios y esta monografa, Gracias
Agradezco primeramente a Dios por darme la oportunidad de
finalizar otra etapa de mi vida, de permitirme tener otras
experiencias, est escrito en la palabra de Dios que la hoja de
un rbol no se puede mover si no es la voluntad de l, y fue su
voluntad la que hizo que se moviera esta hoja de mi vida y as
pudiera terminar mis estudios y esta monografa, Gracias
Padrecito Santo por estar siempre a mi lado a lo largo de mi
carrera por que se que sin ti no hubiese podido lograr mis
sueos.
Agradezco a mi Madre que sin ella este logro no sera realidad,
gracias por tu apoyo incondicional en mis estudios
universitarios madrecita.
Agradezco a mis familiares y amigos universitarios en
especial a esos grandes amigos que Diosito me permiti
conocer en la Universidad, con los cuales pude compartir y
disfrutar momentos inolvidables y logros Universitarios estos
son mis casi hermanos, Evert Humberto Gonzlez Parrales,
Edduar Gilberto Garca Snchez, Yesser Adiath Alfaro Lpez,
Edgar Jos Baltodano Corea, entre otros(as) los cuales fueron
muy especiales en mi vida.
Autor: Yesser Adiath Alfaro Lpez
Cada da estoy corriendo la carrera de la fe y
muchas veces pens que a la meta no llegara,
cansado y sediento vine a Dios y me dio su
aliento, a la meta llegue y solo con Dios lo pude
lograr.
A la mujer buena, amorosa, sacrificada. A
la mujer que sin lmite de tiempo ni espacio
ha sido mi sustento, mi fuerza, la razn que
tengo para seguir creciendo como ser humano.
A ella que es mi orgullo le dedico este
triunfo al culminar esta etapa de estudio, para
usted mamita Sidalia Lpez Oviedo.
A mi familia por su cario, apoyo y sus
sabios consejos que me han permitido ser
cada da una mejor persona.
A mis amigos con quienes he compartido mis
inquietudes y aciertos.
A cada uno de los docentes que fortalecieron,
que sembraron en mi vida las enseanzas de
cada uno de las especialidades y ramas de la
ingeniera, los docentes que estuvieron de una
forma directa en la realizacin de este estudio
tales como: Ing. Eddie Gonzlez, Ing. Fernando
Lpez Artola, Ing. Sandra Blandn, Ing. Alba
Daz, Ing. Luis Mara Dicovski, Ing Gustavo
Moreno.
Resumen del Tema
En la actualidad los pases han apoyado la utilizacin de biocombustibles con el objetivo
de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, impulsar la descarbonizacin
de los combustibles de transporte, diversificar las fuentes de su abastecimiento,
desarrollar alternativas al petrleo a largo plazo, utilizar tierras no cultivadas (en
barbecho) y reforestar la capa vegetal. Se espera tambin que el incremento de la
produccin de biodiesel y bioetanol ofrezca nuevas oportunidades a los pases que los
producen como fuente de ingresos, empleo en las zonas rurales o de bajos recursos.
El biodiesel es un combustible renovable proveniente de aceites vegetales o grasas de
origen animal, que puede ser usado total o parcialmente para reemplazar el combustible
diesel de los motores de ignicin sin requerir una modificacin sustancial de los mismos.
Tradicionalmente el biodiesel es obtenido mediante una transesterificacin de aceites o
grasas, haciendo reaccionar un alcohol de cadena corta (usualmente metanol o etanol),
en presencia de un catalizador, usualmente NaOH o KOH, aunque tambin se ha
investigado el uso de metxidos, cidos inorgnicos y lipasas. Las materias primas ms
frecuentes para la produccin de biodiesel son los aceites de las oleaginosas de
produccin mundial, tales como colza, girasol, soja y palma africana, aunque tambin
se estn experimentando numerosas fuentes alternativas como son los aceites de
fritura reciclados y las grasas animales. Adems hay una gran expectativa por lo que
puedan ofrecer especies exticas caractersticas de cada regin, como son la Jatropha
o las algas, entre muchas otras.
El biodiesel es una alternativa energtica que ha ganado una especial atencin en el
mercado global. Pases como Alemania y EEUU lo han usado e implementado con xito
en las dos ltimas dcadas en los vehculos. A pesar de esto, muchas veces ha sido
cuestionado y an est sujeto a superar varios problemas y muchos prejuicios. Es por
eso que se hace necesario seguir investigando lugares, insumos y procedimientos que
hagan esta alternativa ms viable, tcnica, social y econmicamente.
El principal problema del biodiesel es su precio, debido a los altos costos de las
materias primas, adems de los procesos necesarios de extraccin, pretratamiento y
transesterificacin de los aceites, los cuales dependen de las caractersticas del tipo de
aceite seleccionado y del lugar donde se produce la oleaginosa de donde proviene.
El principal problema del biodiesel es su precio, debido a los altos costos de las
materias primas, adems de los procesos necesarios de extraccin, pretratamiento y
transesterificacin de los aceites, los cuales dependen de las caractersticas del tipo de
aceite seleccionado y del lugar donde se produce la oleaginosa de donde proviene.
Por estas razones en este trabajo se utiliz aceite vegetal quemado obtenido del
proceso de fritura del restaurante Tip Top panamericana de la ciudad de Esteli para la
produccin de biodiesel. Es importante sealar que los aceites vegetales quemados
obtenidos del proceso de fritura son considerados como una de las alternativas ms
econmicas para la produccin de biodiesel y con su utilizacin se busca la
optimizacin de este desperdicio para alcanzar eficiencia energtica que beneficie al
restaurante Tip Top panamericana.
El presente trabajo est dividido en seis partes principales:
7. Estimacin del potencial del aceite quemado
En este campo de estudio de los aceites quemados, se analizaron algunos parmetros
fsicos y qumicos de los aceites procedentes de los restaurantes que se seleccionaron
de la ciudad de Estel, esto, para realizar un anlisis comparativo. Es importante sealar
que es de vital importancia el estudio de los aceites ya que nos presentan un panorama
de las caractersticas y de los posibles efectos que se generen en la elaboracin de
biodiesel en el restaurante Tip Top panamericana, adems de realizar las prcticas de
laboratorio para el pretratamiento de esta materia prima.
8. Produccin de Biodiesel
Para producir biodiesel se determinaron las cantidades necesarias de materia prima
(metanol, hidrxido de sodio y aceite vegetal quemado) para poder obtener biodiesel,
dichas cantidades son por cada litro de aceite quemado de restaurante Tip Top Estel
200 ml de metanol y 5.39 gramos de hidrxido de sodio. La produccin de biodiesel a
escala laboratorio se realizo en el laboratorio de agroindustria de la Universidad
Nacional de Ingeniera UNI-RUACS.
Tambin se realizaron pruebas de calidad al biodiesel para asegurar el buen
desempeo de este en plantas generadoras de energa elctrica tales pruebas fueron:
Nacional de Ingeniera UNI-RUACS.
Tambin se realizaron pruebas de calidad al biodiesel para asegurar el buen
desempeo de este en plantas generadoras de energa elctrica tales pruebas fueron:
densidad a 15 0C, viscosidad a 40 0C, punto nube, transferencia de calor, prueba en
mechero, rendimiento de la reaccin y porcentaje de glicerina.
Adems se realiz biodiesel en un prototipo de procesador de biodiesel para determinar
la eficiencia futura de la propuesta de planta productora de biodiesel de restaurante Tip
Top Estel.
Finalmente se hicieron pruebas en dispositivos que funcionan con diesel (motor
estacionario, automvil y planta elctrica) para comprobar mediante la prctica la
calidad del biodiesel producido del aceite quemando de restaurante Tip Top Estel.
13. Estudio Tcnico.
Este estudio se permite verificar la posibilidad tcnica de fabricacin del producto que
se pretende elaborar a partir del desperdicio obtenido del proceso de fritura en el
restaurante Tip Top, permitiendo un anlisis sistemtico para disear el tamao ptimo,
los equipos que se necesitan para la generacin de biodiesel, las instalaciones de la
planta y la organizacin requeridos para la produccin, proceso de produccin,
distribucin de planta, seguridad e higiene, proyecciones de materia prima.
14. Estudio Financiero
En esta parte del estudio se presenta la forma de ordenar y sistematizar la informacin
de carcter monetario que proporcionan las etapas anteriores que sirven de base para
lograr la evaluacin financiera. Incluye un detalle de las inversiones del proyecto,
clasificado en inversiones fijas y diferidas del capital de trabajo y estimaciones basadas
en pronsticos, costos de produccin, gastos de administracin, gastos financieros y
pago de impuestos. Adems refleja las proyecciones financieras, estado de prdidas y
ganancias y flujos proyectados.
ganancias y flujos proyectados.
17. Evaluacin Financiera.
En esta fase se aplicaron indicadores econmicos tales como: El valor presente neto, la
relacin beneficio costo, la tasa interna de retorno y un anlisis de sensibilidad.
18. Impacto ambiental.
En esta parte se trat cada uno de los posibles impactos ambientales de las etapas que
se llevaran a cabo en la ejecucin de este proyecto, debido a esto se determin que el
proyecto se podr ejecutar sin ningn peligro ya que no se encontr ningn posible
impacto perjudicial al medio, a sus alrededores y por ende a sus ejecutores.
Para que pudiramos determinar que este proyecto no ser perjudicial analizamos
Factores ambientales fsicos (Aire, Agua, Suelo, temperatura del ambienten, entre
otros) y Factores ambientales biticos o biolgicos (Flora y Fauna) en cada una de las
etapas (construccin del edificio y funcionamiento de la planta).
Se diseado un programa de medidas correctoras para reducir el nivel de impacto
negativo. Adems, el Programa la Vigilancia Ambiental permitir monitorizar la
adecuada implantacin de las medidas diseadas y comprobar su eficacia.
Se realizaron pruebas de calidad a las aguas residuales como pH, debido a esto se
determin tratar las por medio de una planta de tratamiento que permitan cumplir con
los parmetros establecidos en la Norma Tcnica para el Vertido de Aguas Residuales
en Cuerpos Receptores y Alcantarillados Sanitarios eliminando grasas, arenas, y otros
residuos impuros que puedan daar o perjudicar el ambiente.
1. INTRODUCCIN _____________________________________________ 1
2. OBJETIVOS _________________________________________________ 3
2.1. Objetivo General _________________________________________ 3
2.2. Objetivos Especficos _____________________________________ 3
3. JUSTIFICACIN _____________________________________________ 4
4. mARCO TEORICO ____________________________________________ 6
Capitulo 1. LA QUIMICA DE LOS ACEITES VEGETALES QUEMADOS ___ 7
4.1. Introduccin al Aceite Quemado _____________________________ 8
4.2. Propiedades y Composicion del Aceite antes de Utilizar en el Proceso de Fritura _____________________________________________ 9
4.3. Alteraciones en la Composicin del Aceite de Fritura __________ 11
4.3.1. cidos grasos lires ____________________________________ 12
4.3.2. Compuestos de oxidacin primaria _______________________ 14
4.3.3. Compuestos no voltiles de oxidacin secundaria __________ 15
4.3.4 Compuestos voltiles de oxidacin secundaria _____________ 17
4.3.5 Monmeros cclicos de los cidos grasos _________________ 19
4.3.6 Dmeros y polmeros de los triacilgliceroles ________________ 21
4.3.6.1 Dmeros apolares ___________________________________ 22
4.3.6.2 Dmeros polares ____________________________________ 24
4.3.6.3 Oligmeros ________________________________________ 26
4.3.7 Esteroles oxidados ____________________________________ 27
4.4 Mtodos para la determinacin de la alteracin hidroltica _____ 30
4.4.1. Indice de acidez _________________________________________ 30
4.5. Metodos fisicos para la determinacion de la alteracion del aceite _ 33
4.5.1 ndice de refraccin ____________________________________ 33
4.5.2 ndice de espuma ______________________________________ 33
4.5.3 Constante dielectrica ___________________________________ 34
4.5.4 Punto de humo ________________________________________ 36
4.5.5 Viscosidad ___________________________________________ 36
4.5.6 Color ________________________________________________ 37
4.6. Mtodos basados en la composicion para la determinacion de la alteracion del aceite ___________________________________________ 38
4.6.1 Disminucin del contenido en AGPI ______________________ 38
4.6.2 ndice de yodo ________________________________________ 39
Capitulo 2. CARACTERIZACION DEL BIODIESEL ___________________ 42
4.7. El hombre y su adiccin energtica _________________________ 43
INDICE GENERAL
4.5.6 Color ________________________________________________ 37
4.6. Mtodos basados en la composicion para la determinacion de la alteracion del aceite ____________________________________________________ 38
4.6.1 Disminucin del contenido en AGPI ______________________ 38
4.6.2 ndice de yodo ________________________________________ 39
Capitulo 2. CARACTERIZACION DEL BIODIESEL ___________________ 42
4.7. El hombre y su adiccin energtica _________________________ 43
4.8. El cambio climtico _______________________________________ 49
4.9. La cumbre de Copenhague ________________________________ 51
4.10. Los biocombustibles como alternativa _______________________ 53
4.11. Generalidades sobre el biodiesel ___________________________ 54
4.12. Desarrollo histrico del biodiesel ___________________________ 56
4.13. Una mirada objetiva sobre el biodiesel _______________________ 58
4.13.1. Ventajas ____________________________________________ 59
4.13.2. Desventajas _________________________________________ 62
4.14. Los biocombustibles: desafio inteligente para pases en vas de desarrollo 66
4.15. Materia prima y reactivos __________________________________ 72
4.15.1. Aceites vegetales tradicionales (1 generacin) ___________ 73
4.15.2 Materias primas alternativas ___________________________ 73
4.15.2.1. Aceites de fritura usados ___________________________ 76
4.16. Etapas de produccin de biodiesel __________________________ 79
4.16.1. Transesterificacin ___________________________________ 79
4.16.1.1. Principios qumicos de la reaccion de transesterificacin 80
4.16.1.2. Catlisis homogenia _______________________________ 83
4.16.1.2.1. Catlisis bsica __________________________________ 83
4.16.1.2. 2. Catlisis cida ___________________________________ 86
4.16.1.3. Catlisis heterognia _______________________________ 88
4.16.1.4. Catlisis enzimtica ________________________________ 89
4.16.1.5. Alcoholes ________________________________________ 89
4.16.1.6. Temperatura y Presin _____________________________ 91
4.16.1.7. Tiempo de reaccin ________________________________ 92
4.16.2. homogenizacin de los reactivos ________________________ 92
4.16.3. separacin de face ____________________________________ 93
4.16.4. purificacin de biodiesel _______________________________ 94
4.16.5. secado y Almacenaje __________________________________ 94
4.17. Procesos de produccin de biodiesel ________________________ 96
4.17.1. Proceso discontinuo (batch) ____________________________ 96
4.17.2. Proceso en continuo __________________________________ 98
4.16.3. separacin de face ____________________________________ 93
4.16.4. purificacin de biodiesel _______________________________ 94
4.16.5. secado y Almacenaje __________________________________ 94
4.17. Procesos de produccin de biodiesel ________________________ 96
4.17.1. Proceso discontinuo (batch) ____________________________ 96
4.17.2. Proceso en continuo __________________________________ 98
4.18. Control de calidad del biodiesel ___________________________ 100
4.18.1. Estandares de calidad ________________________________ 100
4.18.2. Propiedades del biodiesel y Mtodos evaluativos _________ 106
4.18.3. Normas para analizar la composicion del biodiesel ________ 108
4.18.3.1. Contenido de metilster (EN 14103) __________________ 108
4.18.3.2. Contenido de mono-, di-, y triglicridos (EN 14105) _____ 110
4.18.3.2. Contenido de glicerol libre y total (EN 14105, EN14106) __ 111
4.18.3.4. Contenido de metanol (EN 14111)____________________ 112
4.18.3.5. Contenido de agua (EN ISO 12937) ___________________ 113
4.18.3.6. Contenido de azufre (EN ISO 20846, EN ISO 20884) _____ 114
4.18.3.7. Contenido de cenizas sulfatadas (EN ISO 3987) ________ 115
4.18.3.8. Contenido de fosforo (EN 14107) ____________________ 117
4.18.3.9. Contenido de metales alcalinos (EN 14108, EN 14109, EN 14538) ______________________________________________________ 117
4.18.3.10. Contaminantes totales (EN 12662) ___________________ 118
4.18.3.11. Corrosin a la lmina de Cobre (EN ISO 2160) _________ 118
4.18.3.12. Estabilidad a la oxidacin (EN 14112) ________________ 119
4.18.3.13. Indice de Yodo (UNE 14110) ________________________ 120
4.18.3.14. Nmero de cetano ________________________________ 121
4.18.3.15. ndice de cetano __________________________________ 122
4.18.3.16. Densidad (EN ISO 3675, EN ISO 12185) _______________ 123
4.18.3.17. Viscosidad (EN ISO 3104) __________________________ 124
4.18.3.18. ndice de acidez (UNE EN 14104) ___________________ 125
4.18.3.19. Punto de inflamacin (EN ISO 3679) _________________ 126
4.18.3.20. Punto de obstruccion de filtro fo (POFF) (EN 116) _____ 127
4.18.3.21. Cold Soak filterability ASTM 6217 (ANEXO A1 de D6751) 129
4.18.3.22. Destilacin (ASTM D1160) _________________________ 130
4.18.3.23. Lubricidad ______________________________________ 132
4.18.3.24. Residuo carbonoso Conradson (EN ISO 10370) _______ 132
Capitulo 3 . ESTUDIO ORGANIZACIONAL Y TCNICO ______________ 134
4.19. Resumen ejecutivo de la empresa Tip Top ___________________ 135
4.19.1. Historia ____________________________________________ 135
4.19.2. Expancin __________________________________________ 136
Capitulo 3 . ESTUDIO ORGANIZACIONAL Y TCNICO _______________ 134
4.19. Resumen ejecutivo de la empresa Tip Top ___________________ 135
4.19.1. Historia _____________________________________________ 135
4.19.2. Expancin __________________________________________ 136
4.19.3. Matriz FODA _________________________________________ 137
4.20. Resumen del estudio tcnico ______________________________ 138
4.21. Localizacin ptima del proyecto ___________________________ 140
4.21.1. Estudio de macro localizacin __________________________ 140
4.21.2. Estudio de micro localizacin __________________________ 142
4.22. Ingenieria del proyecto ___________________________________ 144
4.22.1. Produccin general de biodiesel a partir de aceite quemadoo 144
4.22.2. diagrama de flujo del proceso __________________________ 146
4.22.3. diagrama de proceso para la generacin de biodiesela partir de aceite quemado ______________________________________________ 149
4.22.3.1. Nomenclatura de los equipos que se utilizan en el proceso de generacin de biodiesel _______________________________________ 150
4.23. Maquinaria a utilizar ______________________________________ 152
4.23.1. planta de generacin FG Wilson ________________________ 152
4.23.2. Determinacin de los equipos para el proceso de elaboracin de biodiesel ____________________________________________________ 156
4.23.2.1 Factores relevantes que determinan la adquicin de los equipos y maquinaria __________________________________________________ 161
4.23.3. Distribucion de la planta de biodiesel a partir de aceite quemado 162
4.23.3.1. Diseo en tres dimenciones de la planta de generacion de biodiesel. ___________________________________________________ 164
4.24. Seguridad e higiene ____________________________________ 166
4.24.1. Condiciones de los equipos de proteccion personal para los trabajadores _________________________________________________ 166
4.24.2. Obligaciones del trabajador ____________________________ 167
4.24.3. Obligaciones del empleador____________________________ 167
4.25. Mapa de riesgos _______________________________________ 168
4.25. Proveedores __________________________________________ 170
4.26. Proyecciones de materia prima __________________________ 172
Capitulo 4 . ESTUDIO FINANCIERO ______________________________ 174
4.27. Inversin total inicial: fija y diferida ________________________ 175
4.27.1. Presupuesto de obra civil ______________________________ 175
4.27.2. Activo fijo de produccin ______________________________ 176
4.27.3. Activo fijo tangible ___________________________________ 178
4.27.4. Activo fijo intangible __________________________________ 179
Capitulo 4 . ESTUDIO FINANCIERO _____________________________ 174
4.27. Inversin total inicial: fija y diferida _______________________ 175
4.27.1. Presupuesto de obra civil _____________________________ 175
4.27.2. Activo fijo de produccin _____________________________ 176
4.27.3. Activo fijo tangible ___________________________________ 178
4.27.4. Activo fijo intangible _________________________________ 179
4.27.5. Capital de trabajo____________________________________ 180
4.27.6. Inversion total del proyecto ___________________________ 180
4.28. Determinacin de los costos ____________________________ 181
4.28.1. Costos de energa elctrica ___________________________ 181
4.29. Estado de resultado en PRO-FORMA _____________________ 182
4.29.1. Estado de resultado sin financiamiento _________________ 183
4.29.2 Estado de resultado con financiamiento _________________ 184
4.29. Costo de capital o tasa minima aceptable de rendimiento (TMAR) 185
Capitulo 5 . ANLISIS FINANCIERO _____________________________ 188
4.31. Evaluacin del proyecto sin financiamiento _______________ 189
4.31.1. Valor presente neto sin financiamiento __________________ 189
4.31.2. Tasa interna de rendimiento (TIR) ______________________ 191
4.31.3. Plazo de recuperacin de la inversin sin descontar ______ 193
4.32. Evaluacin del proyecto con financiamiento _______________ 194
4.32.1. Determinacin del costo de capital o TMAR ______________ 194
4.32.2. Clculo del valor presente neto (VPN) con financiamiento __ 195
4.32.3. Determinacin de la tasa interna de rendimiento (TIR) con financiamiento ______________________________________________ 197
4.33. Relacin beneficio costo _______________________________ 198
4.34. Anlisis de sensibilidad ________________________________ 199
4.34.1. Aumento en los volmes de aceite quemado para generar biodiesel ___________________________________________________ 199
4.34.2. Aumento del 20% del costo de la tarifa energtica ________ 202
Capitulo 6 . ANLISIS Y PRESENTACIN DE RESULTADOS ________ 204
5.1. Anlisis qumicos de los aceites quemados ________________ 205
5.1.1. Anlisis fisico-quimico de las muestras de aceites quemados de los restaurantes de la ciudad de Estel __________________________ 205
5.1.1.1. Metodologa ________________________________________ 205
5.1.1.1.1. Caracterizacin de la materia prima ___________________ 205
5.1.2. Analisis fisico-quimico para el aceite quemado del restaurante Tip Top ubicado frente al monumento el Centenario de la ciudad de Estel 209
5.1.2.1. Diseo de filtro de aceite quemado _____________________ 210
5.1.1.1. Metodologa ________________________________________ 205
5.1.1.1.1. Caracterizacin de la materia prima ___________________ 205
5.1.2. Analisis fisico-quimico para el aceite quemado del restaurante Tip Top ubicado frente al monumento el Centenario de la ciudad de Estel 209
5.1.2.1. Diseo de filtro de aceite quemado _____________________ 210
5.2. Produccin de biodiesel ________________________________ 211
5.2.1. Metodologa _________________________________________ 211
5.2.2. Recoleccin de aceite _________________________________ 211
5.2.3. Elaboracin de biodiesel, a partir de aceite usado a escala de laboratorio __________________________________________________ 212
5.2.4. Seleccin de reactivos _________________________________ 212
5.2.4.1. Metanol ____________________________________________ 212
5.2.4.2. Hidrxido de sodio __________________________________ 213
5.2.5. Tiempos y temperaturas de procesamiento ________________ 213
5.2.6. Seguridad ___________________________________________ 214
5.2.6.1. Precauciones de seguridad importantes _________________ 214
5.2.7. Titulacin ____________________________________________ 215
5.2.7.1. Procedimiento ______________________________________ 215
5.2.7.1. Clculo ____________________________________________ 217
5.2.8. Proceso y reaccin del biodiesel ________________________ 218
5.2.8.1. Primer lavado _______________________________________ 219
5.2.8.2. Segundo lavado _____________________________________ 220
5.2.9. Determinacin de las caractersticas de biodiesel __________ 221
5.2.9.1. Densidad a 15 0C ____________________________________ 221
5.2.9.1.1. Instrumentos utilizados _____________________________ 221
5.2.9.1.2. Materiales ________________________________________ 221
5.2.9.1.3. Procedimientos ____________________________________ 221
5.2.9.2. Viscosidad a 40 0C __________________________________ 222
5.2.9.2.1. Prueba de viscosidad paso a paso ____________________ 222
5.2.9.2.2. Viscosidad dinmica _______________________________ 223
5.2.9.2.3. Viscosidad cinemtica ______________________________ 224
5.2.9.3. Punto nube (cloud point) _____________________________ 225
5.2.9.3.1. Materiales ________________________________________ 225
5.2.9.3.2. Procedimientos ____________________________________ 225
5.2.9.4. Transferencia de calor _______________________________ 226
5.2.9.4.1. Materiales ________________________________________ 226
5.2.9.4.2. Procedimientos ____________________________________ 226
5.2.9.3.2. Procedimientos ____________________________________225
5.2.9.4. Transferencia de calor ________________________________226
5.2.9.4.1. Materiales _________________________________________226
5.2.9.4.2. Procedimientos ____________________________________226
5.2.9.5. Rendimiento de la reaccin (lts de biodiesel/ ltrs de aceite usado).. ____________________________________________________228
5.2.10. Elaboracin de biodiesel a partir de aceite quemado del restaurante Tip Top, haciendo uso del procesador semi-industrial ___ .230
5.2.11. Realizacion de pruebas de biodiesel en diferentes dispositivos que funcionan con diesel. ______________________________________232
5.2.11.1. Prueba en motor estacionario en taller de mantenimiento del norte _______________________________________________________232
5.2.11.2. Prueba de motor estacionario de riesgo _________________232
5.2.11.3. Prueba en automvil diesel ___________________________232
5.2.11.4. Prueba en planta elctrica ____________________________232
5.3. Impacto ambiental ______________________________________233
5.3.1. Metodologa de avaluacin de impacto ambiental ___________233
5.3.2. Etapa de construccin de la obra civil _____________________233
5.3.2.1. Indicadores de impacto en la fase de construccin_________235
5.3.2.1.1. Suelo del area a construir ____________________________235
5.3.2.1.2. Agua superficial en la fase de construccin _____________236
5.3.2.1.3. Agua subterranea en el area de construccin ____________236
5.3.2.1.4. Emisiones a la atmsfera ____________________________237
5.3.2.1.5. Paisaje exixtente en el rea que se destino construir ______238
5.3.2.2. Relaciones impactantes _______________________________240
5.3.2.3. Identificacin y valoracin de los impactos ambientales(Matrices) _________________________________________240
5.3.2.4. Jerarquizacin de impactos en la fase de construccin _____242
5.3.2.4.1. Impactos negativos moderados _______________________243
5.3.2.4.2. Impactos negativos compatibles ______________________243
5.3.2.4.3. Impactos positivos __________________________________243
5.3.2.5. Agregacin de impactos. Valoracion global del impacto producido ___________________________________________________244
5.3.2.6. Medidas preventivas y correctoras ______________________244
5.3.3. Etapa de operacin en el proceso de produccin ____________246
5.3.3.1. Lista indicativa de indicadores de impacto en el proceso de generacin de biodiesel _______________________________________246
5.3.3.1.1. Suelo del rea de produccin de biodiesel ______________246
5.3.3.1.2. Agua superficial ____________________________________247
5.3.3.1.3. Aguas descargadas del proceso de lavado del biodiesel ________________________________________________________248
5.3.3.1. Lista indicativa de indicadores de impacto en el proceso de generacin de biodiesel _______________________________________ 246
5.3.3.1.1. Suelo del rea de produccin de biodiesel______________ 246
5.3.3.1.2. Agua superficial ___________________________________ 247
5.3.3.1.3. Aguas descargadas del proceso de lavado del biodiesel ________________________________________________________ 248
5.3.3.2. Medio perceptual del proceso en la planta de produccin.. 250
5.3.3.2.1. Imagen de la planta procesadora de aceite quemado en el restaurante Tip Top __________________________________________ 250
5.3.3.3. Relaciones impactantes en la fase de operacin __________ 251
5.3.3.4. Aguas descargadas del proceso de lavado del biodiesel ___ 251
5.3.3.5. Sustancias desprendidas durante el proceso _____________ 252
5.3.3.6. Recomendaciones generales para la reduccin de residuos y emisiones del rubro biodiesel __________________________________ 253
5.3.3.6.1. Resduos slidos __________________________________ 253
5.3.3.6.2. Reutilizacin y reciclaje _____________________________ 254
5.3.3.7. Identificacin y valoracin de los impactos ambientales ___ 255
5.3.3.8. Manejo y almacenamiento del bi-combustible, impacto ambiental y pruebas ___________________________________________________ 255
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES __________________ 257
7. BIBLIOGRAFA ______________________________________ 263
Tabla 1 Composicon (%) de los cidos grasos mayoritarios de los aceites ms utilizados en fritura __________________________________________ 10
Tabla 2 Principales grupos de compuestos formados en los aceites y grasas durante el proceso de fritura ________________________________ 11
Tabla 3 Compuestos voltiles (Pg/Kg) mas abundantes, originados en la oxidacin de aceites vegetales ____________________________________ 18
Tabla 4 Determinacin de diferentes especies polares en aceite girasol utilizado para la fritura ___________________________________________ 27
Tabla 5 Caractersticas de diferentes mtodos para la determinacin de la cidez libre ___________________________________________________ 32
Tabla 6 Comparacin de propiedades fisicoquimicas de un aceite y un biodiesel de palma y diesel de petrolio ______________________________ 55
Tabla 7 Variacin de las emiciones del biodiesel de soja (B100) y su mexcla con diesel (B20) con respecto al diesel de petrlio ______________ 61
Tabla 8 Requerimientos del biodiesel segn la norma europea ________ 101
Tabla 9 Requerimientos para el diesel segn la norma europea _______ 103
Tabla 10 Algunas propiedades de aceites vegetales usados en la produccin de biodiesel _________________________________________ 106
Tabla 11 Algunas propiedades de biodiesel de diferentes orgenes _____ 107
Tabla 12 Matriz FODA _______________________________________ 137
Tabla 13 Datos tcnicos de la planta de generacin de energa elctrica _ 152
Tabla 14 Datos tcnicos de los equipos que se utilizaran en la planta de generacin de biodiesel a partir de aceite quemado en el restaurante Tip Top, Estel _______________________________________________________ 156
Tabla 15 Proveedores de materia prima para el proceso de produccin de biodiesel ____________________________________________________ 170
Tabla 16 Proyecciones de materia prima para el ao 2011 ___________ 172
Tabla 17 Proyecciones de materia prima para los prximos 5 aos _____ 172
Tabla 18 Costos de los equipos para el proceso de generacin de biodiesel177
Tabla 19 Inversin fija del proyecto ______________________________ 178
Tabla 20 Inversin intangible del proyecto ________________________ 179
Tabla 21 Capital de trabajo ____________________________________ 180
Tabla 22 Clculo del costo de energa ____________________________ 181
Tabla 23 Estado de resultado sin financiamiento, proyectado para los proximos 5 aos ______________________________________________ 184
Tabla 24 Estado de resultado con financiamiento, proyectado para los proximos 5 aos ______________________________________________ 185
Tabla 25 Fujos netos de efectivo sin financiamiento _________________ 190
Tabla 26 Porcentaje de aportacin del banco e inversionista __________ 194
Tabla 27 Fujos netos de efectivo con financiamiento ________________ 195
INDICE DE TABLA
Tabla 24 Estado de resultado con financiamiento, proyectado para los proximos 5 aos ______________________________________________ 185
Tabla 25 Fujos netos de efectivo sin financiamiento _________________ 190
Tabla 26 Porcentaje de aportacin del banco e inversionista __________ 194
Tabla 27 Fujos netos de efectivo con financiamiento ________________ 195
Tabla 28 Relacin beneficio costo del proyecto _____________________ 198
Tabla 29 Cambio en los volmenes de aceite ______________________ 199
Tabla 30 Estado de resultado pro-forma sin financiamiento ___________ 201
Tabla 31 Estado de resultado pro-forma con financiamiento __________ 201
Tabla 34 Parmetro medidos de 6 muestras de aceite quemado (Yesser, 2011) _______________________________________________________ 206
Tabla 35 Parmetros medidos de 6 muestras de aceite quemado (Esteban,2011) _______________________________________________ 206
Tabla 36 Parmetros medidos de 6 muestras de aceite quemado (Edduar, 2011) _______________________________________________________ 206
Tabla 37 Parmetros medido de una muestra de aceite quemado del restaurante (autores, 2011) ______________________________________ 209
Tabla 38 Cantidad de materia prima a utilizar por cada litro de aceite usado 218
Tabla 39 Tiempos de cada lquido en bajar las distancias entre dos puntos 223
Tabla 40 Viscosidad del biodiesel _______________________________ 224
Tabla 41 Resultados del punto de nube de cada muestra de biodiesel __ 225
Tabla 42 Punto nube promedio del biodiesel Tip Top y biodiesel Pollo Rico 225
Tabla 43 Resultados obtenidos para el calor de combustible utilizando una cuchara y metanol como iniciador _________________________________ 227
Tabla 44 Prueba en mechero __________________________________ 228
Tabla 45 Anlisis de resultados ________________________________ 229
Figura 1 Alteracin hidroltica (Perkin,1996) ____________________ 12
Figura 2 E-escisin de un ster de hidroperxido a un aldehdo voltil y a un ster de un cido aldehdico (Kamal-Eldin y col., 1997). _______ 15
Figura 3 ESTRUCTURAS CORRESPONDIENTES A MONMEROS CCLICOS DE AG, IDENTIFICADOS COMO ESPECIES MAYORITARIAS EN
ACEITES DE GIRASOL CALENTADOS (LE-QUERE Y SEBEDIO, 1996). __ 20
Figura 4 FORMACIN NO RADICALARIA DE DMEROS Y CIDOS GRASOS CCLICOS (GERTZ Y COL., 2000) _______________________ 24
Figura 5 ESTRUCTURAS DE DMEROS POLARES (CHANG Y COL., 1978) ____________________________________________________ 25
Figura 6 Productos de oxidacin de esteroles.R:H, colesterol; CH3,.campesterol; C2H5; sitoesterol; C2H5 22, estigmasterol. *O2,O3, E= h*v,T (ltjohann,2004 ) ___________________________________ 29
Figura 7 EMISIONES ESTIMADAS DE CARBONO PROVENIENTES DE COMBUSTIBLES FSILES (CDIAC, 2009) ________________________ 46
Figura 8 REACCIN DE TRANSESTERIFICACIN. _______________ 80
Figura 9 Otra formulacin para realizar la reaccin de transesterificacin __________________________________________ 81
Figura 10 Etapas en la reaccin de transesterificacin ___________ 82
Figura 11 Mecanismos de la transesterificacin con catlisis bsica para los triglicridos ________________________________________ 83
Figura 12 Reacciones de saponificacin y neutralizacin _________ 85
Figura 13 Mecanismos de la transesterificacin con catlisis cida __ 87
Figura 14 Proceso de transesterificacin en discontinuo __________ 97
Figura 15 Macro localizacin del proyecto a nivel de Amrica y de Nicaragua _______________________________________________ 141
Figura 16 Macro localizacin a nivel departamental _____________ 142
Figura 17 Micro localizacin de la planta interna en el restaurante Tip Top ____________________________________________________ 142
Figura 18 Muestra las etapas para la generacin de biodiesel a partir de aceite quemado ________________________________________ 146
Figura 19 Representa el proceso de generacin de biodiesel a partir de aceite quemado ________________________________________ 149
Figura 20 Areas de trabajo para el proceso productivo __________ 162
Figura 21 Leyenda de mapa de riesgo _______________________ 169
Figura 22 Flujos netos de efectivo, sin financiamiento ___________ 191
Figura 23 Representacin esquemtica de la TIR vs TMAR, sin financiamiento ____________________________________________ 193
INDICE DE FIGURA
Figura 21 Leyenda de mapa de riesgo _______________________ 169
Figura 22 Flujos netos de efectivo, sin financiamiento ___________ 191
Figura 23 Representacin esquemtica de la TIR vs TMAR, sin financiamiento ____________________________________________ 193
Figura 24 Flujos netos de efectivo, con financiamiento __________ 196
Figura 25 Representacin esquemtica de la TIRvs TMAR, con financiamiento ____________________________________________ 197
Estudio de prefactibilidad para la generacin de biodiesel a partir de aceite quemado en el restaurante Tip Top, Estel,
Nicaragua.
Estudio de prefactibilidad para la generacin de biodiesel a partir de aceite quemado del restaurante Tip Top,
Estel, Nicaragua
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Autores: Br. Alfaro Lpez Yesser A.; Br. Ruiz Ortega Manuel E.; Br. Garca Sanchez Edduar G.
1. INTRODUCCIN
Los dos ltimos siglos han sido marcados por dos ciclos de fuentes de
energa. Siglo XIX: el carbn, Siglo XX: el petrleo. El Siglo XXI ser de
fuentes alternativas, con un fuerte peso del uso de la biomasa.
Los acontecimientos mundiales con relacin al comercio del petrleo, a partir
de mayo 2008, ha llegado a marcar los cientos treinta y nueve dlares (U$
139) por barril de crudo, obligando a los pases que no tienen posos
petroleros (Nicaragua, Costa Rica, Honduras, etc.) pero que dependen del
mismo, ha buscar alternativas viables que les permita producir aceites y una
de esas vas es la produccin agrcola para producir aceites vegetales que
puedan ser utilizados como mezclas en los motores de combustin (Coto,
2008). La produccin agrcola esta siendo una de las opciones en pases
latinoamericanos tales como; Brasil, Argentina, Per y El Salvador los cuales
han iniciado con el estudio de la factibilidad de los biocombustibles.
Es vlido sealar que algunos pases entre ellos Estados Unidos estn
procesando los aceites que han sido usados en los restaurantes como la
McDonald, para procesarlo y utilizarlo en la elaboracin de Biodiesel e
implementar su uso como combustibles en camiones repartidores y en
plantas energticas internas.
Por consiguiente, el presente estudio propone el diseo de una planta piloto,
para la produccin de biodiesel teniendo como materia prima el aceite
quemado del restaurante Tip-Top de la ciudad de Estel, este aceite es
considerado como desperdicio. Con este proyecto se intenta aprovechar el
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potencial energtico del aceite quemado, mediante el reciclado del mismo en
bsqueda de optimizar recursos energticos.
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2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
Realizar un estudio de prefactibilidad para la generacin de biodiesel a partir
de aceite vegetal quemado del restaurante Tip-Top de la ciudad de Estel.
2.2 Objetivos Especficos
Estimar el potencial del aceite vegetal que ha sido usado en los
restaurantes TIP-TOP Estel mediante el anlisis de muestras.
Evaluar las caractersticas del biodiesel obtenido y estandarizar los
parmetros fsicos-qumicos de acuerdo con las normas
internacionales de calidad.
Desarrollar un Estudio Tcnico que brinde las pautas para establecer
el tamao de la planta piloto en cuanto a recursos humanos, equipos,
espacio y estructura fsica.
Realizar estudio y anlisis financiero que permita valorar la factibilidad
de ejecucin de la planta piloto, en base al uso del biodiesel de
acuerdo a las condiciones fsicas con las que cuenta el restaurante
TIP-TOP Estel.
Describir los posibles impactos ambientales que se generan producto
de la descarga de aguas cargadas de alcoholes de cadena corta e
hidrxidos metlicos.
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3. JUSTIFICACIN
En los ltimos aos, Nicaragua ha enfrentado una crisis a causa de los altos
precios del petrleo lo que ha llevado a un incremento en los costos de
operacin del restaurante TIP-TOP Estel, lo que se ve reflejado en los
precios de venta de los productos de dicho restaurante que de una manera
directa afectan la economa de las familias estilianas que consumen
productos de este restaurante.
Los aceites vegetales usados generados por los diferentes usuarios
(Restaurantes, kioscos de comida rpida, o en nuestros hogares, etc.),
algunos lo vierten a la red de agua de desecho municipal, o en la tierra
(monte) o se lo regalan a sus trabajadores y a personas que lo piden. Debido
a esto nos preguntamos, si se pueden reutilizar estos aceites vegetales
usados y que puedan producir algn producto de uso no contaminante y de
bajo costo?
Debido a las interrogantes, este trabajo brinda un enfoque de optimizacin
de recursos dirigido a comedores y restaurantes que por ende obtienen
aceite usado al preparar sus productos que ofertan a sus clientes, por esta
razn, dicho aceite se puede utilizar mediante un proceso, para la obtencin
de biodiesel. Permitiendo de esta forma utilizarlo ya sea para vehculos y
plantas para la obtencin de energa elctrica, de esta manera se permite su
implementacin como estrategia empresarial para la minimizacin de costos
y responsabilidad social al contribuir a la proteccin y conservacin del
medio ambiente.
Es por estas razones, se ha enfocado este trabajo investigativo en la
bsqueda de una implementacin que conlleva al diseo de una planta
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piloto para la produccin de biodiesel a partir de aceite usado de la cadena
de restaurantes TIP-TOP Estel-Nicaragua, lgicamente se debe de aplicar
una metodolgica en la cual se introduce un conjunto de fases que se
reflejan en el diseo metodolgico, este estudio beneficiara a la institucin.
Pero, para realizarlo se necesitara de la disposicin de las mximas
autoridades; muestras de aceite usado, datos relevantes para un estudio
tcnico y determinar la factibilidad del estudio de este proyecto. En vspera
de una posible ejecucin, de acuerdo a sus criterios como organizacin
quedar a decisin de la misma.
Los autores de esta tesis se reunieron para darle seguimiento a una idea,
esta idea se convirti luego en un conjunto de oportunidades, que como
estudiantes se aprovecharon al mximo, donde a la vez se comparti y
disfruto, siempre con el sentir de ver un mundo mejor en el que las practicas
no destruyan, sino mas bien construir ideas en las cuales se promueva el
desarrollo, que luego se conviertan en bienestares.
Para bien o para mal, este espritu est intrnsicamente atado al biodiesel
desde el primer da, y lo hemos venido hablando desde el segundo ao de la
carrera de Ingeniera Industrial, luego surgieron participaciones en diferentes
ferias cientficas y culturales, tanto en la UNI-Norte como en la UNI-
Managua.
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4. MARCO TERICO
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CAPTULO 1. LA QUIMICA DE LOS ACEITES VEGETALES QUEMADOS
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4.1 Introduccin al aceite vegetal quemado
La abundancia del aceite quemado es uno de los mayores factores
contribuyentes al movimiento biodiesel de habla inglesa. La gran mayora de
los aceites quemados provienen de restaurantes y panaderas, pero tambin
es posible conseguir aceite de plantas industriales de produccin de
alimentos. Usualmente, el aceite quemado se guarda en barriles o tanques
pequeos.
El aceite quemado existe en una gran variedad de calidadesdesde seco,
limpio y bajo en cidos grasos libres hasta muy contaminado con agua,
animales muertos, trozos de comida. Hay que tratar de encontrar el aceite de
mayor calidad posible para facilitar el proceso de transesterificacin. No
obstante, los cocineros de restaurantes pueden tomar muchas precauciones
para mejorar la calidad del aceite, tales como filtrar el aceite antes de
desecharlo en un barril, mantener el aceite bien tapado para evitar el
contacto con agua de lluvia y cambiar el aceite ms frecuentemente. Hacer
amistad con el personal del restaurante, ayudar a mantener los barriles
limpios y comprar comida/aceite de su restaurante son cosas que se pueden
hacer para mantener una buena relacin y asegurar un recurso de aceite
usado estable.
Las cantidades de aceite quemado en los Estados Unidos y varios otros
pases de habla inglesa son muy abundantes ya que las leyes requieren la
renovacin constante del aceite que se usa para frer. Dado que estas leyes
no existen generalmente en Centroamrica, el aceite quemado para el
proceso transesterificacin es mucho ms escaso. Puede que encuentre un
buen recurso en restaurantes y panaderas de confianza.
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4.2 Propiedades y Composicin del Aceite antes de Utilizar en
el Proceso de Fritura.
En general, la seleccin del aceite y grasa de fritura est muy determinada
por su precio y disponibilidad, as como por sus caractersticas tecnolgicas.
Una amplia variedad de aceites y grasas refinadas son utilizados como
medio de fritura (Tabla 1), donde los aceites mayoritariamente
monoinsaturados son los ms utilizados, ya que presentan ventajas respecto
a las grasas saturadas o parcialmente hidrogenadas por cuestiones
relacionadas con la salud, y tambin respecto a los aceites poli insaturados,
por cuestiones de estabilidad y calidad sensorial (Sakurai y col., 2003;
Kristott, 2002; Brinkman, 2000; Stevenson y col., 1984). El uso de mezclas
de aceites es una posibilidad real para conseguir una mayor flexibilidad en la
disponibilidad de los mismos.
Antecedentes Bibliogrficos
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C
Tabla 1. Composicin (%) de los cidos grasos mayoritarios de los aceites ms utilizados en fritura (Pantzaris, 1999; Souci, 1994).
Aceite
de oliva
Aceite de
girasol
Aceite
de soja
Aceite de
maz
Aceite de
algodn
Aceite de
colza
Aceite de
cacahuete Aceite de
coco Palmiste
Aceite de
palma
Olena de
palma
C8:01
7,6 4,75
C10:0 5,75 3,80
C12:0 44,9 44,80 0,3
C14:0 1,18 0,23 17,15 15,25 0,96 1,05
C16:0 10,66 5,95 9,60 10,25 22,00 4,05 9,85 8,60 8,10 41,55 40,55
C16:1 1,23 0,50 0,50 0,50 0,940 0,60 0,50 0,20
C18:0 2,40 4,30 3,50 2,15 3,60 1,45 3,05 2,60 2,40 4,75 4,25
C18:1n-9 72,35 20,50 20,40 28,45 17,75 58,55 53,65 6,70 13,80 37,05 41,85
C18:2n-6 8,05 62,65 54,20 52,25 48,80 19,70 21,55 1,65 2,40 10,10 11,55
C18:3n-3 0,85 0,50 7,70 0,93 0,74 9,15 0,50 0,35
C20:0 0,41 0,39 0,50 0,50 0,49 2,40 0,50 0,4
C20:1 4,45 1,40
C22:0 2,90
C22:1 0,53
C24:0 0,60 1,40
1 8:0
(cido caprlico), C
10:0
(cido cprico), C
12:0
(cido lurico), C
14:0
(cido mirstico), C
16:0
(cido palmtico), C
16:1
(cido palmitoleico), C
18:0
(cido esterico), C
18:1n-9
(cido oleico), C
18:2n-3
(cido
linoleico), C18:3n-3 (cido linolnico), C20:0 (cido araqudico), C20:1 (cido eicosenoico), C22:0 (cido behnico), C22:1n-9 (cido ercico), C24:0 (cido lignocrico).
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4.3 Alteraciones en la Composicin del Aceite de Fritura.
La fritura es un proceso de naturaleza muy compleja, en la que se ven
implicadas numerosas reacciones que afectan a los componentes de la
materia grasa que se utiliza como medio de fritura (Gertz, 2000; Orthoefer y
col., 1996; Fedeli, 1988), tanto los componentes mayoritarios (TG), como los
componentes del insaponificable (esteroles, tocoferoles, carotenos, etc.). A
partir de tres agentes (agua, oxgeno y temperatura elevada), que actan
favoreciendo diversas reacciones, los componentes de los aceites sometidos
a fritura experimentan diversas alteraciones tal como recoge la siguiente
tabla (Tabla 2):
Tabla 2. Principales grupos de compuestos formados en los aceites y grasas durante el
proceso de fritura (Dobarganes y col. 2002; Gertz, 2000; Gertz y col., 2000). Tipo de alteracin Agente causante
Hidroltica Humedad
cidos grasos libres.
Diacilgliceroles.
Monoacilgliceroles.
Oxidativa Aire
Monmeros oxidados (TG).
Dmeros y polmeros oxidados
(TG) Compuestos voltiles
(aldehdos,
Cetonas, hidrocarburos, etc.).
xidos de esteroles.
Trmica
Temperatura
Dmeros y polmeros no polares
(TG) Monmeros cclicos (TG).
Ismeros trans (TG) y de posicin.
Compuestos nuevos
resultantes
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4.3.1 cidos grasos libres
La reaccin del agua con el aceite durante la fritura conduce a la liberacin
de cidos grasos y steres parciales del glicerol, a partir de los
triacilgliceroles (ver Figura 1).
Figura 1. Alteracin hidroltica (Perkins, 1996).
Los derivados de hidrlisis, es decir, cidos grasos libres, mono y
diacilgliceroles, aunque no son muy relevantes desde un punto de vista
cuantitativo (2,5-4% de acidez en aceites desechables), presentan una
velocidad de oxidacin y reactividad generalmente superior a la de los
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triacilgliceroles de origen, por lo que se facilita la alteracin en general. La
intensidad de este proceso de hidrlisis, que puede medirse mediante la
acidez libre, depende de diversos factores (McSavage y Trevisan, 2001;
Handel y Guerrieri, 1990):
La cantidad de agua en contacto con el aceite o grasa de fritura. El
agua se introduce a travs del producto que se sumerge para frer y,
por lo tanto, la humedad relativa del alimento es un factor clave, que
en el caso de la patata puede llegar a ser del 80%.
La superficie del alimento sumergido, o mejor dicho, la relacin
superficie/volumen de producto. A mayor valor de esta relacin, mayor
contacto entre el aceite y el agua del producto.
La temperatura de fritura. Una temperatura elevada favorece la
formacin de cidos grasos libres (AGL).
La presencia excesiva de partculas slidas residuales en el aceite de
fritura acelera la formacin de cidos grasos libres. En cambio, la
formacin de espuma en la superficie del aceite minimiza esta
reaccin hidroltica.
El desarrollo de la acidez libre en el aceite sigue un curso paralelo al de otras
reacciones de alteracin durante la fritura (Orthoefer y Cooper, 1996b). Por
ello, dicha acidez suele ser un parmetro muy utilizado para el control de los
aceites usados en la cuba de fritura. Los cidos grasos libres son adems un
factor negativo, pues favorecen la formacin de humo.
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4.3.2. Compuestos de oxidacin primaria
Un primer tipo de compuestos derivados de la oxidacin de los cidos grasos
insaturados (AGI) y de otras molculas insaturadas son los hidroperxidos
(HP) que son los compuestos de oxidacin primaria ms caractersticos y
abundantes, y que su estructura vendr determinada por la mezcla de cidos
grasos (especialmente los poli insaturados) presentes en el aceite de fritura
(Frankel, 1998; Min, 1998).
La oxidacin transcurre a travs de reacciones en cadena, mediadas por
radicales libres en un proceso complejo en el cual intervienen los radicales
libres y el oxgeno.
A las temperaturas de fritura, la oxidacin de los cidos grasos depende de
la concentracin de oxgeno en estas grasas calentadas, convirtindose la
disponibilidad del oxgeno en un factor limitante. Por ello, a temperatura de
fritura, los hidroperxidos existen de una forma transitoria debido a su baja
termoestabilidad y se descomponen en productos voltiles y no voltiles
(Frankel, 1998; Warner, 1998). Los dos mecanismos que han sido
postulados para la oxidacin a altas temperaturas de las grasas insaturadas
son:
descomposicin trmica por interaccin entre radicales libres, cuando
los cidos grasos insaturados son continuamente calentados a
elevadas temperaturas.
descomposicin inducida a travs de la formacin de hidroperxidos a
partir de cidos grasos insaturados cuando son sujetos a
calentamiento intermitente. Bajo estas condiciones, los hidroperxidos
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se acumulan a bajas temperaturas contribuyendo a la formacin de
radicales cuando los aceites son recalentados; por ello se considera la
fritura discontinua ms destructiva que la fritura continua.
Sin embargo, la naturaleza inestable de los radicales libres y de
los hidroperxidos a la temperatura de fritura, les resta relevancia por s
mismos y slo debemos contemplar su papel como intermediarios de
reaccin (Stevenson y col., 1984; Fritsch, 1981).
Sin embargo son el punto de partida de la formacin de numerosos
compuestos de alteracin (dmeros, monmeros cclicos, compuestos
carbonlicos, alcoholes, hidrocarburos, etc.) (Warner, 1998; White, 1991).
4.3.3. Compuestos no voltiles de oxidacin secundaria
Los compuestos no voltiles de oxidacin secundaria son productos
formados durante el proceso de fritura, como consecuencia de diversas
reacciones sufridas por los perxidos lipdicos (Figura 2).
Figura 2. E-escisin de un ster de hidroperxido a un aldehdo voltil y a un ster de un cido
aldehdico (Kamal-Eldin y col., 1997).
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Los perxidos pueden sufrir reacciones de fisin, formando alcoholes,
aldehdos, cidos e hidrocarburos, o bien reacciones de deshidratacin que
forman cetonas, mientras los radicales peroxilo pueden tambin dar lugar a
la formacin de dmeros, trmeros, epxidos, teres, etc., compuestos de
elevado peso molecular indicadores fiables de la alteracin de la grasa
debido a su acumulacin (Stevenson y col., 1984; Fritsch, 1981). Muchos
de ellos son productos no voltiles, que permanecen por tanto en el aceite
y cuya concentracin determina el cambio de numerosas propiedades
fsicas, como el color, la viscosidad, la constante dielctrica, la capacidad de
formar espuma (Stevenson y col., 1984). La formacin de diferentes tipos de
compuestos secundarios estar en relacin con la naturaleza y proporcin
de los cidos insaturados presentes en el medio de fritura. El conocimiento
de los niveles de derivados lipdicos no voltiles en la grasa de fritura y
producto frito es de gran importancia, ya que son retenidos en el aceite y, por
tanto, sern absorbidos por los productos fritos y llegarn al consumidor
(Kamal-Eldin y col., 1997; Smith y col., 1986). Es precisamente esta
estabilidad y evolucin en el tiempo en el aceite usado y el producto frito lo
que los convierte en parmetros muy tiles para el control del desarrollo de
las reacciones oxidativas durante la fritura. En consecuencia, se determinan
mediante diferentes mtodos los cambios fsicos (ej. la viscosidad, el color,
el punto de humo), o los cambios qumicos (ej. el incremento en cidos
grasos libres, el aumento en compuestos de naturaleza carbonlica como
aldehdos y cetonas, el aumento del ndice de hidroxilo o el aumento en la
formacin de compuestos de elevados peso molecular) (White, 1991; Melton
y col., 1994).
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4.3.4. Compuestos voltiles de oxidacin secundaria
Los compuestos voltiles de oxidacin tienen una gran repercusin desde el
punto de vista sensorial y son los responsables del aroma propio (a bajas
concentraciones), as como del olor a rancio y de posibles aromas y gustos
no deseables de los aceites de fritura utilizados y de los productos fritos en
los mismos (Melton y col., 1994; Pangloli y col., 2002). Por esta razn, su
caracterizacin es importante, tanto para el conocimiento de las reacciones
que se producen en la fritura como para la calificacin de estos productos,
aunque su significacin como posibles compuestos nocivos para el
organismo es poco importante, ya que su concentracin en el aceite suele
ser siempre baja. Por otra parte, algunos compuestos voltiles de oxidacin
forman parte del flavor caracterstico de los alimentos sometidos a fritura y
el conocimiento del mismo puede permitir el desarrollo de flavor de fritura
en productos no sometidos a la misma. Entre ellos destacan algunos
hidrocarburos, alcoholes, aldehdos y cetonas y, en menor proporcin, los
furanos y cidos carboxlicos (White, 1991).
La determinacin de los compuestos voltiles se realiza principalmente
mediante cromatografa de gases, ya sea directa o bien mediante espacio
en cabeza esttico o dinmico (Perkins, 1996; Takeoka y col., 1996;
Snyder y col., 1986). Mediante el anlisis cromatogrfico de muestras con
elevado contenido graso se determinan los compuestos voltiles ms
estables que permanecen en la grasa despus de ser sometidos a
diferentes tratamientos, siendo en el aceite de fritura la mayor parte
provenientes de la descomposicin de productos de oxidacin lipdica.
Un elevado nmero de compuestos han sido identificados en aceites
calentados o de fritura. Chang y col., (1978) identificaron 220 compuestos
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voltiles en diversos aceites sometidos a fritura, mientras 26 compuestos
fueron identificados en patatas fritas en aceites de colza parcialmente
hidrogenados (Melton y col., 1993).
Su concentracin se incrementa con el tiempo de fritura y su mximo
se encuentra a las 70 horas (Perkins, 1996). La Tabla 3 recoge datos de los
principales compuestos voltiles formados en la oxidacin de aceites
vegetales.
Tabla 3. Componentes voltiles (Pg/Kg) ms abundantes, originados en la oxidacin de aceites
vegetales (Snyder y Mounts, 1990).
Componente
Maz
IP=3,0
Colza (b.er.)
IP=3,5
Soja
IP=4,5
Girasol
IP=19,6
Girasol (a.ol.)
IP=6,7
Propanol
8,9
10,9
4,5
2,8
4,0
Pentano 53,4 39,9 91,9 281,0 134,4
Pentanal 24,0 59,5 44,0 40,1 20,5
Pentanol
4,6
1,6 3,4
Hexanal 85,5 64,0 70,6 118,9 35,0
2-pentenol
5,8 3,6
2-hexenal 5,7 5,7 6,4 7,3 10,4
2-heptenal 18,4 21,2 30,1 34,8 20,7
Octen-3-ol 0,7 3,1 1,1 1,2
2,4-heptadienal
60,3 50,0
Nonanal 3,4 8,6 3,4 1,0 23,8
2,4-decadienal 16,0 14,8 16,4 30,4 24,5
IP = ndice de perxidos; b.er. = bajo en cido ercico; a.ol. = alto en cido oleico.
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4.3.5. Monmeros cclicos de los cidos grasos
Uno de las principales reacciones que induce el tratamiento trmico intenso
que supone la fritura es la ciclacin de las molculas de los cidos grasos.
No obstante, la compleja composicin de un aceite (elevado nmero de
cidos grasos diferentes), as como la dificultad del procedimiento de
identificacin, ha llevado a que este campo se encuentre en fase de estudio
intermedia. No obstante, existen ya muchos trabajos que identifican una
amplia serie de monmeros cclicos de los cidos grasos en diferentes
aceites calentados o sometidos a fritura (Dobson y col., 1996; Le-Quere y
Sebedio, 1996; Gardner y col, 1992; Sebedio y col., 1996).
Los aceites vegetales son los ms utilizados para la fritura y stos pueden
clasificarse en dos grupos fundamentales, los que contienen cido
linoleico (C18:2n-6) como AGPI mayoritario (oliva, girasol y maz) y los que
contienen proporciones apreciables de AGPI de la serie n-3 (cido
linolnico, C18:3n-3), aunque en mezcla con elevadas cantidades de cido
linoleico (colza, soja). La superior reactividad del cido linolnico ha
llevado a que las recomendaciones para aceites destinados a la fritura
indiquen que no se superen contenidos del 2% de este cido graso, para
asegurar una adecuada estabilidad frente a la fritura (Firestone, 1996).
Esta mayor reactividad del cido linolnico, as como las diferencias
estructurales entre los cidos linoleico y linolnico, hacen que la estructura
y concentracin de los monmeros cclicos que se forman en estos
aceites dependa de los contenidos respectivos de ambos cidos grasos en
el aceite (Le-Quere y Sebedio, 1996).
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Como ya hemos indicado, la elucidacin de las estructuras de estos
monmeros cclicos es muy laboriosa y requiere sucesivas etapas de
aislamiento, derivatizacin e hidrogenacin, utilizando diferentes tcnicas
analticas como la cromatografa, espectrometra de masas y
espectrofotometra infrarroja con transformada de Fourier para la
identificacin. De esta forma, en la actualidad, se han podido ya caracterizar
algunos componentes tpicos en aceites calentados y de fritura (Sebedio y
col., 1989a; Christie y Dobson, 2000; Sebedio y col., 1996). Estas
estructuras son siempre penta o hexacclicas, conteniendo frecuentemente
un doble enlace.
Figura 3. Estructuras correspondientes a monmeros cclicos de AG, identificados como
especies mayoritarias en aceites de girasol calentados (Le-Quere y Sebedio, 1996).
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Debido a la complejidad de la elucidacin estructural, existen discrepancias
entre diversos analistas a la hora de fijar las estructuras definitivas de estos
componentes. Igualmente, podemos decir que los procedimientos analticos
para su determinacin cuantitativa en un aceite calentado son complejos, y
que esta cuantificacin generalmente se realiza mediante aislamiento y
concentracin (por formacin de aductos con urea o por HPLC) y
determinacin por GC/MS. Por esta razn, la reproducibilidad de los
resultados no es muy buena y es necesario validar y normalizar dichos
procedimientos. A pesar de ello, se han dado ya algunas cifras de
contenidos totales de monmeros cclicos en aceites calentados, que
van de 0,2 a 4,6 % (Le-Quere y Sebedio, 1996).
4.3.6. Dmeros y polmeros de los triacilgliceroles
Este grupo de compuestos de alteracin, presentes en los aceites de fritura,
es el ms importante desde un punto de vista cuantitativo y su formacin
est tambin catalizada por las altas temperaturas del proceso, debido a que
la formacin de radicales libres de los cidos grasos y triacilgliceroles es
mucho mayor a elevada temperatura, a consecuencia de hallarse
incrementada la descomposicin bimolecular de los perxidos lipdicos
(Frankel, 1998; Dobarganes y Mrquez- Ruiz, 1996). Por ello, estos
compuestos estn ntimamente relacionados con la calidad de la grasa y con
una prdida significativa de su valor nutritivo (Mrquez- Ruiz y Dobarganes,
1996a).
De esta forma, como puede deducirse de estos mecanismos de formacin,
los dmeros, trmeros y otros polmeros que irn apareciendo pueden ser de
dos tipos, en funcin de que se combinen radicales oxidados o no oxidados.
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As, se clasifican estos compuestos en dos grupos fundamentales, que
atienden a la presencia o no de grupos oxidados (Dobarganes y Mrquez-
Ruiz, 1996):
- Dmeros y polmeros apolares (no oxidados).
- Dmeros y polmeros polares (oxidados)
4.3.6.1 Dmeros apolares
Las reacciones de polimerizacin a elevada temperatura pueden seguir
tambin una va directa a partir de los triacilgliceroles, sin intervencin del
oxgeno, por ejemplo mediante la reaccin de radicales alilo. Se han
propuesto diferentes reacciones para la formacin de dmeros apolares
(Dobarganes y Marquez-Ruiz, 1996):
la formacin de dehidrodmeros por combinacin de dos radicales alilo;
formacin de dmeros no cclicos por adicin intermolecular de un
radical alilo sobre un doble enlace de una molcula insaturada y
posterior estabilizacin mediante otra molcula insaturada de otro
triacilglicerol;
formacin de dmeros cclicos por adicin intramolecular de un radical
dimrico sobre un doble enlace de la misma molcula y posterior
estabilizacin mediante la abstraccin de hidrgeno a partir de otra
molcula insaturada,
reaccin de Diels-Alder entre dos molculas, una de las cuales acta
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como dienfilo que se adiciona a un dieno conjugado de la segunda
molcula para formar una estructura ciclohexnica tetrasustiuida;
En consecuencia, la diversidad de productos de polimerizacin resultantes
puede llegar a ser muy elevada.
Estudios con modelos experimentales, que emplean mezclas de oleato de
metilo y linoleato de metilo (steres metlicos de los AG insaturados
mayoritarios en los aceites vegetales), as como el aislamiento de
componentes a partir de aceites vegetales calentados, han llevado a concluir
que las estructuras bicclicas y tricclicas intermoleculares y la prctica
ausencia de estructuras monocclicas son las caractersticas principales de
este grupo de compuestos (Gupta y Scharmann, 1968; Wheeler y White,
1966; Paschke y col., 1964).
Diversos dehidrodmeros formados a travs de la reaccin de Diels-Alder
han sido tambin identificados (Christopoulou y Perkins, 1989b). La
cuantificacin de estos dmeros apolares (por GC, o CLAE de exclusin
molecular) muestra que son, con toda seguridad, los compuestos de
alteracin ms abundantes en los aceites de fritura o calentados pudiendo
incluso superar hasta el 30% (Dobarganes y Mrquez-Ruiz, 1995).
Adems, Brtting y Spitteller (1994) proponen la formacin de dmeros por
un mecanismo no-radicalario basado en la formacin de productos por
mecanismos catinicos, siendo el intermedio de reaccin estabilizado por
efectos mesomricos y formando posteriormente diversos monmeros,
dmeros y polmeros sin presencia del oxgeno como nexo (Figura 4).
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DMERO
Figura 4. Formacin no radicalaria de dmeros y cidos grasos cclicos (Gertz y col., 2000).
4.3.6.2 Dmeros polares
Al contrario que en el caso anterior, a consecuencia de sus mecanismos de
formacin y de la gran variabilidad de los compuestos de partida, las
estructuras de estos dmeros oxidados son an poco conocidas debido a:
numerosos grupos que presentan oxgeno (grupos
carbonlicos, carboxlicos y teres) estn presentes en monmeros
oxidados antes de la formacin de dmeros; los dmeros polares
tambin pueden generarse por oxidacin de dmeros no polares;
ms de un grupo funcional con oxgeno puede estar presente en el
mismo dmero;
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el oxgeno puede o no estar implicado en la unin del dmero.
Por esta complejidad de origen, as como por la diversidad de
reacciones posibles, es una familia de compuestos mucho ms heterognea
que los compuestos dimricos apolares (Dobarganes y Mrquez-Ruiz, 1996).
Estudios que parten de perxidos de linoleato de metilo (Mrquez-Ruiz y col.
1996b; Christopoulou y Perkins, 1989a) parecen confirmar el origen
radicalario de esta formacin de dmeros polares, pero los mecanismos
parecen an demasiado complejos para una explicacin completa,
basados en la combinacin de radicales intermedios alquilo, alcoxilo y
peroxilo. Los ensayos llevados a cabo en aceites, a temperatura de fritura y
con aireacin, llevaron a concluir la formacin de derivados oxidados de
uniones C-C, C-O o O-O entre monmeros (Frankel, 1998; Dobarganes y
Mrquez-Ruiz, 1996).
Figura 5. Estructuras de dmeros polares (Chang y col., 1978)
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4.3.6.3 Oligmeros
La caracterizacin estructural de los polmeros de mayor orden es muy
dificultosa, lo que ha conducido a que los trabajos de elucidacin de la
misma no estn an muy avanzados y slo se haya trabajado
considerablemente en su determinacin conjunta. Estudios de la fraccin de
los trmeros han mostrado que su peso molecular medio estara situado en
860, con una media de 3,5 dobles enlaces por molcula y con una
proporcin de oxgeno superior a la de los dmeros (Perkins y Kummerov,
1959). En cuanto a la fraccin polimrica global en aceites sometidos a
calefaccin (200 C), diversos estudios han mostrado un intervalo de peso
molecular entre 692 y 1790, lo que sugiere una posible mezcla desde
trmeros hasta pentmeros (Firestone y col., 1961).
En cuanto a la concentracin que podemos encontrar de estos
componentes, es muy dependiente de la composicin en cidos grasos del
aceite utilizado y de las condiciones de fritura. Dobarganes y Mrquez-Ruiz
(1995) dan resultados en muestras reales de aceites de fritura desechados,
que presentan valores de % de compuestos polares entre 5,8 y 57,7 %, en
los cuales l % total de polmeros corresponda a valores de 1,7 a 35 %,
respectivamente. Ello pone de relieve la importancia de los polmeros como
compuestos mayoritarios, entre los productos de alteracin en los aceites de
fritura (Dobarganes y Mrquez-Ruiz, 1996).
A continuacin, la Tabla 4 recoge un ejemplo de inters, relativo a las
diferentes proporciones de compuestos de alteracin que se generan en
un aceite de girasol, en funcin del tiempo de fritura. No obstante,
recordemos que las diferencia en cuanto a condiciones del proceso y
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composicin del aceite pueden hacer variar estas cifras entre mrgenes
apreciables.
Tabla 4. Determinacin de diferentes especies polares en aceite de girasol utilizado para la
fritura
(Dobarganes y Mrquez-Ruiz, 1996).
T frituras Monmeros Diacil cidos Total
Muestra (horas)
Oligmeros
Dmeros
oxidados
Gliceroles
grasos
libres
compuestos
polares***
TG* 3 2,1 5,7 6,9 2,0 0,7 17,4
EM** 3 0,4 3,2 3,5 7,1
TG 5 5,8 8,6 9,6 2,2 1,0 27,2
EM 5 1,0 5,0 5,2 11,2
TG 8 13,3 12,1 13,0 2,3 0,8 41,5
EM 8 2,5 7,8 8,5 18,8
* TG = determinacin directa sobre el aceite; ** EM = determinacin despus de la transformacin en steres
metlicos; ***Compuestos polares= total de compuestos polares determinados por el mtodo oficial.
4.3.7. Esteroles oxidados
El estudio de los derivados oxidados del colesterol est recibiendo una
atencin importante en los ltimos aos, debido a que se han observado
numerosos efectos biolgicos para estos compuestos. La mayora de estos
efectos son negativos y pueden estar relacionados con ciertas
enfermedades cardiovasculares y otras enfermedades degenerativas
(Garca-Cruset y col., 2002, Guardiola y col., 2002). El estudio de la
oxidacin de los fitosteroles y los posibles efectos nocivos de sus derivados
oxidados es mucho ms reciente y existen aun escasos estudios (Guardiola,
2004).
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En los aceites vegetales sometidos a fritura se observan la presencia de
fitosteroles y de sus productos de oxidacin, as como la presencia de
colesterol y de sus compuestos oxidados cuando se fren alimentos de
origen animal. Algunos trabajos (Zhang y col., 1991; Park y Addis, 1986; Lee
y col., 1985) han determinado una serie de derivados oxidados del colesterol
en grasas y aceites calentados y patatas fritas, entre los que predominan los
D y E-epxidos, los D y E 7-hidroxicolesteroles, el 25-hidroxicolesterol, el 7-
cetocolesterol y el colestantriol. Tambin se han referido datos de contenidos
de xidos de fitosteroles en aceites de fritura y productos fritos. No obstante,
muchos estudios se han realizado en modelos con patrones puros de
fitosteroles o de sus steres, proceso que presenta diferencias respecto
a la fritura real. No obstante, ya comienzan a existir datos de contenidos de
xidos de fitosteroles en productos fritos, sobre todo en patatas frita
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