ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA Laboratorio de Procesos Práctica número 5 Extracción de aceites esenciales Grupo número 4 4 de Febrero de 2011
Nombre: Peter Camacho Angélica Cáceres Sandoval Julie Sandoval Rodríguez
Código: 2053143 2040790 2051488
OBJETIVOS. Objetivo general. Obtener aceite esencial a partir de hojas de eucalipto, empleando el método de destilación por arrastre de vapor. Objetivos específicos. Identificar los principios fundamentales del método de destilación por arrastre de vapor. Separar el aceite esencial del destilado, implementando una separación por gravedad o decantación. Caracterizar el aceite obtenido, determinando su densidad e índice de refracción y comparar con las características de las esencias comerciales. RESUMEN. Los aceites esenciales son sustancias muy apetecidas y de gran valor comercial debido a su difícil obtención y a las diferentes propiedades con las que cuenta cada tipo de planta. Además de su agradable olor, el eucalipto posee varias cualidades medicinales, por lo que es empleado como desinflamante, expectorante, analgésico y desinfectante. La técnica de extracción por arrastre con vapor permite aprovechar totalmente las propiedades de la planta, ya que ésta no entra en contacto con el agua durante el proceso, el vapor “arrastra” el material vegetal que luego será condensado y gracias a la inmiscibilidad del aceite y el agua, se podrá obtener fácilmente el aceite esencial. INTRODUCCIÓN. La extracción de aceites esenciales se realiza por varias técnicas, dentro de las cuales se destacan el enfluerado, la extracción con solvente y la extracción por arrastre con vapor. En nuestro caso se empleará la extracción por arrastre para la obtención de aceite esencial a partir de eucalipto; el modo de extracción consiste en generar el vapor que ingresa a un recipiente, donde están las hojas de la planta, y ponerlos en contacto hasta lograr la saturación del aceite, éste será arrastrado por el vapor hacia un condensador para finalmente después de un tiempo de reposo de la mezcla agua-aceite, decantar el aceite. Además de la extracción, se busca también mostrar que las características generales del producto son similares a las del producto industrial, lo cual se determinará con el espectro infrarrojo, la determinación de la densidad y el índice de refracción.
MARCO TEÓRICO. ACEITE ESENCIAL Definición. Según la Dra. Elena Stashenko, directora del Centro Nacional de Investigaciones para la Agroindustrialización de Especies Vegetales Aromáticas y Medicinales Tropicales de la Universidad Industrial de Santander (CENIVAM), un aceite esencial es: “mezcla de componentes volátiles producto del metabolismo secundario de las plantas en cuya composición interviene una proporción de hidrocarburos de la serie polimetilénica del grupo de los terpenos que responden a la fórmula (C5H8)n junto con otros compuestos casi siempre oxigenados (alcoholes, ésteres, éteres, aldehídos y compuestos fenólicos) que son los que transmiten a los aceites el aroma que los caracteriza.
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Características.
Eucalipto.
Los aceites esenciales, en general, constituyen del 0.1 al 1% del peso seco de la planta. Son líquidos con escasa solubilidad en agua, solubles en alcoholes y en disolventes orgánicos. Cuando están frescos, a temperatura ambiente, son incoloros, pero al oxidarse se resinifican y toman un color amarillento oscuro (lo que se previene depositándolos en recipientes de vidrio de color topacio, totalmente llenos y cerrados herméticamente).
El Eucalipto pertenece a la familia de las Mirtáceas y es originario de Australia y Tasmania; es un grupo de rápido crecimiento en el que se cuentan actualmente cerca de 700 especies de Eucalipto, distribuidas en regiones, especialmente de climas mediterráneos, tropicales o subtropicales.
La mayoría de los aceites son menos densos que el agua (salvo excepciones como los aceites esenciales de canela, sasafrás y clavo) y con un alto índice de refracción. LAS PLANTAS AROMÁTICAS Son aquellas que pueden generar por algún proceso fisicoquímico un producto aromático, entendiéndose por éstos a los que tienen un olor o un sabor determinado, sin evaluar su calidad comercial o estética.
En Colombia fue introducida a finales de este mismo siglo, con las primeras plantaciones de Eucalipto común en la Sábana de Bogotá, que fueron empleadas como cerca viva, leña, especie ornamental y en el área de la construcción. Iniciando el siglo XX, la especie se empleó en la recuperación de áreas erosionadas y en la protección de algunas fuentes de acueductos. El aceite de eucalipto posee un refrescante, penetrante y estimulante con efectos medicinales. Es uno de los mejores aceites para aliviar problemas respiratorios, especialmente asma, bronquitis, gripe y sinusitis. Puede también aplacar la fiebre y la congestión. Tabla 2. Propiedades físico-químicas del aceite de eucalipto.
Familias botánicas aromáticas. Desde plantas superiores hasta algas con propiedades aromáticas, para un total aproximado de 60 familias botánicas reconocidas con tales propiedades, entre ellas encontramos: Compuestas, Labiadas, Umbelíferas, Pináceas, Verbenáceas, Mirtáceas, Lamiáceas, Rutáceas, Lauráceas, Piperáceas, Apiáceas y Asteráceas.
Propiedades Físico-químicas del Eucalipto Fórmula Masa atómica Aspecto
Tabla 1. Algunos componentes de las esencias importantes en el mercado
Citronella Clove Eucalipto Lemongras Limón Lavanda Menta Hierbabuena Naranja Angélica Salvia Romero
Geraniol, Citronelal Eugenol, Cariofileno Cíneol, Eucaliptol Citral, Limoneno Acetato de linal Mentol Carbona Limoneno, 3-Hexil piridina Alfa- pineno, Limoneno Alfa y Beta Tuyona. Acido rosmarinico
Fuente: Rojas. 2001; Bandoni 2000, Stachenko, 1995
Olor
C10H18O 154,24 Líquido transparente e incoloro Característico
Punto de ebullición
177 ºC
Punto de fusión
1,5 ºC
Punto de inflamación 48 ºC Densidad (20/4) Solubilidad DESTILACIÓN VAPOR
0,924 Inmiscible en agua POR
ARRASTRE
CON
La destilación por arrastre con vapor se realiza en tres etapas: calentamiento, extracción y enfriamiento; cada una de ellas involucra diferentes fenómenos de
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transferencia de calor, adicionalmente en la etapa de extracción se presenta transferencia de masa. Etapa de calentamiento. Se suministra vapor de agua desde la caldera hacia el reactor, hasta cuando comienzan a evaporarse los aceites y son entonces arrastrados hacia el condensador; es allí donde el vapor de agua transfiere calor latente al material vegetal.
Etapa de extracción. Inicia en el momento en el que comienza la producción de condensado de agua-aceite; aquí se determina el tiempo necesario para la extracción. La transferencia de masa en esta etapa se refiere a la cantidad de aceite que es arrastrado por el vapor. Etapa de enfriamiento.
MATERIALES, EQUIPOS, REACTIVOS.
505 g de Eucalipto Agua destilada Vapor de agua Solución salina Sílica gel Extractor Condensador Embudo de decantación Balanza electrónica Refractómetro Espectrómetro infrarrojo Llave inglesa Termómetro Cuchillos Tabla para picar Jeringa Cronómetro Probeta Picnómetro Tubos de ensayo
Se condensan los vapores de agua-aceite que provienen del destilado, después se enfría para separar las fases y obtener el aceite por decantación. MODO DE OPERACIÓN DEL EQUIPO. DECANTACIÓN Se explica bajo el principio de Arquímedes, en donde las gotas de aceite por tener una densidad menor a la del agua, tienden a subir por acción de la fuerza de empuje (figura 1). No obstante una fuerza de fricción ejercida por la mezcla impide el ascenso de las gotas de aceite, para lo cual se adiciona solución salina con el fin de incrementar la diferencia de densidades y aumentar la fuerza de empuje.
Montaje de extracción por arrastre con vapor. Dentro del recipiente no se permite que el agua y el material vegetal estén en contacto, por lo que ésta es cargada a temperatura ambiente dentro de un tanque que hace las veces de destilador. El flujo de vapor ingresa por debajo del material vegetal y luego asciende a través de éste, aumentando la temperatura dentro del tanque; una vez la temperatura en la parte superior del material vegetal es igual a la temperatura de saturación del aceite, este último se evapora y el vapor de agua que va llegando conduce la mezcla vapor de agua-aceite hacia el condensador. Como el agua y el aceite son inmiscibles en estado líquido, se separan de acuerdo a su densidad relativa. Caracterización con espectro infrarrojo.
Figura 1.Explicación del método de decantación por el principio de Arquímedes.
El espectro infrarrojo es una técnica analítica instrumental que permite conocer los principales grupos funcionales de la estructura molecular de un compuesto. Esta información se obtiene a partir del espectro de absorción de dicho espectro después de someterlo a la acción de radiación infrarroja en el espectrofotómetro. El espectro infrarrojo permite detectar la presencia de grupos hidroxilo, carbonilo, anillos aromáticos, dobles
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enlaces C=C (cis y trans), etc. Para determinar el espectro basta con colocar una gota del componente en una celda de NaCl. PROCESO.
Materia prima: EUCALIPTO
VARIABLES DEL PROCESO. Factores que influyen en la pureza, propiedades y calidad del aceite esencial obtenido.
Tiempo de secado de la materia prima. Pureza del agua usada. Control del tiempo de extracción. Presión de vapor. Temperatura del agua de enfriamiento.
PROCEDIMIENTO. Reducción de tamaño. REDUCCIÓN DE TAMAÑO Hojas de eucalipto EXTRACCIÓN POR ARRASTRE CON VAPOR
Vapor de agua
Una vez obtenida la materia prima, ramas de eucalipto, se separaron las hojas de los tallos para disminuir la cantidad de taninos presentes en la corteza de las ramas. Posteriormente se cortaron las hojas en trozos medianos tratando de que el tamaño no fuera tan pequeño puesto que podrían pasar a través del tamiz al interior del extractor.
Residuo sólido
Vapor de agua y aceite esencial CONDENSACIÓN
Agua de enfriamiento
Agua + aceite esencial DECANTACIÓN
Solución salina Figura 2. Reducción de tamaño
sAgua
Después de que todas las hojas fueron cortadas, se pesaron en una balanza; se encontró que el peso de la materia prima inicial fue de 505 g.
ACEITE ESENCIAL DE EUCALIPTO
Figura 3. Peso inicial del eucalipto
Extracción del aceite de eucalipto por arrastre con vapor.
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Se introdujeron las hojas de eucalipto dentro del extractor, se ajustaron los tornillos de la tapa con una llave inglesa con una llave inglesa y se verifico que el montaje extractor-condensador estuviese de manera adecuada para poder iniciar la extracción.
Condensación. Se registro el tiempo total del proceso, partiendo desde el momento en que cayó la primera gota en el embudo de separación donde se recolecto el condensado resultante de la extracción. Después de observar que el primer embudo se lleno totalmente, se procedió a retirarlo y colocar un segundo embudo, un poco más pequeño, para completar esta etapa del proceso.
Figura 4. Ajuste de la tapa del extractor
Al montaje anterior se incorporó el embudo de separación en el extremo inferior del condensador donde se depositó el condensado.
Figura 7. Montaje del segundo embudo.
Al terminar de extraer el condensado (aceite más agua), se retiro el segundo embudo y se recolecto en un balde el agua que aun quedaba dentro del equipo y que salía poco a poco del condensador.
Figura 5. Montaje final
Antes de iniciar la extracción se realizo una purga de la línea de vapor para eliminar los residuos de extracciones anteriores. En el momento en el que se dio inicio a la extracción, se tomo la temperatura inicial del agua de enfriamiento del condensador y el caudal en el mismo punto; para poder realizar los balances de energía. Cabe resaltar que para la extracción se empleo vapor saturado a 20 psi.
Figura 6. Medición de presión y temperatura.
Figura 8. Residuo liquido de la extracción
Al condensado de los embudos se les agrego 400 ml de una solución salina de NaCl al 10% para aclarar y mejorar la decantación posterior. Los embudos se dejaron reposar por 20 horas aproximadamente.
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Figura 11. Aceite esencial Figura 9. Condensado
Decantación. Una vez cumplido el tiempo de reposo, se observo la separación de las dos fases contenidas en la mezcla, la fase acuosa (agua) y la fase oleica (aceite). Aprovechando la diferencia de densidades, se decanto extrayendo primero el agua por la llave del embudo.
Caracterización del aceite esencial de eucalipto. Una vez obtenido el aceite esencial de eucalipto se procedió a caracterizarlo: Determinación de la densidad y del índice de refracción. Para determinar la densidad se empleó un picnómetro de 2 ml, se pesó en la balanza electrónica vacío y después se lleno con una muestra del aceite, se volvió a pesar y se obtuvo una densidad de 1.01 g/ml de aceite.
Figura 10. Decantación y obtención del aceite esencial.
Para obtener las ultimas trazas de aceite contenidas en las paredes de los embudos se les agrego un poco de agua y se recogió esta mezcla en una probeta, luego con ayuda de una jeringa se extrajo una pequeña cantidad de aceite. Después de haber decantado los dos embudos se obtuvo un total de 5 ml de aceite esencial de eucalipto y 13.8 l de agua.
Figura 12. Determinación de la densidad del aceite esencial
Seguido de esto se deposito una muestra del aceite con ayuda de un gotero en el refractómetro para medir el índice de refracción indicando un valor de 1.466.
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Este análisis se hace con el fin de identificar los grupos funcionales presentes en el aceite y obtener la “huella digital” de la sustancia objetivo. CÁLCULOS.
Rendimiento del proceso
Figura 13. Determinación del índice de refracción del aceite esencial
Análisis de la muestra en el infrarrojo. Para realizar el análisis por medio de la espectroscopia en infrarrojo se le agrego al aceite sílica gel para disminuir la humedad presente y obtener los mejores resultados posibles en la prueba.
Va: Volumen obtenido de aceite. ρa: Densidad del aceite. Me: Masa de hojas de eucalipto. Calor transferido en la extracción
m: Cantidad de agua de enfriamiento. Cp: Capacidad calorífica del agua. T2: Temperatura de salida del agua de enfriamiento. T1: Temperatura de entrada del agua de enfriamiento. La cantidad de agua de enfriamiento requerida se calculó a partir del caudal de agua de enfriamiento y el tiempo de operación del proceso:
ṁ*t* Figura 13. Aceite con trozos de silica gel
= 655.272 kg
ṁ: Caudal del agua de enfriamiento. t: Tiempo de duración del proceso. ρw: Densidad del agua. El Cp promedio para el agua líquida es Cp = 4,184 kJ/kg*K
Con los datos calculados, se obtuvo el calor transferido en el proceso: Q = 24 674. 92 kJ/h Figura 14. Análisis infrarrojo del aceite obtenido
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Temperatura de operación Conociendo la presión de vapor saturado a la que se opera en el extractor, se consigue la temperatura de trabajo, la cual corresponde
La energía suministrada al proceso de extracción es elevada para la baja producción de aceite que se reporta.
T = 108,867 °C
RESULTADOS. Tabla N° 3. Datos obtenidos dentro del proceso. Datos en el Proceso 505 g
Peso de hojas de eucalipto Temperatura de entrada del agua de enfriamiento Temperatura de salida del agua de enfriamiento Presión de vapor Caudal del agua de enfriamiento Tiempo de duración del proceso
27 °C
En el espectro infrarrojo que se le tomó al aceite se determinaron los grupos funcionales presentes en él. El pico de mayor alargamiento corresponde al componente de superior proporción en el aceite, este es el 1,8-Cineol ó eucaliptol; según lo indica la bibliografía, es el principal componente en el aceite producido por esta planta. En menores proporciones se encuentran aromáticos tales como α-pineno, limoneno, p-cymene, entre otros.
36 °C 20 psi 95 mL/s 1.916 h
Tabla N° 4. Datos obtenidos del aceite de eucalipto producido. Datos del Producto 5 mL
Volumen obtenido Densidad Índice de refracción
El rendimiento del proceso de extracción de aceite a partir de hojas de eucalipto en el laboratorio fue de 1%, resultado que catalogado como alto, viendo que el rango de aceite presente en peso seco de una planta es de 0.1 1%.
1.01 g/mL 1.466
CONCLUSIONES Se identificó la temperatura del vapor de entrada al extractor como principio fundamental en la operación de arrastre de vapor, esto debido a que por acción del calor suministrado por este flujo, el tejido vegetal se rompe y libera de esta manera el aceite contenido en él. Las características organolépticas, el índice de refracción y la densidad del aceite, le dieron un lugar de alta calidad en el momento de ser comparado con aceites producidos bajo distintas marcas en el mercado. BIBLIOGRAFÍA.
97.5 %T 90
82.5
75
67.5
60
52.5
45
37.5
Figura 15. Espectro infrarrojo de aceite de eucalipto obtenido. 4000 3750 3500 Eucalipto Angelica-2010
3250
3000
2750
2500
2250
2000
1750
1500
ANÁLISIS DE RESULTADOS.
1250
1000
750
500 1/cm
4. BANDONI, A. et al. (2000). “Los Recursos Vegetales Aromáticos en Latinoamérica”. Ciencia y Tecnología para el Desarrollo CYTED. Editorial de la Universidad Nacional de la Plata, La Plata Argentina SÁNCHEZ CASTELLANOS, FRANCISCO (2006). Extracción de aceites esenciales. Experiencia colombiana. II congreso internacional de plantas medicinales y aromáticas. Universidad nacional de colombia sede Palmira. En: http://sisav.valledelcauca.gov.co/CADENAS_P DF/AROMATICAS/c05.pdf . MAGUNA, FABIANA P.; ROMERO, ANA M.; GARRO, OSCAR A.; OKULIK, NORA B
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(2006). Actividad Antimicrobiana de un grupo de Terpenoides. Artículo Completo. Comunicaciones Científicas y Tecnológicas. Universidad Nacional del Nordeste. En: http://www.unne.edu.ar/Web/cyt/cyt2006/index. htm. ESQUIVEL F. ANGÉLICA, VARGAS PEDRO (2007). Uso de aceites esenciales extraídos por medio de fluidos supercríticos para la elaboración de alimentos funcionales. Tecnología en Marcha. Vol. 20-4 - Octubre Diciembre 2007 P. 41-50. En: http://www.tec.cr/sitios/Vicerrectoria/vie/editori al_tecnologica/Revista_Tecnologia_Marcha/pdf/ tecnologia_marcha_24-4/20-4%2041-50.pdf www.cenivam.uis.edu.co http://sisav.valledelcauca.gov.co/CADENAS_P DF/AROMATICAS/c05.pdf
