UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
EXTRACCIÓN DE COLORANTE DE SEMILLAS DE ACHIOTE
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PRESENTACIÓN El presente trabajo se centra en la obtención y caracterización de colorante que se obtiene mediante el tratamiento de la semilla del achiote. En este sentido es relevante destacar, el gran impacto que los colorantes químicos han tenido en la sociedad, así como la posición que han ocupado en las diferentes empresas industriales. Pero como todo lo que está de moda pasa, hoy en día son otros los factores que hacen que estos colorantes químicos se dejen de emplear para la fabricación de diversos productos, y se opte por emplear colorantes naturales, disminuyendo así el grado de contaminación y el daño al ambiente que los químicos seguirían provocando. Los colorantes naturales; como su mismo nombre lo dice; son colorantes que son extraídos de plantas, semillas que la misma mi sma naturaleza nos brinda, teniendo así un control ecológico, protegiendo el ambiente y al ser humano. Los métodos de extracción de colorantes son variados, en el presente trabajo se pretende mostrar la utilización de dos de estos, analizando e identificando mediante el método experimental la efectividad y el rendimiento que cada proceso. Eligiendo de esta manera el más rentable y con el que más producto se llega a obtener.
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PRESENTACIÓN El presente trabajo se centra en la obtención y caracterización de colorante que se obtiene mediante el tratamiento de la semilla del achiote. En este sentido es relevante destacar, el gran impacto que los colorantes químicos han tenido en la sociedad, así como la posición que han ocupado en las diferentes empresas industriales. Pero como todo lo que está de moda pasa, hoy en día son otros los factores que hacen que estos colorantes químicos se dejen de emplear para la fabricación de diversos productos, y se opte por emplear colorantes naturales, disminuyendo así el grado de contaminación y el daño al ambiente que los químicos seguirían provocando. Los colorantes naturales; como su mismo nombre lo dice; son colorantes que son extraídos de plantas, semillas que la misma mi sma naturaleza nos brinda, teniendo así un control ecológico, protegiendo el ambiente y al ser humano. Los métodos de extracción de colorantes son variados, en el presente trabajo se pretende mostrar la utilización de dos de estos, analizando e identificando mediante el método experimental la efectividad y el rendimiento que cada proceso. Eligiendo de esta manera el más rentable y con el que más producto se llega a obtener.
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AGRADECIMIENTOS A la Universidad Universidad Nacional Nacional de Trujillo Trujillo y a la Facultad de Ingeniería Química; por darnos la oportunidad de formar parte de ellas; ayudándonos a crecer cada
semestre
como
mejores
estudiantes.
Al
Ingeniero
Noé
Costilla;
por
permitirnos hacer uso del laboratorio de
Química
Analítica
para
el
desarrollo experimental que muestra este trabajo, así mismo por la supervisión brindada de su parte.
Al Ingeniero Henry Esquerre Pereyra, Pereyra, docente del curso de Procesos Industriales Orgánicos II, por las enseñanzas
y
pautas
que
nos
ayudaron a mejorar en cada revisión de este proyecto, así como también por la paciencia y accesibilidad. LOS A LUMNOS LUMNOS
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ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES RESUMEN OBJETIVOS INTRODUCCIÓN 1. ANTECEDENTES 2. MARCO TEÓRICO 3. MATERIALES 3.1.
Materiales para el Método de Soxhlet
3.2.
Materiales para la Maceración
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1.
Procedimiento del Método de Soxhlet
4.2.
Procedimiento de la Maceración
5. RESULTADOS 5.1.
Método de Soxhlet
5.2.
Maceración
5.3.
Maceración realizada para el diseño de una Planta piloto para obtener colorante de la semilla de Achiote
6. ANÁLISIS Y DESCRIPCIÓN DE RESULTADOS RESULTADOS 7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 8. CONCLUSIONES 9. RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS
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ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Figuras 1. Ácido cis-polieno monometiléster dicarboxílico 2. Estructura de la norbixina (Kalsec, 2001) 3. Equipo de Extracción por arrastre con vapor 4. Extracción de aceite (Hipérico) por Maceración 5. Diagrama del Equipo de extracción de Soxhlet 6. Disolventes comunes 7. Semillas de Achiote 8. Alcohol etílico 9. Equipo Soxhlet – Laboratorio 10. Muestra siendo triturada 11. Cartucho con la muestra 12. Cartucho dentro de la cámara de extracción 13. Proceso de extracción por método de Soxhlet 14. Recuperación del solvente 15. Colorante obtenido (Método Soxhlet) 16. Diagrama de bloques del proceso de extracción de colorante de Achiote por Método Soxhlet 17. Pesado de semillas para cada ensayo 18. Macerado para la extracción de colorante 19. Filtración del macerado 20. Se separación del colorante y el solvente 21. Diagrama de bloques del proceso de extracción de colorante de Achiote por Maceración 22. Solvente recuperado
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Tablas 1. Composición del pigmento del achiote 2. Composición química de las semillas del achiote 3. Composición nutricional de las semillas del achiote 4. Cuadro comparativo de las ventajas y desventajas de la técnica por Soxhlet 5. Materiales de vidrio para el Método Soxhlet 6. Materiales Auxiliares para el Método Soxhlet 7. Materiales de vidrio para la Maceración 8. Materiales Auxiliares para la Maceración 9. Datos experimentales de las sifonaciones 10. Datos experimentales del proceso de Maceración 11. Datos experimentales del proceso de Maceración para el diseño de una Planta Piloto para obtener colorante de la semilla de Achiote
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RESUMEN El presente trabajo de investigación tuvo el objetivo principal de extraer el extracto colorante natural de las semillas de achiote ( Bixa Orellana L.) utilizando los métodos de Soxhlet y Maceración a nivel laboratorio teniendo al Etanol como solvente. El primer método consistió en triturar cierta cantidad de semillas hasta obtener una muestra de 40 g, ésta se pasó a colocar en un cartucho de papel filtro, el cuál se posicionó en la cámara de extracción del equipo Soxhlet, y se agregó el solvente hasta cubrirlo por completo, iniciando inmediatamente con el proceso de obtención del colorante durante un tiempo de 6 h. Para recuperar el solvente, se retiró el cartucho de la cámara y se encendió el equipo nuevamente. El segundo método consistió en colocar las semillas de achiote en contacto con el solvente en un recipiente de vidrio. Se utilizó una cantidad de materia prima de 40 g para cada uno de los tres ensayos realizados en un tiempo de 6 h, para luego pasar a separar las semillas de la solución “colorante-solvente” por medio
de filtración. Luego de 3 días de secado al ambiente; se separó el solvente del colorante. Se determinó que el mejor método para la extracción de colorante fue el de la Maceración, puesto que al haberse utilizado la misma cantidad de materia prima durante el mismo tiempo; se obtuvo una mayor cantidad de colorante; teniendo en cuenta que para este método se utilizó una cantidad de solvente mucho menor que para el primero; además es un proceso rentable debido al ahorro de energía y por ende de costos.
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OBJETIVOS: General: - Obtener el extracto colorante natural de las semillas de Achiote ( Bixa Orellana L.)
Específicos: 1. Utilizar y aprender sobre los métodos de extracción de colorantes utilizando el mismo solvente y la misma cantidad de materia prima. 2. Determinar el mejor método para la extracción de colorantes de los realizados en este trabajo de investigación. 3. Identificar las características del producto, usos alternativos de los subproductos y su impacto ambiental.
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INTRODUCCIÓN En la actualidad cada vez son más los consumidores que buscan o prefieren adquirir productos naturales, orgánicos o mínimamente procesados, sin que se comprometa la inocuidad de los mismos. Los colorantes sintéticos han estado sometidos a ataque constante, debido a que en muchos de ellos se han detectado efectos cancerígenos y otros producen alergias y otros daños en la piel. Por estas razones se espera en pocos años desaparezcan del mercado y sean remplazado por colorantes naturales [7]. Países como Perú, México, Kenia, Segall, Brasil, Ecuador y Bolivia representan los mayores productores de colorantes naturales, teniendo a sus principales consumidores e importadores a Japón, Europa y Estados Unidos
[2].
El colorante obtenido de las semillas del achiote se utiliza en las industrias de los derivados lácteos, cárnicos, grasas, helados, cosméticos, condimentos, cerámica, pintura, tintes, jabones, esmaltes, barnices, lacas, teñido de sedas y telas de algodón y en la medicina y la industria farmacéutica
[6].
El propósito de este trabajo es realizar la extracción de colorante a partir del achiote por diferentes métodos con el fin de analizarlos y compararlos, escogiendo así el mejor de ellos para que luego a futuro sea considerado en la producción industrial.
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EXTRACCIÓN DE COLORANTE DE SEMILLAS DE ACHIOTE 1. ANTECEDENTES: En 2003, la investigación “Planta piloto para obtener colorante de la semilla del achiote (Bixa Orellana L.)”, fue realizada en la Universidad de EAFIT de Medellín, Colombia. El equipo seleccionado para capacidad de producción de 50 kg/día logra una mayor eficiencia en el proceso cuando se obtiene un rendimiento cercano al 8 %, esto al trabajar con una relación en cuanto a cantidad de semilla y volumen de solvente 1:3, con concentración de solvente de 2 % de KOH y tiempo de agitación de 45 min a velocidad de 140 RPM. Mediante análisis de cromatografía en capa delgada, y en los espectros infrarrojo y UV -VIS del producto colorante obtenido se puede identificar claramente la bixina (VER ANEXO 1). En 2014, Zoila Concepción Reyes Buenafe presenta su trabajo de tesis titulado “Extracción y evaluación del colorante natural de achiote ( Bixa Orellana L.) como sustituto del colorante artificial e-102 amarillo no. 5 (tartracina) en la
elaboración de un yogurt ”. El colorante fue extraído de las semillas de la planta de achiote. Se realizó extracción del colorante de achiote utilizando como solventes: agua, solución acuosa de KOH al 1 %, 2 % y 3 %, a escala laboratorio. En dichos resultados se observó que el solvente KOH al 2 % presenta mayor rendimiento extractivo de 6,34 % comparado con el agua con valor de 1,41 %.
2. MARCO TEÓRICO COLORANTE [13]: Un colorante se puede definir como una sustancia que cuando se añade o se aplica a un alimento, fármaco o cosmético, o para el cuerpo humano, es capaz de impartir color. CLASIFICACIÓN DE LOS COLORANTES:
a) Por su origen:
Colorantes orgánicos: procedentes de plantas y animales, tales como la clorofila, carotenos, riboflavina, etc.
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Colorantes minerales: tales como lacas, sulfato de cobre, cromato de plomo, etc.
Colorantes artificiales.
b) Por su composición:
Derivados isoprénicos (carotenoides).
Derivados tetrapirólicos (clorofilas).
Derivados de benzopirano (antocianos y otros flavonoides).
c) Por su solubilidad:
Hidrosolubles (solubles en agua).
Liposolubles (solubles en la grasa).
Insolubles.
Otra de las clasificaciones más utilizadas es la que los divide en dos grandes grupos según su procedencia:
A. Colorantes Naturales: Como su nombre lo dice, son sustancias naturales que se añaden para dar o devolver algún color. Se encuentran presentes como pigmentos en plantas, hojas y frutos. Los colorantes naturales se pueden dividir en los siguientes grupos:
Colorantes naturales: Productos que se adicionan a los alimentos para proporcionarles un color específico y hacerlos más agradables a la vista.
Tintes naturales: Son los productos utilizados para el teñido de telas, madera, fibras y cuero.
Pigmentos naturales: Compuestos responsables del color de una planta.
B. Colorantes artificiales: Son los obtenidos por síntesis química, de los que actualmente se conocen más de 3,000. Los colorantes artificiales son tan utilizados por sus excelentes propiedades:
Proporcionan un color persistente (resistente a ataques).
Ofrecen colores variados y uniformes.
Son de alta pureza y bajo costo.
Se pueden obtener en grandes cantidades.
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SEMILLAS DE ACHIOTE – BIXINA Nombre científico: Bixa Orellana La planta del achiote es un arbusto de rápido crecimiento, que alcanza de 4 a 6 metros de altura, su aspecto es robusto, con flores muy vistosas y de color blancas o rosadas según sea la variedad; el fruto es una cápsula de color pardo rojizo o amarillo verdoso que contiene de 30 a 45 semillas cubiertas por una delgada capa o arilo que, por su contenido de Bixina, es de color rojo o anaranjado
[14].
Botánicamente tiene la siguiente clasificación [6]:
Subdivisión: Angiosperma
Clase: Dicotiledóneas
Orden: Parietales
Familia: Bixáceas
Género: Bixa
Especies: B. Orellana Linneo, B. Sphaerocarpa Triana, B. Urucurana Willd,
B. Purpurea Hort , etc.
La Bixina es un ácido carotenoico de color rojo oscuro que se encuentra en la cubierta exterior del fruto, se presenta como isómero geométrico del tipo cis, pero que puede convertirse a su forma trans, más estable. Además, es insoluble en agua y ligeramente soluble en cloroformo, aceites vegetales, acetato de etilo y propilenglicol (Centro Nacional de Tecnología Agropecuaria y Forestal, 2010). En primer término, es un colorante inofensivo; la Organización Mundial de la Salud (OMS) reconoce su nula toxicidad tanto para el consumo humano como para su aplicación en la piel. En segundo lugar, representa una sustancia con alta resistencia a los agentes químicos, por lo que resulta muy apropiada para colorear todo tipo de alimentos y bebidas
[15].
En la Figura 1 aparece su fórmula estructural.
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Figura 1. Ácido cis-polieno monometiléster dicarboxílico
[1]
El pigmento de la semilla del achiote, que se encuentra en la parte más externa, tiene diferentes compuestos según se muestra en la Tabla 1 [6]. Tabla 1. Composición del pigmento del achiote
[6]
Al hervir la Bixina en una solución de álcali, se forma una molécula de metanol y una sal dipotásica que, por acidificación, produce el ácido dibásico norbixina, 24 28 4 (Figura 2), pigmento carotenoide soluble en agua
[1].
Figura 2. Estructura de la norbixina (Kalsec, 2001)
[1]
- Características fisicoquímicas de la semilla del achiote: El principal constituyente colorante de la semilla del achiote es la bixina, que se encuentra en la cubierta exterior de la semilla del fruto, representa más del 80%
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de los pigmentos presentes, lo cual facilita su extracción; los componentes principales de la semilla del achiote son [11]: Resina
Orellana (materia colorante amarilla)
Bixina (materia colorante roja) (80%)
Aceite Volátil y aceite Graso
Según diferentes fuentes, la composición tanto química como nutricional de la semilla del achiote es muy variada, como puede observarse en las Tablas 2 y 3 [6].
Tabla 2. Composición química de las semillas del achiote
[6]
Tabla 3. Composición nutricional de la semilla del achiote
[6]
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MÉTODOS DE EXTRACCIÓN Extracción sólido-líquido: I.
Extracción sólido-líquido discontinua: La separación de una mezcla de compuestos sólidos también se puede llevar a cabo aprovechando diferencias de solubilidad de los mismos en un determinado disolvente [8]. *Métodos de Extracción Sólido – Líquido discontinua:
Extracción por arrastre de vapor: La destilación por arrastre de vapor es una técnica de destilación que permite la separación de sustancias insolubles en generalmente agua (H 2O) y ligeramente volátiles de otros productos no volátiles
[16].
Figura 3. Equipo de Extracción por arrastre con vapor Fuente: http://quimica-experimental-fiq.blogspot.pe/2015/05/destilacion-por-arrastre-devapor.html
II. Extracción sólido-líquido continua: La extracción sólido-líquido suele ser mucho más eficiente cuando se hace de manera continua con el disolvente de extracción caliente en un sistema cerrado, previamente vaporizado en un matraz y condensado en un refrigerante, con la mezcla sólida a extraer contenida dentro de un cartucho o bolsa de celulosa que se coloca en la cámara de extracción.
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El paso del disolvente orgánico con parte del producto extraído al matraz inicial, permite que el mismo disolvente orgánico vuelva a ser vaporizado, repitiendo un nuevo ciclo de extracción, mientras que el producto extraído, no volátil, se va concentrando en el matraz [8]. *Métodos de Extracción Sólido – Líquido continua:
Maceración: La maceración es un proceso de extracción donde la materia prima posee una serie de compuestos solubles en el líquido de extracción que son los que se pretende extraer. El proceso de maceración genera dos productos que pueden ser empleados dependiendo de las necesidades de uso, el sólido ausente de esencias o el propio extracto. Existen dos métodos de maceración de acuerdo a la temperatura, caliente y frío:
Maceración en frío: Consiste en sumergir el producto a macerar en un recipiente con la cantidad suficiente de solvente para cubrir totalmente lo que se desea macerar. Esto se lleva a cabo por un lapso de tiempo largo, dependiendo de la materia prima que se vaya a macerar. Las ventajas de la maceración en frio consisten en la utilización de equipos simples que requieren mínimas cantidades de energía y en la capacidad de extraer la mayoría de las propiedades de lo que se macera, prácticamente en su totalidad sin alterarla por efectos de temperatura. [9]
Figura 4. Extracción de aceite (Hipérico) por Maceración . Fuente: https://www.botanical-online.com/fotos/plantasmedicinales/hiperico-aceitemaceracion.jpg
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Maceración con calor: El proceso consiste en el contacto entre las fases, el producto a macerar y el solvente; con la diferencia de la variación en la temperatura, en este caso pueden variar las condiciones de la maceración. Al utilizar calor se acelera el proceso. Su desventaja es que no logra extraer totalmente pura la esencia del producto, ya que regularmente destruye algunas propiedades, además de que requiere equipos más sofisticados que permitan el control de temperatura, sin mencionar que implica un mayor consumo energético [9].
III. Extracciones con disolventes volátiles: Extracciones a temperatura ambiente: Como se ha comentado, en la mayoría de los procesos de extracción líquidolíquido o sólido-líquido a temperatura ambiente, se utiliza un compuesto orgánico volátil, normalmente un disolvente inflamable, con lo que cualquier sobrepresión en el montaje o una fuga de vapor puede provocar un incendio. Se debe tener en cuenta que siempre que se manipulen sustancias de estas características se presenta riesgo de incendio y explosión
[10].
Extracciones en caliente: La extracción sólido-líquido o líquido-líquido en caliente es una operación relativamente rutinaria en los laboratorios de química. El caso más habitual es la extracción con el sistema Soxhlet. Se llevan a cabo con un montaje que contiene el denominado
, inventado extractor de S oxhlet
en el año 1879 por
Franz von Soxhlet originalmente para la extracción de lípidos a partir de muestras sólidas [10]. EXTRACCIÓN DE SOXHLET Es la técnica de separación sólido-líquido comúnmente usada para la determinación del contenido graso en muestras de diferente naturaleza. Aunque su campo de aplicación es fundamentalmente el agroalimentario es también de utilidad en el área medioambiental, así es el método de análisis recomendado para la determinación del aceite y la grasa total recuperable en aguas de vertidos industriales
[4].
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Figura 5. Diagrama del Equipo de extracción de Soxhlet Fuente: http://procesosbio.wikispaces.com/Extracci%C3%B3n+s%C3%B3lidol%C3%ADquido
Tabla 4. Cuadro comparativo de las ventajas y desventajas de la técnica por Soxhlet. VENTAJAS
La muestra está en contacto repetidas
DESVENTAJAS
El tiempo requerido para la extracción
veces con porciones frescas de disolvente.
normalmente está entre 6-24 horas y la
La extracción se realiza con el disolvente
cantidad de disolvente orgánico es alta (50-
caliente, así se favorece la solubilidad de
300 ml).
los analíticos.
La descomposición térmica de los analitos
No es necesaria la filtración después de la
termolábiles, ya que la temperatura del
extracción.
disolvente orgánico está próxima a su punto
La metodología empleada es muy simple.
de ebullición.
Se obtienen excelentes recuperaciones,
podría acelerar el proceso de extracción.
existiendo gran variedad de métodos oficiales cuya etapa de preparación de
No es posible la agitación del sistema, la cual
Es necesaria una etapa final de evaporación
muestra se basa en la extracción con
del disolvente para la concentración de los
Soxhlet.
analitos.
Fuente: Ciencias Ambientales, 2004, Técnicas Avanzadas en Química.
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* La extracción Soxhlet se fundamenta en las siguientes etapas:
a. Preparación de la muestra: La operación comienza por la preparación de la muestra. Con frecuencia debe ser dividida en fragmentos de mayor a menor tamaño. Se suele moler/triturar la materia prima; siendo esta la muestra que pasa a ser alistada y cargada en el cartucho de extracción. Se forma un dedal de papel filtro, de tal manera que se adapte al equipo de Soxhlet [3].
b. Colocación del solvente: La cantidad de solvente debe ser la necesaria para que al ascender al cartucho y antes de que se haga la sifonada, no quede seco el balón inferior porque de esa manera, o se seca la muestra y se quema, o cuando caiga el líquido de la sifonada sobre el vidrio recalentado se puede producir una explosión de los vapores con el consiguiente riesgo de accidente. Si la cantidad a agregar no está estipulada en la norma, se carga el solvente desde arriba, lentamente, para que vaya cubriendo el cartucho y luego produzca el rechupe. Esta es la cantidad mínima. Pero como durante la operación hay pérdida del solvente por evaporación, y además debe quedar una cantidad mínima en el balón para que no se concentre el extracto demasiado, hay que agregar por lo menos una cantidad semejante en exceso [3].
c. Solventes a utilizar: Si se sigue una norma o técnica obviamente que el solvente estará indicado. Pero con frecuencia, particularmente en los laboratorios de investigación, se suelen realizar extracciones no normalizadas. La experiencia que se posee es que hay una temperatura máxima y mínima de ebullición en la que el equipo funciona adecuadamente, de acuerdo a punto de ebullición del solvente. Con respecto al extremo superior hay que decir que para la cantidad de energía limitada que generan los calentadores eléctricos comunes, a medida que aumenta el punto de ebullición disminuye significativamente el caudal de solvente que se evapora y por ende la velocidad de extracción.
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Figura 6. Disolventes comunes. Fuente: http://www.bib.uia.mx/gsdl/docdig/didactic/IngCienciasQuimicas/lqoa001.pdf
Otra característica importante en cuanto al tipo de solventes es que los de carácter no polar suelen tener alguna dificultad en sifonar puesto que no mojan el vidrio [3].
d. Calentamiento: Es corriente utilizar calentadores eléctricos de esos llamados múltiples, que además poseen reóstatos para variar el tiempo en el que las resistencias están encendidas. Con alguna frecuencia sucede que al comienzo de la evaporación el solvente se sobrecalienta y posteriormente produce una evaporación explosiva que hace que gran cantidad de vapores lleguen al refrigerante que no da abasto en la condensación. Inclusive puede darse que, si el equipo no está bien sujeto en los dos lugares necesarios, es decir en el balón y en el extractor, salte la parte superior y escapen vapores calientes del solvente, circunstancia que puede ser peligrosa. Si lo que se va a utilizar es el residuo sólido se pueden colocar núcleos de evaporación en el balón como trozos de porcelana porosa o piedra pómez [3].
e. Refrigeración: Es importante la ubicación de las mangueras, en este caso, se está trabajando a reflujo, es necesario tener en cuenta la entrada y salida
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del agua. El flujo de agua debe regularse para utilizar solamente lo necesario, dado que el consumo es muy alto, particularmente en el caso de que se use agua potable de la canilla [3].
f. Operación de extracción: Una vez que el equipo está armado, abierta el agua el refrigerante, cargado el dedal e introducido el solvente, sólo resta encender el calentador y comenzar la operación. Llegada la temperatura a la de ebullición del solvente éste comienza a evaporarse y, luego de que calienten las paredes del equipo, comienza a condensar en el refrigerante y a caer en forma de gotas sobre el cartucho. La primera operación es totalmente atípica y no debe contabilizarse en el recuento que se hace para regular la velocidad de extracción como suelen pedir las normas. A medida que el condensado va cayendo sobre el cartucho este comienza a escurrir por la parte inferior del mismo llenando el recipiente de extracción hasta que llega al nivel de la bajada del sifón y resucciona, con todo el material disuelto, hacia el balón inferior. El tope del sifón está por encima del cartucho para asegurar que todas las veces el material a extraer quede embebido en el solvente. Una vez que el sistema está en régimen las sifonadas se producen a intervalos regulares. Los tiempos comunes del sifonado están entre 5 y 20 minutos, según la potencia del calentador, el solvente, la temperatura externa, etc. Al comienzo hay mucho material para extraer y dentro de él hay fracciones de fácil separación, pero a medida que avanza el proceso cada vez es más difícil extraer la pequeña fracción remanente, hasta que en las etapas finales no se extrae nada más. Como en todo este tipo de procesos es de importancia capital definir el punto final que dependerá del sistema conformado por el equipo, la muestra y las condiciones de temperatura [3].
g. Culminación de la operación: Una vez que se ha dado por terminada la operación de extracción, es conveniente esperar un cierto tiempo para que
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el sistema se enfría hasta que sea fácil manipularlo. A continuación, no hay que olvidarse de cerrar el agua de refrigeración para no realizar consumo innecesario. Después se desarma el equipo y se extrae el cartucho que está saturado de solvente y se coloca en un sitio aireado o en la campana para que se seque la muestra. La extracción de la muestra del cartucho húmedo puede ocasionar su deterioro. Si es necesario se deberá enjuagar el extractor para que quede listo para la próxima vez [3].
3. MATERIALES 3.1. Método de Soxhlet: -
Materia Prima: Semillas de Achiote ( Bixa Orellana L.)
Figura 7. Semillas de Achiote
-
Variedad: Común
Lugar de Procedencia: Mercado “Mayorista” – Trujillo (La Libertad)
Utilidad: Extracción de colorante de las semillas de Achiote Semillas
Cantidad
Utilizadas
40.0465 g
Reactivos: Alcohol Etílico (Ver hoja de seguridad en el ANEXO 3)
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Figura 8. Alcohol Etílico
-
Densidad: 789 kg/cm3
Masa molar: 46.07 g/mol
Punto de fusión: 158.9 K
Punto de ebullición: 351.6 K
Temperatura crítica: 514 K
Presión Crítica: 63 atm
Viscosidad: 1.074 mPa a 20°C
Solubilidad en agua: Miscible totalmente
Lugar de Procedencia: Botica “Inkafarma” – Trujillo (La Libertad)
Utilidad: Extracción de colorante de las semillas de Achiote Alcohol
Volumen
Utilizado
220 mL
Recuperado
180 mL
Materiales de vidrio y otros: Tabla 5. Materiales de vidrio
Material de vidrio
Cantidad
Probeta roja; 100 ml (PYREX)
01
Balón de destilación; 500 ml
01
(PYREX)
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Tabla 6. Materiales auxiliares
-
Material
Cantidad
Mortero y su pistilo
01
Cocina Eléctrica
01
Papel filtro
01
Hilo
61.5 cm
Pinzas Fisher
02
Soporte Universal
01
Balanza analítica
01
Mangueras
02
Piseta
01
Equipos: Equipo Soxhlet
Figura 9. Equipo Soxhlet
3.2. Maceración: -
Materia Prima: Semillas de Achiote ( Bixa Orellana L.)
Variedad: Común
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-
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Lugar de Procedencia: Mercado “Mayorista” – Trujillo (La Libertad)
Utilidad: Extracción de colorante de las semillas de Achiote Ensayo
Cantidad
1
40 g
2
40 g
3
40 g
TOTAL
120 g
Reactivos: Alcohol Etílico (Ver hoja de seguridad en el ANEXO 3)
-
Densidad: 789 kg/cm3
Masa molar: 46.07 g/mol
Punto de fusión: 158.9 K
Punto de ebullición: 351.6 K
Temperatura crítica: 514 K
Lugar de Procedencia: Botica “Inkafarma” – Trujillo (La Libertad)
Utilidad: Extracción de colorante de las semillas de Achiote Ensayo
Volumen
1
70 mL
2
70 mL
3
70 mL
TOTAL
210 mL
Materiales de vidrio y otros: Tabla 7. Materiales de vidrio
Material de vidrio
Cantidad
Probeta ; 50 ml (KYNTEL)
01
Varilla de vidrio
01
Embudo; (D: 8 cm)
01
Frascos herméticos
03
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Tabla 8. Materiales auxiliares
Material
Cantidad
Balanza analítica
01
Jeringa
01
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1. Método de Soxhlet: 1. En primer lugar, se trituró cierta cantidad de Semillas de Achiote, hasta conseguir una muestra de 40 gr. (Muestra en polvo).
Figura 10. Muestra siendo triturada
2. Posteriormente, se colocó la muestra en un cartucho fabricado con papel filtro, tal como se muestra en la siguiente figura.
Figura 11. Cartucho con la muestra
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3. Se posicionó el cartucho en la cámara de extracción y se agregó el solvente a utilizar (Alcohol etílico), para luego colocar el refrigerante sobre el orificio superior de la misma.
Figura 12. Cartucho dentro de la cámara de extracción
4. Se abrió la llave del grifo para la circulación del agua por el refrigerante del equipo, para luego enchufar la cocina eléctrica y comenzar con el proceso de extracción.
Figura 13. Proceso de extracción por método de Soxhlet
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5. Luego de aproximadamente 6 horas, se detuvo el proceso y se retiró el cartucho de la cámara de extracción. 6. Se repite el paso 4. (Sin el cartucho) para recuperar el solvente de la solución obtenida del colorante extraído. (Aproximadamente 10 min.)
Figura 14. Recuperación del Solvente
7. Se esperó que el equipo de enfriara, para desarmarlo y hacer su respectiva limpieza. 8. Los restos de solvente no extraídos en la destilación se evaporan y se seca el producto al ambiente durante 3 – 4 días.
Figura 15. Colorante obtenido
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DIAGRAMA DE BLOQUES Selección de Semillas
Pesado
Trituración Solvente Evaporación de solvente
Extracción por solvente
Semillas sin colorante
Colorante + Solvente
Destilación
Solvente
Colorante
Figura 16. Proceso de extracción de colorante de Achiote por el Método de Soxhlet.
4.2. Maceración: 1. En primer lugar, seleccionamos las semillas para eliminar algunas que estén negras, húmedas o con rasgos de enfermedad. 2. Se pesó las semillas previamente seleccionadas (40 g) para los tres ensayos de extracción por maceración.
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Figura 17. Pesado de semillas para cada ensayo
3. Se depositó las semillas pesadas en tres frascos de vidrio agregando 70 ml de alcohol en cada uno y se dejó macerar por un lapso de 6 horas.
Figura 18. Macerado para la extracción de colorante
4. Se filtró el macerado para separar la solución (colorante + solvente) de las semillas.
Figura 19. Filtración del macerado
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5. Se dejó precipitar el colorante por 3 días para luego separa el solvente del colorante por extracción con ayuda de una jeringa.
Figura 20. Separación del solvente y el colorante
DIAGRAMA DE BLOQUES Selección de Semillas
Pesado
Alcohol
Extracción de colorante
Filtración
Semillas sin colorante
Colorante + Solvente
Extracción de solvente Solvente
Colorante
Figura 21. Proceso de extracción de colorante de Achiote por Maceración
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5. RESULTADOS La variedad de las semillas utilizada en los ensayos es la de cápsulas rojizas, en la cual el colorante representa el 8.2% (Bernal, 1989, Seminario de Agronomía 1975, 1990).
5.1. Método de Soxhlet: El proceso empezó a las 11:18 a.m. del 19 de febrero (2018) Tabla 9. Datos experimentales de las sifonaciones
N° de
Intervalo de
Día
Sifonadas
tiempo (min)
1
0
-
1
1
35
1
2
24
1
3
24
1
4
23
1
5
23
1
6
24
1
7
24
1
8
24
1
9
25
1
10
22
1
11
16
1
12
18
1
13
19
NOTA: A partir de la décima sifonada se adicionaron 40 mL de solvente, a los 180 mL originales.
PRODUCTO: -
Materia prima: 40 g de semillas de achiote
-
Cantidad de solvente: 220 mL Alcohol etílico 96°
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-
Relación Materia prima/solvente: 1/5
-
Tiempo total de extracción: 6h 00 min
-
Temperatura de secado: Temperatura ambiente (~25°C)
-
Tiempo de secado: 3 días
Caracterización: El colorante obtenido es de un color rojizo fuerte. Consistencia Aceitosa y espesa. Una vez enfriado fue difícil su manipulación. Una pequeña cantidad puede causar manchas muy rojizas y dificultosas de extraer. El producto es soluble en alcohol a temperaturas mayores a la del ambiente y medianamente soluble en agua a 70 – 90°C. Se usó alcohol para resolubilizar el producto y medir su volumen. (Ver Anexo 2) -
Peso de la muestra luego de la extracción = 38.02 g
-
Volumen total al recuperar el solvente = 4.25 mL
-
Volumen de alcohol no extraído = 3 mL
-
Volumen de producto (colorante) = 1.25 mL
-
Peso del producto (p) = 1.88 g
Recuperación de solvente: -
Temperatura de trabajo: 79 °C
-
Color Amarillento, solvente con alta impureza: 180 mL
Figura 22. Solvente recuperado
RENDIMIENTO Y EFICIENCIA DEL PROCESO: - Rendimiento (p/v) =
∗
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*Rendimiento del Método de extracción por Soxhlet = 4.20% - Eficiencia =
% ó (.%)
∗
*Eficiencia del Método de extracción por Soxhlet = 51%
5.2. Maceración: PRODUCTO: -
Materia prima: 40 g de semillas de achiote
-
Cantidad de solvente: 70 mL Alcohol etílico 96°/cada ensayo
-
Relación Materia prima/solvente: 1/2
-
Tiempo total de extracción: 6h 00 min
-
Temperatura de secado: Temperatura ambiente (~25°C)
-
Tiempo de secado: 3 días
-
N° de ensayos: 3
Caracterización: El colorante obtenido es de un color rojizo fuerte y de consistencia espesa. Una vez enfriado fue difícil su manipulación. Una pequeña cantidad puede causar manchas muy rojizas y dificultosas de extraer. El producto es soluble en alcohol a temperaturas mayores a la del ambiente y medianamente soluble en agua a 70 – 90°C. (Ver Anexo 2) -
Volumen promedio total al extraer el solvente = 6.0 mL
-
Volumen promedio de alcohol no extraído = 4.5 mL
-
Volumen promedio del producto (colorante) = 1.5 mL
-
Peso promedio del producto (sólido) = 2.11 g
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Tabla 10. Datos experimentales del proceso de Maceración Ensayo
Relación
Peso de
Solvente
Solvente
Peso total
Rendimiento
semilla/solvente
semilla
contaminado
utilizado
del
(p/v)
macerada
extraído
(v)
colorante (p)
59.80 mL
70 mL
61.10 mL
70 mL
60.50 mL
70 mL
1
½
2
½
3
½
37.22 g 37.86 g 37.53 g
2.36 g 1.93 g 2.05 g
3.37% 2.76% 2.93%
RENDIMIENTO Y EFICIENCIA DEL PROCESO: - Rendimiento (p/v) =
∗
*Rendimiento del Método de la Maceración= 5.28% - Eficiencia =
% ó (.%)
∗
*Eficiencia del Método de la Maceración = 64.39%
5.3. Maceración realizada para el diseño de una Planta Piloto para obtener colorante de la semilla de Achiote (Ver ANEXO 1): Las variables seleccionadas para realizar los 15 ensayos correspondientes al diseño de experimentos son:
Relación semilla-solvente (g/mL): 1:2 y 1:3
Concentración del solvente (KOH): 1% P/V y 2% P/V (peso/volumen)
Tiempo de agitación: 30 min y 45 min
100 g de semilla fresca, con una humedad de 13.2%
Tiempo de remojo 12 horas
100 ml – 150 ml de KOH
Velocidad de agitación de 140 rpm
Temperatura de secado 57°C
Tiempo de secado de la pasta de 5 a 6 h
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Tabla 11. Datos experimentales del proceso de Maceración para el diseño de una Planta Piloto para obtener colorante de la semilla de Achiote
Ensayo
Relación semilla/solvente
1
Peso total Peso de semilla sin de colorante colorante (g) (g)
Concentración
Tiempo de agitación
pH
1/2
2% P/V
30 min.
2.46
91.52
7.52
2
1/2
2% P/V
30 min.
2.47
90.16
7.43
3
1/2
1% P/V
30 min.
2.43
94.33
4.05
4
1/2
1% P/V
30 min.
2.47
92.75
6.012
5
1/2
2% P/V
30 min.
2.5
93.9
6.67
6
1/2
2% P/V
30 min.
2.48
91.78
6.24
7
1/2
1% P/V
30 min.
2.47
90.85
6.33
8
1/2
1% P/V
30 min.
2.45
93.27
5.97
9
1/2
2% P/V
45 min.
2.47
93.97
5.908
10
1/2
2% P/V
45 min.
2.46
92.25
6.301
11
1/2
1% P/V
45 min.
2.45
93.11
4.2
12
1/2
1% P/V
45 min.
2.46
92.49
4.51
13
1/3
2% P/V
45 min.
2.49
88.98
7.96
14
1/3
2% P/V
45 min.
2.46
89.54
7.56
15
1/3
1% P/V
45 min.
2.43
90.44
7.23
16
1/3
1% P/V
45 min.
2.47
91.26
7.46
Fuente: Devia, J. (2003). Planta piloto para obtener colorante de semilla de achiote ( Bixa “
Orellana)
. Trabajo de graduación, Universidad EAFIT. Medellín: Colombia. 22 p.
”
6. ANÁLISIS Y DESCRIPCIÓN DE RESULTADOS - Método Soxhlet: • Para este método, se utilizó; en un primer lugar; 180 mL de solvente,
necesarios para cubrir por completo el cartucho con la muestra; luego de unas 10 sifonadas se tuvieron que adicionar 40 mL, para evitar que el balón inferior quede seco; porque durante la operación hubo pérdida del solvente por evaporación, y es necesario que quede una cantidad mínima en el balón para que el extracto no se concentre demasiado; además de evitar que se seque o queme.
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• Al término del proceso de extracción, se recuperaron 180 mL de solvente de
los 220 mL utilizados; siendo la pérdida consecuente a la evaporación del mismo; así como podrían ser las posibles fugas en el equipo. • La temperatura del proceso fue la temperatura de ebullición del solvente,
~79°C, la cual se mantuvo constante durante el desarrollo del experimento, 6 horas. • Se obtuvo un colorante de color rojizo fuerte, con una consistencia aceitosa
y espesa, de un peso de 1.88 g y de volumen, 1.25 mL, del cual; teniendo en cuenta el peso del producto y la cantidad de solvente utilizado: el
rendimiento del proceso fue de 0.86%. - Maceración: • Para este método, se utilizaron tan solo 70 mL de solvente para cada uno de
los ensayos realizados; los cuales duraron un total de 6 horas. • Como se observa en la tabla 10. la cantidad de solvente contaminado que
se recuperó; fue ciertamente menor a la utilizada en un principio; esto debido a que no se pudo separar el solvente del colorante en su totalidad; quedando una mezcla espesa de colorante-solvente; el cuál se dejó secar por un tiempo. • Al pesar cada uno de los productos de los tres ensayos, se obtuvo un peso
promedio de 2.11 g con un volumen de 1.5 mL. Obteniendo un colorante muy espero y de un color rojizo fuerte. • Teniendo en cuenta el peso promedio del producto y la cantidad de solvente
utilizado, el rendimiento promedio del proceso fue de 3.02%. - Maceración realizada para el diseño de una Planta Piloto para obtener colorante de la semilla de Achiote: • Para este método, se utilizaron entre 100 y 150 mL de solvente para cada
uno de los ensayos realizados; los cuales duraron un total de 12 horas; con un tiempo adicional de agitación entre 30 y 45 min. • Como se observa en la tabla 11. la cantidad de solvente que se recuperó;
fue ciertamente menor a la utilizada en un principio; esto debido a que no se
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pudo separar el solvente del colorante en su totalidad; quedando una mezcla espesa de colorante-solvente. •
Con la relación semilla/solvente 1:3, se obtiene mayor rendimiento de colorante. Esto se explica de los ensayos realizados, porque con relaciones 1:2, no hay un buen contacto entre la solución y las semillas.
•
Cuando la concentración de la solución de KOH es del 2% P/V, se obtiene mayor cantidad de colorante que con una concentración del solvente de 1% P/V. El tiempo de agitación no es muy determinante en el proceso, puede decirse que se obtiene casi el mismo rendimiento; sin embargo, se observa, ligeramente, un mayor rendimiento en 45 minutos.
• Al pesar cada uno de los productos de los ensayos realizados, se obtuvo un
peso promedio de 6.33 g. Teniendo en cuenta el peso promedio del producto y la cantidad de solvente utilizado, el rendimiento promedio del proceso fue de 4.22 -6.33%. •
La Tabla 11 muestra que el mayor rendimiento de la extracción del colorante es del 7.96%, en el ensayo 13, por lo tanto, la eficiencia total del proceso es del 97%.
7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Los resultados obtenidos con método de maceración, los vamos a discutir, comparándolo con un los resultados experimentales del artículo, titulado: “Planta Piloto para obtener colorante de la semilla de achiote”.
En este
artículo, encontramos resultados experimentales, en el cual utiliza variables de concentración de solvente, relación de cantidad de semilla y volumen de solvente, tiempo de agitación, velocidad de agitación, pH y temperatura de secado.
Por el contrario en nuestro experimento, solo las variables que consideramos fueron relación de cantidad de semilla a volumen de solvente, concentración del solvente y tiempo de extracción.
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Uno de los colorantes naturales más conocidos y de mayor aplicación en diferentes industrias es el que se obtiene a partir de la semilla del achiote (Annatto).
Podemos darnos cuenta que a escala de laboratorio es un experimento sencillo y fácil de realizar, en este caso trabajamos con el método se Soxhlet, utilizando como solvente el etanol. En este método se utiliza mucho tiempo, para una extracción mínima de colorante no cual no es muy recomendable, sería mejor utilizar otro solvente
Pero en cambio en la industria se puede utilizar diferentes solventes, Agua caliente, aceites vegetales, propilenglicol, acetato de etilo, entre otros. Para cada uno se utiliza varios métodos de extracción.
Este método que se utiliza en la industria es la Maceración con solvente, los equipos que se utilizan en este método son tanques para remojar, almacenar, agitar, precipitar, una bomba centrifuga, filtro-prensa, secador y molino de bolas.
8. CONCLUSIONES
Con los experimentos utilizados, la extracción por Soxhlet como el de maceración, obtuvimos extracto de colorante natural de las semillas de Achiote ( Bixa Orellana L.) en diferentes cantidades, debido a las variables consideradas.
Al analizar los resultados del método de Soxhlet, podemos denotar que fue un método con muy bajo rendimiento, puesto que obtuvimos 1.68 g, con un tiempo de extracción de 6 h, utilizando un secado a temperatura ambiente. Obteniendo un rendimiento de 4.20% y una eficiencia de 51%. Con el método de maceración, obtuvimos como promedio total de los 3 ensayos realizados 2.1 g, utilizando el mismo tiempo de extracción y la misma temperatura de secado, obtuvimos un rendimiento de 5.28% y una eficiencia de 64.39%
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Con los resultados obtenidos de ambos métodos de extracción realizados, podemos decir que el mejor método para la extracción de colorante naturales de semillas de Achiote ( Bixa Orellana L.); es el Método de
Maceración.
El achiote es una semilla muy característica, con estos experimentos, identificamos esas características del producto, los cuales son un color rojo encendido, insoluble en agua.
Con estos experimentos aprendimos a utilizar los métodos de extracción de colorantes utilizando el mismo solvente y la misma cantidad de materia prima.
9. RECOMENDACIONES
Para un mejor rendimiento de la extracción, se recomiendo evaluar más variables.
Tener mucho cuidado a la hora de armar el equipo para la extracción, asegurarse que todo esté colocado correctamente (Mangueras; cocina; altura del balón de destilación; etc.)
Al momento de realizar el experimento, tener en cuenta la variable tiempo; ya que van a ser determinantes para obtener resultados correctos.
Para obtener mayor cantidad de colorante tiene que triturarse bien la materia prima.
Utilizar le cantidad de solvente necesario para el experimento.
Para un buen rendimiento de extracción es mejor trabajar con semillas frescas de achiote.
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ANEXO 1 Industrialización del Achiote [7] En las zonas rurales del Perú se produce pasta de achiote por método Empírico. Esta pasta es a su vez vendida a otras industrias para la elaboración de lo conocido en el mercado Nacional como “achiote”, utilizado para dar color a los alimentos
preparados a nivel casero. La extracción de colorante consta con dichas etapas:
1. Extracción: Las semillas se cocinan en agua caliente por un periodo hasta de 24 horas.
2. Filtración: Los residuos vegetales se separan de la solución acuosa coloreada mediante filtración mecánica. Los residuos se lavan con agua, para separar la mayor cantidad de colorante de las semillas.
3. Concentración: Se lleva acabo con la finalidad de reducir el contenido de humedad y concentrar el colorante.
4. Mezclado: La pasta obtenida en la concentración se mezcla con grasa vegetal y otros aditivos que permiten obtener un producto con una concentración de bixina adecuada a la necesidad del consumidor.
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Figura 22. Diagrama de flujo del proceso de Extracción del Colorante
ANEXO 3 BALANCES: BALANCE DE MATERIA
Materia prima (Achiote)
40 gr.
Solvente (Etanol)
220 mL
PRODUCTO: 3.2 mL SUBPRODUCTO: SOLVENTE RECUPERADO: 163 mL Pérdida: 57 mL