UNIVERSIDAD
MAYOR
DE
SAN
SIMÓN. FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA. CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA.
EXTRACCION POR ARRASTRE CON VAPOR (Informe Teórico Grupal)
NOMBRES:
Abularach Heredia Arturo Andres Alvarez Gonzales Maria Isabel Cespedes Alcocer Fabiola Yomaly Garnica Nieves Javiel Morales Antezana Luisa Maria Torrico Zamorano Marisela Vargas Zarate Jaquelin Veronica Vega Panoso Mariela Cecilia Velasquez Ninahuanca Juan Pablo
DOCENTE: Nelson Hinojosa Salazar SEMESTRE: II/ 2013
Cochabamba 14/11/13
1.
INDICE
2. 3. 1.............................................................................................. Introducción ................................................................................................................ 1 4. 2............................................................................................ Antecedentes ................................................................................................................ 2 5. 3................................................................................................... Objetivos ................................................................................................................ 4 6. 3.1.Objetivo general.................................................................................. 4 7. 3.2.Objetivos específicos..........................................................................4 8. 4................................................................................... Fundamento teórico ................................................................................................................ 4 9. 4.1.DESTILACIÓN POR ARRASTRE CON VAPOR DE AGUA.....................4 10.4.2.Teoría del Arrastre............................................................................... 7 11.4.3.Técnicas de Destilación por Arrastre con Vapor....................................9 12.4.4.Destilación con Agua o Hidrodestilación..............................................9 13.4.5.Destilación con Agua y Vapor de Agua o Hidrodifusión Clásica.............9 14.4.6.Destilación con Vapor de Agua Directo o Hidrodifusión Moderna.........10 15.4.7.Diferencias en las Técnicas de Destilación por Arrastre con Vapor de Agua...................................................................................................... 10 16.4.8.Sistemas Inmiscibles........................................................................11 17.4.9.Generalidades Sobre Los Aceites Esenciales.....................................12 18.4.10. Fuentes de Obtención de los Aceites Esenciales.-...........................12 19.4.11. Usos y Aplicaciones de los Aceites Esenciales.-..............................13 20.4.12. Técnicas de Extraccion de Aceites Esenciales.................................13 21.5........................................................................................... Conclusiones .............................................................................................................. 14 22.6............................................................................................... Bibliografía .............................................................................................................. 14
1
23. Introducción Es llamado comúnmente: destilación por arrastre de vapor, extracción por arrastre, hidrodestilación, hidrodifusión o hidroextracción. Sin embargo, no existe un nombre claro y conciso para definirlo, debido a que se desconoce exactamente lo que sucede en el interior del equipo principal y porque se usan diferentes condiciones del vapor de agua para el proceso. Es así que, cuando se usa vapor saturado o sobrecalentado, fuera del equipo principal, es llamado “destilación por arrastre de vapor”. Cuando se usa vapor saturado, pero la materia prima está en contacto íntimo con el agua generadora del vapor, se le llama “hidrodestilación” .Cuando se usa vapor saturado, pero la materia no está en contacto con el agua generadora, sino con un reflujo del condensado formado en el interior del destilador y se asumía que el agua era un agente extractor, se le denominó “hidroextracción” (Palomino y Cerpa, 1999). En la presente memoria, se adoptará el término hidrodestilación, para definir el proceso para obtener el aceite esencial de una planta aromática, mediante el uso del vapor saturado a presión atmosférica. El generador de vapor no forma parte del recipiente donde se almacena la materia prima, es externo y suministra un flujo constante de vapor. Su presión es superior a la atmosférica, pero el vapor efluente, que extrae al aceite esencial está a la presión atmosférica. La materia prima forma un lecho compacto y se desprecia el reflujo interno de agua debido a la condensación del vapor circundante. De manera general, la hidrodestilación se describe de la siguiente manera: La materia prima vegetal es cargada en un hidrodestilador, de manera que forme un lecho fijo compactado. Su estado puede ser molido, cortado, entero o la combinación de éstos. El vapor de agua es inyectado mediante un distribuidor interno, próximo a su base y con la presión suficiente para vencer la resistencia hidráulica del lecho. La generación del vapor puede ser local (hervidor), remota (caldera) o interna (base del recipiente). Conforme el vapor entra en contacto con el lecho, la materia prima se calienta y va liberando el aceite esencial contenido y éste, a su vez, debido a su alta volatilidad se va evaporando. Al ser soluble en el vapor circundante, es “arrastrado”, corriente arriba hacia el tope del
2
hidrodestilador. La mezcla, vapor saturado y aceite esencial, fluye hacia un condensador, mediante un “cuello de cisne” o prolongación curvada del conducto de salida del hidrodestilador. En el condensador, la mezcla es condensada y enfriada, hasta la temperatura ambiental. A la salida del condensador, se obtiene una emulsión líquida inestable. La cual, es separada en un decantador dinámico o florentino. Este equipo está lleno de agua fría al inicio de la operación y el aceite esencial se va acumulando, debido a su casi inmiscibilidad en el agua y a la diferencia de densidad y viscosidad con el agua. Posee un ramal lateral, por el cual, el agua es desplazada para favorecer la acumulación del aceite. El vapor condensado acompañante del aceite esencial y que también se obtiene en el florentino, es llamado “agua floral”. Posee una pequeña concentración de los compuestos químicos solubles del aceite esencial, lo cual le otorga un ligero aroma, semejante al aceite obtenido. Si un hervidor es usado para suministrar el vapor saturado, el agua floral puede ser reciclada continuamente. De otro modo, es almacenada como un sub-producto. El proceso termina, cuando el volumen del aceite esencial acumulado en el florentino no varíe con el tiempo. A continuación, el aceite es retirado del florentino y almacenado en un recipiente y en lugar apropiado. El hidrodestilador es evacuado y llenado con la siguiente carga de materia prima vegetal, para iniciar una nueva operación 24. Antecedentes En el Lejano Oriente, empezó la historia de los aceites esenciales. Las bases tecnológicas del proceso fueron concebidas y empleadas primariamente en Egipto, Persia y la India. Sin embargo, fue en Occidente donde surgieron los primeros alcances de su completo desarrollo. Los datos experimentales de los métodos empleados, en los tiempos antiguos, son escasos y vagos. Aparentemente, solo el aceite esencial de trementina fue obtenido por los métodos conocidos actualmente, aunque se desconoce exactamente cuál fue. Hasta la Edad Media, el arte de la hidrodestilación fue usado para la preparación de aguas florales. Cuando se obtenían los aceites esenciales en la superficie del agua floral, era desechado comúnmente, por considerarlo un sub-producto indeseado.
3
La primera descripción auténtica de la hidrodestilación de aceites esenciales reales ha sido realizada por Arnold de Villanova (1235(?) – 1311). Quien introdujo “el arte de este proceso” en la terapia europea. Bombastus Paracelsus (1493 – 1541) estableció el concepto de la Quinta Essentia, es decir, la fracción extraíble más sublime y posible técnicamente de obtener de una planta y constituye la droga requerida para el uso farmacológico. La definición actual de aceite “esencial” recae en el concepto desarrollado por Paracelsus. Existen evidencias de que la producción y el uso de los aceites esenciales no llegaron a ser generales hasta la mitad del siglo XVI. El físico Brunschwig (1450 – 1534) menciona sólo 4 aceites esenciales conocidos durante esa época: el de trementina, el del enebro, el del romero y el del espliego. Con la llegada de la máquina de vapor y el uso de calderas de vapor para las industrias manufactureras (s. XIX), la hidrodestilación se convirtió en un proceso industrial a gran escala. Surgieron dos tipos de generadores: los de calor vivo, donde la caldera forma parte del mismo recipiente donde se procesa el material vegetal y trabaja a la temperatura de ebullición atmosférica. Y, las calderas de vapor, las cuales no forman parte del equipo y trabajan en un amplio rango de flujos y temperaturas para el vapor saturado. Se puede afirmar que la hidrodestilación industrial nació en el s. XIX y durante el s. XX, se buscó mejorar los diseños mecánicos de los alambiques, minimizar el alto consumo energético requerido y controlar adecuadamente el proceso
25. Objetivos 25.1. Objetivo general Estudiar el proceso de extracción por arrastre con vapor, para la 25.2.
obtención de aceites esenciales. Objetivos específicos Conocer las aplicaciones del proceso de extracción por arrastre con vapor.
4
Conocer las características del proceso de extracción por arrastre con vapor.
26. Fundamento teórico 26.1. DESTILACIÓN POR ARRASTRE CON VAPOR DE AGUA Los líquidos de alto punto de ebullición no pueden purificarse por destilación a presión atmosférica, puesto que los componentes de la mezcla líquida podrían descomponerse a las temperaturas elevadas que se requieren. Con frecuencia, las sustancias de alto punto de ebullición son casi insolubles en agua; entonces se logra una separación a temperatura más baja por medio de una destilación simple con arrastre de vapor, método que se usa con bastante frecuencia para separar un componente de alto punto de ebullición de cantidades pequeñas de impurezas no volátiles. Si se hierve una capa de agua liquida (A) y un componente inmiscible de alto punto de ebulliclón (B) tal como un hidrocarburo, a 101.3 kPa abs de presión entonces, de acuerdo con la regla de las fases, la Ecuación es, para tres fases y dos componentes, F = 2 - 3 + 2 = 1 grado de libertad Por consiguiente. Si la presión total es fija, el sistema también lo es. Puesto que hay dos fases líquidas, cada una de ellas desarrollará su propia presión de vapor a la temperatura prevaleciente y no puede ser influida por la presencia de la otra. Cuando la suma de las dos presiones de vapor individuales es igual a la presión total, la mezcla hierve y
PA + P B = P Donde, PA es la presión de vapor del agua pura A y PB es la presión de vapor de B puro. Entonces, la composición del vapor es
yA = (PA/P); yB = (PB/P) Mientras estén presentes las dos fases líquidas, la mezcla hervirá a la misma temperatura, produciendo un vapor de composición constante y A.
5
La temperatura se determina mediante las curvas de presión de vapor de A y B. Nótese que en la destilación con arrastre de vapor, mientras haya agua líquida presente, el componente B de alto punto de ebullición se vaporizará a temperatura muy inferior a su punto de ebullición normal sin usar vacío. Los vapores de agua (A) y del componente (B) de alto punto de ebullición suelen recolectarse en un condensador y las dos fases liquidas inmiscibles resultantes se separan. Este método tiene la desventaja de que requiere grandes cantidades de calor para evaporar simultáneamente el agua y el compuesto de alto punto de ebullición. La relación de moles de B destilado a moles de A destilado es
nB PB nA PA La destilación con arrastre de vapor se emplea algunas veces en la industria alimenticia para eliminar manchas contaminantes y sabores de grasas y aceites comestibles. En muchos casos se utiliza destilación al vacío en vez de destilación por arrastre de vapor para purificar materiales de alto punto de ebullición. La presion total es bastante baja, por lo que la presión del vapor del sistema iguala a la presión total a temperaturas relativamente bajas. Es un caso particular de la destilación de mezclas de líquidos inmiscibles,
consiste
esencialmente
en
la
vaporización
a
baja
temperatura de los componentes volátiles de una mezcla por introducción de una corriente directa de vapor de agua. En líquidos inmiscibles entre si, la presión de vapor de cualquiera de los componentes no puede ser modificada por la presencia de otro; ambos ejercen una presión de vapor verdadera a la temperatura predominante. Cuando la suma de las presiones de vapor por separado es igual a la presión total, la mezcla hierve: P PV0 PA0 Donde:
PV0 = presión de vapor de agua PA0 = presión de vapor del compuesto A P = presión total del sistema
6
En la destilación por arrastre con vapor, la vaporización de los componentes volátiles del material de la planta se efectúa a una temperatura disminuida por la introducción de una corriente directa de vapor de agua, que penetra los tejidos del material vegetal y ejerce la doble función de calentar la carga hasta ebullición y disminuir la temperatura de la misma, sumando su presión de vapor a la de los componentes volátiles. Las burbujas de vapor ascienden a través de la carga y escapan por la superficie de la misma con una concentración de componentes volátiles que depende de su presión parcial de vapor en la carga; al mismo tiempo, la vaporización de estos componentes aprovecha el calor generado en la condensación parcial del vapor. Esta mezcla de vapor de agua y material vaporizado luego se condensa; las capas de líquidos no miscibles se separan por gravedad. El rendimiento de vaporización esta relacionado con el carácter de la sustancia destilada, con el espesor del material vegetal (densidad de empaque) por el cual pasan las burbujas de vapor de agua y con el tamaño medio de estas (granulometria). En la actualidad, se puede utilizar cualquier gas portador inerte, pero el vapor de agua normalmente es el mas económico y conveniente 1 tanto para extracciones en el ámbito de laboratorio como a escala industrial. Las destilaciones por arrastre con vapor de agua se llevan a cabo mayormente de modo discontinuo. 26.2. Teoría del Arrastre El interés cuantitativo en el arrastre con vapor de agua es el cálculo de la cantidad de vapor necesaria para separar una determinada cantidad de componente útil en función de la temperatura y de la presión total de destilación. La ecuación fundamental arrastre por vapor de agua se deriva de las leyes de los gases perfectos, según las cuales las presiones de vapor de los componentes de una mezcla gaseosa son proporcionales a los respectivos números de moléculas:
dW PW dB PB
7
Para integrar esta ecuación necesitamos conocer la relación de P W y PB con las restantes magnitudes que intervienen. La presión parcial P B depende de la concentración de B en la carga y puede calcularse en función de B, de la materia inerte, con arreglo a la ley de Raoult. Se deberá tomar en cuenta que la vaporización del componente volátil se efectúa durante el paso rápido del vapor de agua por la carga y, en consecuencia, la presión de vapor de B en la fase gaseosa será menor que la correspondiente al equilibrio a la misma temperatura. Para ajustarnos a esta desviación introducimos el coeficiente de eficacia E, que dependerá de las condiciones de arrastre en el calderín. Siendo PB0 la presión de vapor del componente puro, obtendremos: B PB E * PB0 B 1 PW P PB P E * PB0
B B 1
La presión parcial de agua (que es
constante cuando hay condensación de agua sobre la carga, es igual a la presión de vapor, PW, a la temperatura de la misma) puede expresarse, en cualquier caso, como diferencia entre la presión total y la del componente volátil: Combinando estas ecuaciones, obtenemos la siguiente ecuación diferencial: P P dB dW 1 dB * 0 0 E * PB B E * PB La solución de esta ecuación entre dos estados cualesquiera 1 y 2 da; B P P W 1 B1 B2 * ln 1 0 0 E * PB E * PB B2 W P B1 B2 E * PB0
1 * 1 1 B log
El consumo de moles de vapor de agua por
mol de producto, se puede expresar por medio de la siguiente ecuación:
8
W P PW 1 0 B1 B2 E * PB E * PB0 donde Blog representa la media logarítmica de los números de moles inicial y final del componente arrastrado. Cuando la proporción de materia inerte es pequeña, o bien se trata de una materia insoluble que no afecta la presión de vapor, el termino 1/B1og se hace muy pequeño y el consumo de vapor viene dado por la expresión: Cuando el arrastre se efectúa en presencia de agua, se puede asumir que PW=PW0. Con esta suposición, la ecuación anterior se reduce a: W PW0 B1 B2 E * PB0 26.3. Técnicas de Destilación por Arrastre con Vapor Para la realización de la destilación por arrastre con vapor de agua de las plantas aromáticas, se conocen tres técnicas fundamentales, las cuales se basan en los mismos principios teóricos:
Destilación con agua o hidrodestilación.
Destilación con agua-vapor de agua o hidrodifusión clásica.
Destilación directa con vapor de agua o hidrodifusión moderna. 26.4.
Destilación con Agua o Hidrodestilación
En este proceso el material vegetal se pone en contacto directo con agua en ebullición dentro del alambique. El calor se aplica por los métodos usuales, es decir, fuego directo, camisa de vapor, serpentín de vapor, etc. La característica principal de este método radica en el contacto directo logrado entre el agua hirviendo y la materia prima, por otra parte, permite su libre movimiento, evitando de esta manera que se aglutine y se forme una masa compacta, lo que dificultaría la extracción al no poder penetrar el vapor. Este proceso se emplea con frecuencia para la destilación del aceite de pétalos o material que tiende a aglutinarse.
9
26.5.
Destilación con Agua y Vapor de Agua o Hidrodifusión
Clásica. En este método, el material vegetal se soporta en una placa perforada o una tela metálica insertada a alguna distancia sobre el fondo del alambique. La parte baja del alambique se llena con agua a un nivel algo mas bajo de la placa perforada. El agua se calienta ya sea por fuego directo, a través de una camisa de vapor, o por medio de un serpentín de vapor de agua abierto. Las características típicas de este método son que el material vegetal está siempre en contacto solo con vapor de agua y no con el agua en ebullición. 26.6.
Destilación con Vapor de Agua Directo o Hidrodifusión
Moderna. Este método se asemeja bastante al anterior excepto que no se coloca agua en el fondo del alambique. El vapor se produce en un generador separado del alambique; en algunos casos se introduce vapor sobrecalentado a presiones superiores a la atmosférica, el cual sale por los orificios de un serpentin situado bajo la carga y asciende a través de esta, la que se encuentra soportado por un a rejilla. 26.7.
Diferencias en las Técnicas de Destilación por Arrastre con
Vapor de Agua El empleo de cualquiera de las técnicas anteriormente descritas se puede ajustar o no a los requerimientos del proceso. En tal sentido, es necesario realizar una valoración entre estas técnicas de extracción. La destilación con agua tiene la ventaja de poder procesar material finamente molido, ya que el material vegetal se encuentra suelto en agua en ebullición. Otra ventaja de esta técnica es la facilidad de construcción y puesta en marcha de un equipo en el campo. La principal desventaja es que no se logra una extracción completa, debido a que se llevan a cabo ciertas reacciones, como la hidrólisis de ésteres, la polimerización de sustancias sensibles como aldehidos, ciclizaciones debido a variaciones en el pH y ayudan en la labor de degradación
10
provocada por el calor. Además, la destilación con agua requiere de alambiques de mayor capacidad. En cuanto a consumo de combustible, este es mayor para la destilación con agua. Los constituyentes del aceite de temperatura de ebullición alta y solubles en agua no pueden ser vaporizados
completamente.
Esto
implica
mayor
cantidad
de
combustible, lo que convierte al proceso en poco económico. Por esta raz6n, esta técnica se emplea cuando el material vegetal presenta características que impiden el empleo de otra técnica. La destilación con agua y vapor generalmente es empleada por productores que requieren un equipo portátil. Una ventaja de esta técnica respecto a la anterior es que no existe el peligro de sobrecalentamiento de la muestra. 26.8. Sistemas Inmiscibles Cuando se mezclan dos componentes totalmente inmiscibles entre sí, cada uno de ellos se comporta como si no estuviera en presencia del otro1 de tal modo que las presiones de vapor de ambos componentes, a una temperatura determinada, son iguales a las tensiones de vapor de las sustancias puras a la temperatura en cuestión. De aquí se deduce que la temperatura de ebullición de una mezcla inmiscible es más baja que la de cualquiera de los componentes, siendo independiente de la composición de la mezcla, ya que esta hierve cuando la suma de las presiones de vapor de los componentes puros es igual a la presión que soportan. La composición de los vapores producidos en la ebullición de estas mezclas es constante e independiente de la composición del líquido, recibiendo el nombre de heteroazeatropo. EI hecho de que la temperatura de ebullición de los sistemas inmiscibles sea menor que la de cualquiera de los componentes puros se aplica en la práctica de la destilación por arrastre de vapor, en la que uno de los componentes es el agua. La destilación por arrastre se puede efectuar de dos modos diferentes:
11
a) Calentando la sustancia a arrastrar a expensas del calor latente del vapor de agua, condensándose parcialmente dicho vapor. b) Haciendo pasar vapor de agua a través de la sustancia a arrastrar a la vez que se calienta indirectamente para evitar la condensación del vapor. 26.9.
Generalidades Sobre Los Aceites Esenciales
El término aceite esencial es atribuido a Paracelsus en el siglo 16, quien creía que el aceite extraído de sustancias vegetales constituía la quinta esencia o el quinto principio vital. Estos aceites esenciales fueron usados desde Egipto hasta Grecia ya sea como bálsamos, ungüentos, saborizantes, y para propósitos medicinales [10]. La importancia de los aceites esenciales, con el paso del tiempo fue creciendo y a fines del siglo 19 se constituyeron en una industria floreciente en países como Francia y Estados Unidos, debido principalmente a su uso como saborizantes y en perfumería. Actualmente se conocen más de 3000 aceites esenciales y cientos de ellos están disponibles en forma comercial. Investigaciones a nivel químico establecieron que en las fracciones más volátiles de muchos aceites esenciales había un gran numero de hidrocarburos de formula C10H16 a los que denominó terpenos (del aleman terpentin = trementina). Posteriormente se aislaron compuestos oxigenados que también se incluyeron dentro la clasificación general por lo que la terminación eno (que corresponde a los hidrocarburos) resulto inadecuada y se los llamo terpenoides. 26.10.
Fuentes de Obtención de los Aceites Esenciales.-
La principal fuente de los aceites esenciales son las plantas aromáticas. Los aceites esenciales pueden formarse en los tejidos celulares de las plantas o en celdas especiales, también en glándulas o ductos localizados en varias partes de la planta, como ser en hojas, tallos, raíces, flores, frutos o semillas. El tipo de estructura de los tejidos secretores es una característica de la familia botánica de la especie. El
12
aceite esencial presente en las plantas aromáticas constituye una pequeña fracción del peso de la planta. La cantidad y composición del aceite esencial varia tanto entre las especies de plantas como de las condiciones existentes en su crecimiento, suelo, clima, altitud y otros factores. 26.11.
Usos y Aplicaciones de los Aceites Esenciales.-
Los aceites esenciales han logrado tener una asombrosa y extensa variedad de aplicaciones industriales, pudiendo reunirlas en tres rubros principales: Varios productos industriales extendidos en la alimentación de animales,
insecticidas, pinturas, ceras para pisos; como condimento están presentes en pastelera, confitería, bombonería, carnes, escabeches,
bebidas dulces, licores y muchos productos alimenticios. Como fragancias en cosméticos, perfumes, jabones 1 detergentes1
desodorantes, tabacos, etc. Como productos farmacéuticos aparecen en productos dentales, por su reconocida acción fisiológica son poderosos antisépticos, carminativos, etc., de probado valor medicinal. En conclusión hay escasas industrias que no utilizan estos versátiles productos naturales. 26.12.
Técnicas de Extraccion de Aceites Esenciales.
En la Tabla, se resumen las formas más comunes bajo las cuales se obtienen los aceites esenciales de la planta. El estado de la materia prima, ya sea seco o fresco, molido o intacto, blando o fibroso, pueden afectar en forma significativa el rendimiento, composición y carácter del aceite esencial.
Método de Extracción
Medio Extractante
Producto
Expresión
Presión mecánica
Aceite líquido
Extracción con solventes
Solvente orgánico (baja Teb.)
Semi-sólido
Enfloración
Grasa
Aceite líquido
Licuefacción
Gases (CO2)
Aceite líquido
Destilación con vapor
Vapor (100°C)
Aceite líquido
13
27. Conclusiones se estudió el proceso de extracción por arrastre con vapor para
obtener aceites esenciales. El proceso de extracción por arrastre con vapor se usa en industrias
alimenticias, farmacéuticas, etc. Existen tres tipos de extracion por arrastre con vapor: Destilación con agua o hidrodestilación, Destilación con agua-vapor de agua o hidrodifusión clásica, Destilación directa con vapor de agua o hidrodifusión moderna.
28. Bibliografía http://www.diputaciondevalladolid.es/extras/ma_agricultura_progr amas/actividades_agricolas/tesis_doctoral_hidrodestilacion_de_ac eites_esenciales.pdf
