quÍmica e industri as extractivas
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE SOLUBILIDADES DE LICOPENO EN
DISOLVENTES SUPERCRÍTICOS
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA
PRESENTA
VICTOR HUGO SOTO RUIZ
Director: Dr. Luis Alejandro Galicia Luna.
México, D. F. Junio 2009.
II
A G R A D E C I M I E N T O S
Al Dr. Luis Alejandro Galicia Luna, por su participación en la dirección del presente trabajo de tesis y por el gran apoyo recibido durante de mis estudios de Maestría.
Al Instituto Politécnico Nacional que a través de la Escuela Superior de
Ingeniería Química e Industrias Extractivas me permitió realizar mis estudios de
Maestría.
Al Programa Institucional para la Formación de Investigadores (P.I.F.I.) y al
Programa Institucional de Becas del Instituto Politécnico Nacional, por el apoyo
económico otorgado durante mis estudios de Maestría.
A los miembros del jurado, Dr. Roberto Limas Ballesteros, Dr. Christian
Bouchot, Dra. Tatiana Timoshina Lukianova, Dr. Juan Ramón Avendaño
Gómez, Dr. Octavio Elizalde Solis por sus acertados comentarios que
contribuyeron al mejoramiento de esta tesis.
A mis profesores de Posgrado y Licenciatura por sus enseñanzas y
conocimientos transmitidos durante mis estudios.
A los miembros del área administrativa de la S.E.P.I. - E.S.I.Q.I.E., en especial
a la Sra. Ma. de Lourdes Limón López y el Lic. Agustín Villareal por el apoyo
para realizar los trámites administrativos durante el desarrollo de mis estudios
de posgrado.
A mis compañeros y amigos del laboratorio de termodinámica, Dr. Octavio
Elizalde Solis, Dr. Félix Francisco Betancourt Cárdenas, M. en C. Luis Enrique
Camacho Camacho, Ing. Andrea Rodríguez Calderón, Ing. Sergio Álvarez
Badillo, Ing. Rodolfo Quevedo Nolasco, por los intercambios de ideas, el apoyo
recibido en diferentes momentos del desarrollo de mi trabajo de investigación y
lo más importante su amistad. Gracias a todos los amigos que he conocido
desde que llegue a la ciudad y me han brindado su amistad.
III
D E D I C T O R I A
Este trabajo se lo dedico a Dios por estar siempre conmigo, darme las
oportunidades y la capacidad de aprovecharlas.
A mi mamá Gabriela Ruiz Cabrera, por sus consejos y la educación que
me ha transmitido. A mis hermanos Benjamín y Gabriela quienes siempre
me alentaron a seguir adelante. Este logro no hubiera sido posible sin su
apoyo. Gracias por creer en mí y apoyarme tanto, ¡los amo!
A mis tíos Fernando Javier Olivas Zúñiga y Consuelo Ruiz Cabrera
quienes me han brindado todo el apoyo y comprensión durante el
desarrollo de estudios de Licenciatura y Posgrado. A mis primos,
Fernando Isaac Olivas Ruiz, Javier Aarón Olivas Ruiz y José Daniel
Olivas Ruiz con quienes he pasado tantos buenos momentos juntos.
¡Todavía faltan más carnales!
A mis madres Yolanda Cabrera e Hilda Camacho que siempre me
dijeron: ¡adelante! A toda mi familia y amigos quienes siempre están
conmigo en las buenas y las malas.
I
Í N D I C E
Lista de símbolos y abreviaturas III
Lista de figuras V
Lista de tablas VII
Resumen X
Abstract XII
Introducción XIV
1. Generalidades 1
1.1 Generalidades 1
1.1.1 Carotenoides 1
1.1.2 Características del licopeno 4
1.1.3 Aplicaciones del licopeno 7
1.1.4 Generalidades de los fluidos supercríticos 8
1.1.5 Solubilidad de sólidos en fluidos supercríticos 10
1.1.6 Modelos termodinámicos 11
1.1.7 Métodos experimentales para determinar solubilidades 14
1.2 Antecedentes 18
1.2.1 Extracción de licopeno con disolventes orgánicos 18
1.2.2 Extracción y solubilidades de licopeno en fluidos
supercríticos. 19
2. Metodología y equipo experimental utilizado 23
2.1 Calibración de equipos de medición 24
II
2.1.1 Calibración de termómetros de platino 24
2.1.2 Calibración del transductor de presión 26
2.1.3 Calibración del DAD-HPLC 27
2.2 Equipo experimental utilizado para la determinación de
Solubilidades de sólidos en disolventes supercríticos 36
2.3 Procedimiento experimental 37
2.4 Verificación del método y equipo experimental 39
2.5 Extracción de licopeno de tomates frescos con n-hexano 48
2.5.1 Extracción 49
2.5.2 Reacción de saponificación/cristalización 51
3. Resultados y discusión 53
Conclusiones 61
Recomendaciones 62
Referencias bibliográficas 63
Anexo A : Procedimientos de calibración de aparatos los de
medición 71
Anexo B : Desarrollo de las ecuaciones para el cálculo de las
incertidumbres de las mediciones experimentales 76
III
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
A Área.
A´, B´, C´ Parámetros de ajuste de la ecuación 1. Ac Acido. Amb Relativo al ambiente. C Concentración.
DAD Detector de Arreglo de Diodos. DTV Densímetro de Tubo Vibrante. E.S.I.Q.I.E. Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias
Extractivas. HPLC Cromatografía de líquidos de alta resolución (siglas en
ingles).
I.P.N. Instituto Politécnico Nacional. bm, Parámetros de ajuste de calibración del DAD.
min Minutos.
MS-T Méndez Santiago y Teja.
p Peso.
P Presión.
PM Peso molecular.
Pv Presión de vapor.
R Constante universal de los gases.
Ref Referencia.
T Temperatura.
V Volumen.
vis Visible.
Vol Volumen.
y Fracción molar de la fase fluida.
IV
Subíndices 1 Disolvente.
2 Soluto.
Sol Sólido.
c Critico.
Eb Ebullición.
FF Fase fluida.
Fsc Fluido supercrítico
Letras griegas
φ Coeficiente de fugacidad. σ Desviación estándar.
λ Longitud de onda.
ρ Densidad.
ω Factor acéntrico.
V
LISTA DE FIGURAS
Fig.1. Estructura química de los carotenoides. 3
Fig. 2. Isómeros geométricos de licopeno. 6
Fig. 3. Diagrama de fases para una sustancia pura. 8
Fig. 4. Clasificación de los métodos experimentales para determinar
el equilibrio de fases. 14
Fig. 5. Sistema de calibración de temperatura 25
Fig.6. Sistema de calibración de presión 26
Fig. 7. Cromatograma HPLC de capsaicina estándar. 29
Fig. 8. Curva de calibración con estándar de capsaicina. 30
Fig. 9. Residuales de la calibración con capsaicina. 30
Fig. 10. Cromatograma HPLC con paracetamol estándar. 31
Fig. 11. Curva de calibración con paracetamol estándar. 32
Fig. 12. Residuales de la calibración con paracetamol. 32
Fig. 13. Cromatograma HPLC con licopeno estándar 33
Fig. 14. Curva de calibración con licopeno estándar 34
VI
Fig. 15. Residuales de la calibración con licopeno. 35
Fig. 16. Diagrama del equipo de medición de solubilidades. 36
Fig. 17. Solubilidades de capsaicina en CO2 supercrítico a 313 K. 42
Fig. 18. Solubilidades de capsaicina en CO2 supercrítico a 318 K. 43
Fig. 19. Correlación MS-T de la solubilidad de capsaicina en CO2
supercrítico. 44
Fig. 20. Solubilidades de capsaicina en CO2: datos experimentales y
calculados con el modelo MS-T 44
Fig.21. Solubilidades de paracetamol en CO2 supercrítico a 313 K 45
Fig. 22. Correlación de la solubilidad de paracetamol en CO2
supercrítico con el modelo MS-T 47
Fig. 23 Solubilidades de paracetamol: datos experimentales y
calculados con el modelo MS-T 47
Fig. 24. Diagrama de bloques para extracción de licopeno de
tomates frescos. 48
Fig. 25. Secado de tomates 49
Fig. 26. Equipo de evaporación 50
Fig. 27. Cromatogramas de licopeno: (A) de reactivo estándar y (B)
extracto de tomate 52
Fig. 28. Solubilidades de licopeno en CO2 supercrítico: datos
experimentales y de literatura 54
Fig. 29. Correlación MS-T de la solubilidad de licopeno en CO2 56
VII
Fig. 30. Solubilidades de licopeno en CO2: datos experimentales y
calculados con el modelo MS-T 57
Fig. 31. Correlación MS-T de la solubilidad de licopeno en propano
supercrítico 59
Fig. 32. Solubilidad de licopeno en propano supercrítico 59
Fig. A1. Calibración del transductor de presión 74
Fig. A2. Residuales entre la presión de referencia y la presión
calculada 74
VIII
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Propiedades de licopeno 5
Tabla 2. Extracción de licopeno con disolventes orgánicos 18
Tabla 3. Extracción con CO2 supercrítico 20
Tabla 4. Solubilidades de licopeno en CO2 supercrítico. 21
Tabla 5. Identificación de licopeno reportado en literatura por HPLC 22
Tabla 6. Pureza de los reactivos utilizados en este trabajo 23
Tabla 7. Pureza de los disolventes utilizados como fase movil en la
identificación por HPLC 28
Tabla 8. Desviación estándar en las calibraciones del DAD-HPLC 28
Tabla 9. Sistemas medidos para la verificación de la metodología y
el equipo experimental. 40
Tabla 10. Ajuste de los parámetros A´, B´ y C´ y desviación absoluta
promedio del modelo con los datos experimentales. 40
Tabla 11. Solubilidades de capsaicina en CO2 a 313 K 41
Tabla 12. Solubilidades de capsaicina en CO2 a 318 K 43
Tabla 13. Solubilidades de paracetamol en CO2 48
Tabla 14. Sistemas estudiados en la determinación de solubilidades 53
IX
Tabla 15. Ajuste de los parámetros A´, B´ y C´ y desviación absoluta
promedio del modelo con los datos experimentales de
licopeno
54
Tabla 16. Solubilidades de licopeno en CO2 55
Tabla 17. Solubilidades de licopeno es propano supercrítico. 58
X
R E S U M E N
En este trabajo se determinó la solubilidad del licopeno (obtenido
del tomate) en propano y CO2 supercríticos a diferentes condiciones de
temperatura y presión. El licopeno se encuentra presente en vegetales,
frutas rojas y principalmente en el tomate. Este compuesto es un
carotenoide empleado en la industria alimenticia, cosmética y
farmacéutica, además favorece la salud del ser humano. Esta
contribución aporta información básica para el desarrollo del proceso de
extracción de licopeno con fluidos supercríticos.
Las mediciones de las solubilidades se realizaron en un equipo
basado en el método dinámico-analítico. El equipo está conformado de
una celda de equilibrio visual (50 cm3) fabricada en acero inoxidable
316L que opera hasta 30 MPa y 473 K. La celda está acoplada a una
válvula de seis vías, la cual envía muestras en línea de la fase fluida
saturada con sólido (licopeno) hacia un cromatógrafo de líquidos HPLC.
La cantidad del sólido presente en la fase fluida (solubilidad) es
cuantificada en el HPLC.
La metodología experimental utilizada en este aparato para la
determinación de solubilidades de sólidos en fluidos supercríticos, se
verificó comparando los resultados obtenidos con los datos reportados en
la literatura. Para este propósito se estudiaron las solubilidades de
capsaicina y paracetamol en dióxido de carbono supercrítico.
El método propuesto por Ausich y Sanders [patente 5858700, E.U,
1999] para la obtención de licopeno a partir del tomate se adecuó y
modificó; esto se realizó debido a que un gramo de licopeno grado
reactivo, con 98% de pureza tiene un costo muy elevado. Con esta
XI
técnica se obtuvieron 5 gramos de este compuesto con una pureza de
80% determinada mediante análisis en HPLC. El licopeno extraído del
tomate se utilizó para el estudio de solubilidades de este compuesto en
CO2 y propano supercríticos.
La solubilidad del licopeno en CO2 supercrítico se determinó a las
temperaturas de 313 y 323 K y presiones de 10 a 23 MPa; a estas
condiciones las solubilidades se encuentran entre 1.5x10-9 y 6.1x10-7 mol
de licopeno/mol de CO2. En el caso de la solubilidad del licopeno en
propano supercrítico, el intervalo de solubilidades es de 4.3x10-5 a
9.2x10-5 mol de licopeno/mol de propano a condiciones de 378 y 398 K
en el intervalo de 5 a 23 MPa.
A partir de los resultados de solubilidad de licopeno en fluidos
supercríticos se establece que el propano es mejor disolvente que el
CO2. La ecuación propuesta por Méndez-Santiago y Teja (MS-T) [Fluid
Phase Equilibria, 158-160, 1999, 501-510] se utilizó para verificar la
consistencia interna de los datos obtenidos en este trabajo.
XII
A B S T R A C T
In this work, the solubility of lycopene from tomato in supercritical
propane and CO2 were determined at different temperatures and
pressures. Lycopene is present in vegetables, red fruits and mainly in
tomatoes. This compound is a carotenoid used in food, cosmetic and
pharmaceutical industry; moreover it participates in human health. This
contribution provides basic data for the development of the supercritical
fluid extraction process of lycopene.
The solubility measurements were developed in an apparatus
based on the dynamic-analytic method. This device consist of a visual cell
(50 cm3) made of stainless steel 316L to operate up to 30 MPa and 473
K. The cell is connected to a six-way valve to send on-line samples of the
solid (lycopene) saturated fluid phase to a liquid chromatography (HPLC).
The experimental methodology used in this apparatus for the
determination solid solubilities in supercritical fluids was tested by
comparing the obtained results with respect to the literature data.
Therefore, the solubilities of capsaicin and acetaminophen in supercritical
carbon dioxide were studied.
The technique proposed by Ausich and Sanders [patent 5858700,
US, 1999] to obtain lycopene from tomato was adapted and modified; this
was done because of the very high cost of 13 milligram of lycopene
standard with 98% of purity. From this technique, 5 grams of this
compound were obtained with a purity of 80% estimated by HPLC
analysis. Lycopene from tomato was used for studying the solubilities of
lycopene in supercritical CO2 and propane.
XIII
The solubility of lycopene in supercritical CO2 was measured at the
temperatures of 313 and 323 K, and pressures from 10 to 23 MPa. At
these conditions the solubilities are between 1.5x10-9 and 6.1x10-7 mol of
lycopene/mol of CO2. In the case of the solubility of lycopene in
supercritical propane, the solubility range is from 4.3x10-5 to 9.2 x10-5 mol
of lycopene/mol of propane at 378 and 398 K, and from 5 to 23 MPa.
From the experimental results for the solubility of lycopene in
supercritical solvents is concluded that propane is a better solvent than
CO2. The equation proposed by Mendez-Santiago and Teja (MT-S) [Fluid
Phase Equilibria, 158-160, 1999, 501-510] was used to verify the internal
consistency of the obtained data.
XIV
I N T R O D U C C I Ó N
En México se tiene un exceso de producción en los cultivos de
tomate (licopersicum esculentum), como consecuencia las propias
organizaciones de productores proceden a retirar coordinadamente parte
de la producción (tirándose miles de toneladas de tomate). De esta
manera se evita la saturación del mercado y la baja de precios [1,2]. En
base a lo anterior se podría proponer el uso del excedente de producción
en lugar de tirarlo y así aprovechar al máximo este producto en la
extracción de licopeno.
Por otra parte, existen carotenoides obtenidos sintéticamente que
se utilizan como suplemento alimenticio, sin embargo son diferentes a los
carotenoides naturales ya que no son metabolizados por el cuerpo de
manera eficiente. Por lo tanto es necesario obtener estos compuestos a
partir de fuentes naturales[3].
Actualmente, la extracción de productos naturales a partir de frutas
o vegetales se realiza utilizando disolventes en fase liquida (hexano, éter
de petróleo, alcoholes, entre otros), sin embargo el producto final se
encuentra contaminado del disolvente. Los resultados obtenidos en esta
tesis formarán parte de la información básica para desarrollar un proceso
de extracción de licopeno del tomate usando fluidos supercríticos. Este
tipo de fluidos tienen la ventaja de que se puede separa fácilmente el
producto final del disolvente.
Para el desarrollo y optimización de un proceso de extracción de
productos naturales utilizando fluidos supercríticos se necesitan datos
experimentales y modelos termodinámicos. La medición de solubilidades
XV
de licopeno en disolventes supercríticos es importante para aplicar y
comprobar la precisión de éstos modelos.
El objetivo de este trabajo es la determinación experimental de las solubilidades de licopeno en propano y licopeno en CO2. Ambos fluidos se utilizaron a condiciones supercríticas con la finalidad de comparar la capacidad de disolver al licopeno y de esta manera definir el mejor disolvente a las condiciones de temperatura y presión reportadas.
El motivo principal por el cual se utilizó propano se debe a que el
licopeno es un caroteno soluble en alcanos y otras sustancias no polares.
En el caso del CO2, es el fluido supercrítico más empleado como
disolvente porque es relativamente inerte, barato, no tóxico, reciclable e
inflamable, además que sus propiedades críticas pueden ser alcanzadas
fácilmente comparado con otros disolventes.
Para una mejor descripción del presente trabajo, se distribuyó en
cuatro secciones principales:
En el capítulo 1 se presenta las características y propiedades de
licopeno así como sus aplicaciones. También se incluye el tema de la
solubilidad, características y generalidades de los fluidos supercríticos,
modelos termodinámicos y métodos experimentales para la
determinación de solubilidades en fluidos supercríticos. Posteriormente
se describe la información encontrada en bibliografía con respecto a los
fluidos supercríticos aplicados al licopeno.
XVI
En el capítulo 2 se describe el procedimiento experimental llevado
a cabo en las calibraciones y en la determinación de las solubilidades.
También se detalla el equipo utilizado, las características de los reactivos
empleados y la metodología experimental para determinar las
solubilidades de sólidos en disolventes supercríticos.
Los resultados y análisis de datos se presentan en el capítulo 3,
así como las comparaciones de los datos obtenidos en esta tesis con los
publicados en la literatura, además se reportan las correlaciones de los
datos obtenidos experimentalmente.
Por último se presentan las conclusiones y recomendaciones en
base a los resultados obtenidos, además las referencias bibliográficas
consultadas para sustentar el presente trabajo.
- 1 -
Capítulo 1.
GENERALIDADES
1.1 GENERALIDADES
En esta sección se dan conceptos, características y propiedades para ubicar el
tema de esta tesis e introducirlo de manera general. Además se describen, las
propiedades físico-químicas y la estructura química de los carotenoides; particularmente
del licopeno con la finalidad conocer las características del licopeno relacionadas a sus
usos y funciones.
Debido a que los experimentos que se realizaron en este trabajo son a
condiciones supercríticas del disolvente, se trataran tópicos relacionados a los fluidos
supercríticos y las características que los hacen útiles como disolventes en procesos de
extracción. También se discute la definición de solubilidad desde el punto de vista
termodinámico con relación a los fluidos supercríticos y el efecto al modificar sus
condiciones de temperatura y presión.
1.1.1 CAROTENOIDES
Los carotenoides son los pigmentos más abundantes en la naturaleza, existen
más de 600 especies, pero sólo 20 están presentes en el cuerpo humano y entre los
más importantes se encuentran el β-caroteno, licopeno y luteína [4].
Estas sustancias brindan los llamativos colores naranja, amarillo, rojo y púrpura a
algunas plantas y animales [5]. Estos se pueden dividir en dos principales grupos [6,7]:
Carotenos: cadenas lineales o cíclicas de polienos. Se encuentran ه
hidrocarbonados y aportan la coloración rojiza o anaranjada, principales
- 2 -
precursores de la vitamina A (transformación que ocurre en el hígado e
intestino delgado).
.Xantofilas: carotenos con grupos funcionales –OH y =O ه
Con funciones oxigenadas dotan de la coloración amarillenta, actuando
como protectores frente a la radiación solar.
Los carotenoides se constituyen por 8 unidades de isopreno, su estructura
principal contiene 22 carbonos (tetraterpeno simétrico y lineal [7]) y al final de sus dos
extremos 9 carbonos adicionales en cada una, con arreglos diferentes [6]. La estructura
química de algunos carotenoides y su clasificación se presenta en la Figura 1.
Entre las múltiples funciones de los carotenoides, además de dar pigmentación,
se encuentra su gran poder antioxidante, por lo que algunas industrias se interesan en
usarlos, también existen estudios donde se demuestra que son precursores de la
vitamina A [8-13].
Se ha comprobado que los carotenoides tienen otro beneficio en la salud del
cuerpo humano, puesto que tienen la capacidad de inhibir el crecimiento de ciertas
células cancerígenas y ayudar a combatir o prevenir otras enfermedades [12,14-17], como
arterogenesis, descalcificación de huesos, degeneración de ojos y daños neuronales.
Por las razones expuestas anteriormente se ha incrementado el uso de estas
sustancias extraídas a partir de productos naturales [18].
Los carotenoides son liposolubles y solubles en otros disolventes como el
cloroformo, acetona, dietileter, etc. Los carotenos son muy solubles en disolventes no
polares, y las xantofilas se disuelven mucho más en disolventes polares. Los
carotenoides son sólidos a temperatura ambiente y pueden cristalizarse en diversas
formas coloridas desde rojo hasta violeta oscuro [19].
- 3 -
Fig.1. Estructura química de los carotenoides, el recuadro punteado en el β-caroteno
encierra los 22 carbonos de la estructura principal, la cual es común en todos los
carotenoides [6].
Los carotenoides pueden absorber específicamente la luz en las regiones
ultravioleta (UV) y visible del espectro de absorción, por lo que pueden ser identificados
en un intervalo de longitud de onda (λ) de 420 – 510 nm y por ende cada carotenoide
tiene un espectro de absorción característico.
- 4 -
Los carotenoides se degradan por una oxidación química al contacto con
oxígeno, ozono, permanganato alcalino, ácido crómico. Los subproductos resultantes
dependen de la ubicación en que ocurre el ataque.
Debido a la combinación espontánea con oxígeno del aire a temperatura
ambiente los carotenoides experimentan auto-oxidación en presencia de oxígeno
desarrollando un proceso en cadena de radicales libres tanto en solución como en
forma cristalina. Factores como temperatura, luz, humedad y algunos metales estimulan
dicho proceso.
La foto-oxidación es el blanqueado por oxidación a causa del oxígeno en el aire;
el α- y β- caroteno se degradan más rápido que el licopeno.
Como se puede observar en la Figura 1 dentro de la clasificación de los
carotenoides, el licopeno se encuentra en el conjunto de los carotenos. En la siguiente
sub-sección se describirán las características de esta sustancia.
1.1.2 CARACTERÍSTICAS DEL LICOPENO
El licopeno es un caroteno que se encuentran en el tomate en mayor
concentración (70-80%) [3], también se encuentra en otras frutas y vegetales rojos,
como la sandia, toronja rosada, papaya, guayaba, chabacano [16,17]. Esta sustancia
aporta desde un color rojo brillante a rosado, según la cantidad que contengan. Además
de recolectar la energía de la luz y ser un protector contra el daño que esta puede
causar, también es uno de los carotenoides antioxidantes más potentes, incluso mayor
que el β-caroteno [20,21].
El licopeno es uno de los carotenos más comunes en el cuerpo humano [16] y
brinda una aportación muy importante en su salud [18]. En estudios recientes se
relaciona a este compuesto con la disminución en el riesgo de contraer cáncer
- 5 -
(especialmente en la próstata) y otras enfermedades [16,17, 20-23]. En la siguiente sección
se presentarán más aplicaciones y usos del licopeno.
Tabla 1. Propiedades fisicoquímicas de licopeno
Propiedad Referencia
Formula C40H56 [6]
PM 536.87 g/gmol [26]
Tfusión 446.38 K [27]
Color Rojo [16,17,21-23]
Estado físico
(condiciones amb.) Sólido [26]
Nombre químico
por su estructura
2,6,10,14,19,23,27,31-octametil-
2,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,30-
dotriacontatridecano
[24]
Otros nombres psi-caroteno, Rhodopurpurin
TEb. 740.173 K *
TC 897.398 K *
PC 0.3278 MPa *
VC 1.609 cm3/mol *
ω 1.7284 *
ρ liq. (20 °C) 0.8943 g/cm3 **
* Estas propiedades fueron calculadas por el método de contribución de grupos de Constantinou y
Gani [28] para tener un valor aproximado de su comportamiento. Estas propiedades no se encuentran
reportadas en la literatura, posiblemente porque la molécula se descompone por debajo de su
temperatura de ebullición.
** Se utilizó el método de contribución de grupos de Elbro [28] para predicciones de densidad de
liquido como función de la temperatura.
- 6 -
El licopeno es un terpeno formado por ocho isoprenos, es decir, es un caroteno
acíclico que tiene 13 dobles enlaces conjugados [17] causantes de la coloración roja.
Cada doble enlace reduce la energía requerida para que los electrones lleguen a
niveles de transición de mayor energía, por lo que la molécula atrapa la luz visible de
longitudes de onda más largas (400-500 nm [24]), absorbiendo la mayor parte del
espectro visible observándose de coloración rojiza [16].
Fig. 2. Isómeros geométricos de licopeno [31,32].
- 7 -
La mayor fuente de licopeno en la dieta del ser humano es el tomate, en donde
su concentración puede ser de 50 mg/kg o mayor. Investigaciones recientes [25] han
evaluado el contenido nutrimental del jugo de tomate, y determinado que del 72 al 92%
del licopeno en el tomate se encuentra en la fracción insoluble en agua y en la cáscara.
En la tabla 1 se presentan algunas propiedades físico-químicas de licopeno.
Por otro lado, en la revisión bibliográfica se encontraron reportados el efecto de
la temperatura en el licopeno y se puede observar que a temperaturas menores a 343
K, la temperatura no afecta en lo absoluto al isómero del licopeno que se encuentra de
forma natural (trans-licopeno). El efecto de la temperatura provoca la conversión de
trans-licopeno a los isómeros cis, los cuales son mejores en cuanto a la aplicación a
nivel industrial de este compuesto [29,30]. En la figura 2 se muestran los diferentes
isómeros geométricos del licopeno.
1.1.3 APLICACIONES DEL LICOPENO
El licopeno es un compuesto que, se utiliza ampliamente a nivel industrial [29,30]
como colorante debido a su fácil impregnación en superficies porosas. Algunas de las
aplicaciones de este compuesto a nivel industrial son:
• En la industria alimenticia: se usa como colorante y antioxidante en
alimentos como el yogurt, queso, pan, y cereales [29,30].
• En la industria farmacéutica: es suplemento alimenticio y también tiene
aplicaciones en la fabricación de medicinas [29,30].
• En la industria cosmética: como pigmento; en bloqueadores solares y
cremas para el cuidado de la piel [29,30].
También existen estudios que muestran que con una cuidadosa oxidación
selectiva de licopeno (ozonización), se puede obtener ácido levulínico [33], el cual es
usado en la manufactura de nylon, gomas sintéticas, plásticos y fármacos [16].
Asimismo, este ácido se usa en cigarrillos para incrementar la nicotina en el humo y
tener una mejor unión de esta con los receptores neuronales [34].
- 8 -
Además esta sustancia se ha relacionado con la disminución, control y
prevención de diversos tipos de cáncer, principalmente en próstata, boca, colon,
estómago, tracto digestivo y enfermedades como osteoporosis, problemas
cardiovasculares, infertilidad del hombre, así como en la regulación del sistema
inmunológico [29]. Estas capacidades se deben a su poder antioxidante, debido a que es
capaz de prevenir la oxidación de proteínas de baja densidad [35] y el poder reaccionar
con los radicales libres que atacan a las células [1,2,4,5,36].
1.1.4 GENERALIDADES DE LOS FLUIDOS SUPERCRÍTICOS
En este trabajo se utilizaron fluidos supercríticos como disolventes para la
determinación de solubilidades de licopeno. En el diagrama de fases de la Figura 3 se
ilustra gráficamente la definición de fluido supercrítico para una sustancia pura, este
fluido se encuentra a condiciones de presión y temperatura mayores a las críticas.
Como en esta región no se puede distinguir entre líquido y gas, se les llama de manera
general fluidos [37].
Fig. 3. Diagrama de fases para una sustancia pura.
Las propiedades volumétricas, termodinámicas y de transporte de los fluidos
supercríticos se encuentran entre las propiedades de líquido y gas. Estas propiedades
aportan características muy útiles como disolventes a los fluidos supercríticos para su
T
REGION SUPERCRITICA
LIQUIDO
GAS
SÓLI
DO
PUNTO CRITICO
PUNTO TRIPLE
P
Pc
Tc
- 9 -
utilización en extracciones. La densidad de estos fluidos, parecida a la de un líquido, les
da la capacidad de ser disolventes adecuados para extracción; su relativamente baja
viscosidad y alta difusividad, parecida a la de un gas, le facilita la penetración en el
soluto [38].
Una ventaja más del uso de los fluidos supercríticos, es que se pueden modificar
sus propiedades drásticamente, con pequeños cambios en la temperatura y en la
presión o con la adición de un codisolvente para aumentar la selectividad con respecto
al soluto de interés.
Otro aspecto importante de los disolventes supercríticos más usados a nivel
industrial, es su fácil manejo y disponibilidad [39]. Además, son materiales que no
afectan el medio ambiente y se usan cerca de la temperatura ambiental y en ausencia
de aire, lo cual reduce el riesgo de un daño por oxidación a los compuestos a extraer y
disminuye los altos costos energéticos [6]. Ejemplos de estos son el dióxido de carbono,
agua y propano.
El CO2 es el fluido supercrítico más empleado como disolvente porque es
relativamente inerte, barato, no tóxico, reciclable e inflamable, además que sus
propiedades críticas ( cP = 7.374 MPa y cT = 304.12 K) pueden ser alcanzadas
fácilmente comparado con otros disolventes.
Para el desarrollo de un proceso de separación es necesario conocer el
comportamiento de las fases involucradas en el sistema. La solubilidad es uno de los
parámetros más importante en el desarrollo de un proceso de extracción por fluidos
supercríticos, ya que con estos datos es posible determinar aproximadamente las
condiciones a las cuales se puede llevar a cabo la separación del compuesto deseado o
bien evitar regiones donde se presenten comportamientos multifásicos.
- 10 -
1.1.5 SOLUBILIDAD DE SÓLIDOS EN FLUIDOS SUPERCRITICOS
Como se mencionó anteriormente, la solubilidad es una variable importante para
el desarrollo de procesos de extracción, por lo que a continuación se describen algunas
de sus características.
La solubilidad en fase supercrítica es la fracción mol de soluto en la fase fluida y
teóricamente está dada por:
( )
−=
RTPvPv
PφPvy
s22
2
22 exp (1)
Donde 2Pv es la presión de vapor del sólido, s2v es el volumen molar del sólido,
2φ es el coeficiente de fugacidad del sólido en la fase gaseosa [38].
Hablando de disolventes supercríticos existe un límite en la cantidad de soluto
que puede contener la mezcla disolvente + soluto. Se define la solubilidad como la
cantidad máxima de soluto que puede tener una mezcla homogénea de disolvente
supercrítico + soluto [40]. La capacidad del disolvente depende de la densidad, la cual es
función de la temperatura y de la presión [40].
En los últimos años se han desarrollado muchas investigaciones a nivel
académico e industrial con fluidos supercríticos [40]. El uso de los fluidos supercríticos
como disolventes se debe al comportamiento de su solubilidad, Luque de Castro et.
al.[38] lo resume de la siguiente manera:
• En general la solubilidad aumenta con el incremento de la densidad del
disolvente. La densidad aumenta con el incremento de la presión.
• El incremento es mayor cerca del punto crítico del fluido supercrítico como
resultado del cambio drástico en la densidad del disolvente.
- 11 -
• La solubilidad aumenta, permanece constante o bien disminuye con el
incremento de la temperatura a presión constante, dependiendo de que el
factor dominante sea la presión de vapor del soluto o la densidad del
disolvente.
• A presiones bajas la densidad disminuye con la temperatura; por el
contrario a presiones altas se incrementa marcadamente con la
temperatura.
• Existen variaciones en la solubilidad dependiendo del peso molecular del
soluto cuando se tienen compuestos de estructura molecular similar.
En base al último resultado del comportamiento de los fluidos supercríticos, se
propuso el uso de propano como disolvente en este trabajo, debido a que no presenta
polaridad en su molécula y es un compuesto hidrocarbonado al igual que el licopeno.
1.1.6 MODELOS TERMODINÁMICOS
Se han propuesto diferentes modelos para correlacionar y/o predecir la
solubilidad de sólidos en disolventes supercríticos [37,41,42]. Estos modelos están
basados en métodos empíricos que usan la densidad del disolvente o el parámetro de
solubilidad. La relación que tiene la solubilidad del sólido 2y (en términos de fracción
molar) y la densidad está básicamente representada por la siguiente ecuación empírica:
BAy += 12 lnln ρ (2)
donde A y B son constantes.
Por otra parte, la relación entre 2y y el parámetro de solubilidad del disolvente 1δ está
representada por:
FDCy ++= 12
12log δδ (3)
- 12 -
donde C , D y F son constantes. Las ecuaciones empíricas pueden ser aplicadas a la
predicción de solubilidades siempre y cuando se conozcan la densidad del disolvente o
el parámetro de solubilidad. Sin embargo, los parámetros en ambas ecuaciones no
tienen un significado físico claro y por consecuencia sería difícil aplicar las ecuaciones
empíricas a sistemas desconocidos.
En cálculos de equilibrio de fases, en específico la solubilidad, es frecuente el
uso de ecuaciones de estado. Para el caso de solubilidades de sólidos en fluidos
supercríticos, se han utilizado ecuaciones de tipo van der Waals [41], por ejemplo,
Soave-Redlich-Kwong [44] y Peng-Robinson [45].
Los cálculos con ecuaciones de estado, no proporcionan resultados
satisfactorios si se usan ecuaciones de estado cúbicas [46], para sistemas solido + fluido
supercrítico. También, cabe señalar, que este tipo de modelos, utilizan ciertas
propiedades de sustancias puras, que en muchas ocasiones no están disponibles para
solutos sólidos, como las propiedades críticas, volúmenes molares y presiones de
sublimación, factor acéntrico, entre otros.
Otro método para la representación de solubilidades es mediante la correlación
de datos experimentales de la solubilidad contra la densidad del disolvente. Algunos
ejemplos de este tipo de correlaciones son las propuestas por Mendez-Santiago y Teja [41], Chrastil [47], Dobbs y Johnston [46], Yau y Tsai [49], entre otros. Este tipo de modelos
en su mayoría son empíricos de forma logarítmica y lineal.
Para este trabajo se eligió el modelo de Mendez-Santiago y Teja [41] (MS-T),
debido a que los datos de solubilidad de licopeno en CO2 supercrítico reportados en la
literatura [6] están correlacionados con este modelo. Además este modelo no necesita
propiedades críticas, presiones de sublimación o factor acéntrico del sólido. Este
modelo expresado de manera lineal simple se fundamenta en la teoría de disoluciones
diluidas y se usa para verificar la consistencia interna de los datos obtenidos así como
para comprobar su precisión.
- 13 -
Las solubilidades de sólidos en disolventes supercríticos que son de interés en
este trabajo (licopeno, capsaicina, paracetamol), se encuentran reportadas en la
literatura[13,41,50,51] y están correlacionadas con el modelo MS-T. Estas correlaciones
sirven para comparar los resultados obtenidos con los publicados por otros autores.
El modelo MS-T correlaciona el logaritmo del factor de incremento de solubilidad,
E, contra la densidad del disolvente, ρ, mediante la expresión:
ρBAET +=ln (4)
satPPyE
2
2= (5)
La ecuación (4) se simplifica con una relación de tipo Claussius-Clapeyron
cuando no se tiene disponible la presión de sublimación, satP2 del sólido en el intervalo
de temperatura experimental:
( ) TCBAPyT ′+′+′= 12ln ρ (6)
Donde los parámetros A’, B’, C’ son independientes de la temperatura y presión.
Mendez-Santiago y Teja [41] aplicaron su modelo propuesto para correlacionar
diferentes sistemas de solubilidad de sólido en CO2 supercrítico. Como resultado
encontraron que las desviaciones absolutas promedio (AAD) oscilan entre 3% y 40%.
Las variaciones indican la precisión y consistencia interna de los datos. Los datos con
mayores desviaciones son menos precisos.
La consistencia interna de los datos está determinada por la desviación absoluta
promedio (AAD):
Nd
100*
(%)
Nd
1i 2
22
exp
calexp∑=
−
=y
yy
AAD (7)
- 14 -
Donde exp2y y
cal2y son las solubilidades experimental y calculada del sólido en
fracción molar, respectivamente y Nd es el número de datos experimentales.
Al comparar la tendencia lineal del modelo comparado con los datos
experimentales se verifica la consistencia interna de los datos. Esta correlación es
válida para un amplio intervalo de temperaturas y está limitado solo por densidades
menores a la mitad de la densidad crítica del disolvente.
1.1.7 METODOS EXPERIMENTALES PARA DETERMINAR SOLUBILIDADES
En esta sección se presentan los métodos experimentales de solubilidades de
sólidos, líquidos y gases en disolventes con el objetivo ubicar el método experimental
utilizado en este trabajo de investigación.
Para la determinación experimental de equilibrio de fases existen diversos métodos.
Estos se dividen ya sea según la forma de alcanzar el equilibrio o en la forma de
medición de composición en el equilibrio [52-54]. En la figura 4 se presenta un esquema
de la clasificación de los métodos experimentales para la determinación de equilibrios
de fases.
Fig. 4. Clasificación de los métodos experimentales para medir el equilibrio de fases[37].
Form
a de
alc
anza
r el
equi
librio
Estático
Dinámico
Celda de volumen constante Celda de volumen variable
Recirculación Semi-flujo Flujo continúo
Med
ició
n de
co
mpo
sici
ón e
n el
eq
uilib
rio Analítico
Sintético
- 15 -
En la medición de solubilidades de sólidos en fluidos supercríticos sólo se
determina la composición de la fase fluida. El método más frecuentemente utilizado es
de tipo dinámico [37,39, 42] debido a las ventajas que presenta, las cuales se describen
más adelante.
Método estático: En este método, el sólido y el disolvente supercrítico se
introducen a la celda de equilibrio, se agita el sistema hasta alcanzar el equilibrio entre
las dos fases iníciales a temperatura constante. La composición de la fase fluida se
cuantifica después de llegar al equilibrio. Esto se realiza mediante el análisis de las
muestras de la fase en estudio dentro de un equipo analítico [54-56].
Las ventajas de este método son [39, 42]:
• El equilibrio de fases se determina visualmente.
• Las transiciones de fase (que se determinan visualmente) y las inversiones de
fase se pueden detectar fácilmente.
• Las solubilidades de los sólidos y líquidos en mezclas binarias se conocen sin
tener que realizar muestreo.
• Pueden estudiarse polímeros, líquidos o sólidos pesados.
• Se necesitan pequeñas cantidades de disolvente y soluto en cada experimento.
• La presión de la mezcla puede ajustarse continuamente a una composición y
temperatura fijas.
• Se pueden tomar muestras cuando se trabaja con mezclas multicomponentes.
Las desventajas son [39, 42] :
• Determinar la solubilidad del sólido en el fluido supercrítico puede tomar mucho
tiempo.
Método dinámico: La condición de equilibrio de fases se favorece mediante la
recirculación de la fase fluida, los más representativos son:
- 16 -
Recirculación, en el cual se utiliza una bomba para recircular la fase supercrítica
y forzarla a tener contacto con el sólido contenido en la celda, hasta alcanzar el
equilibrio y saturar al disolvente con el sólido. Después se muestrea la fase fluida para
cuantificar su composición.
Semi-flujo, el disolvente fluye dentro de una celda de equilibrio empacada con
sólido a la presión y temperatura de estudio con flujo constante. El disolvente sale de la
celda y se expande en una trampa adecuada donde el sólido precipita. La solubilidad se
determina con la cantidad de sólido que hay en la trampa y la cantidad de disolvente
que pasa por un medidor de flujo.
Las ventajas de estos tipos de sistemas de flujo son [39, 42] :
• Se utiliza un procedimiento de muestreo directo.
• Pueden obtenerse muchos datos de solubilidad rápidamente y con
reproducibilidad aceptable.
• Pueden obtenerse datos de equilibrio.
Las desventajas son [39, 42] :
• El soluto puede bloquear la válvula milimétrica y provocar errores en la medición
de solubilidades.
• El arrastre del soluto no disuelto en la fase rica en disolvente supercrítico es
posible a altas velocidades de flujo del segundo.
• Pueden ocurrir cambios de fase que no se detecten.
• Las altas presiones pueden ocasionar que la densidad de la fase rica en fluido
supercrítico sea mayor que la densidad de la fase líquida rica en soluto. Esto
provoca que la fase del disolvente desplace al soluto de las columnas de
equilibrio, generando valores erróneos de solubilidad.
• Se deben diseñar cuidadosamente los experimentos de equilibrio con mezclas
multicomponentes para evitar el agotamiento de uno o más de los componentes
durante el experimento.
- 17 -
Método sintético: El sólido y disolvente se introducen en una celda de equilibrio,
de manera secuencial. El número de moles de cada componente se calcula mediante
pesadas sucesivas o por la determinación del volumen a cierta presión. Pesando la
celda se tiene una mayor precisión en los resultados. La desventaja en este método es
que solo se puede saber las condiciones de saturación de una sola composición a la
vez.
Método analítico: Después de obtener a la condición de equilibrio, una o varias
muestras de la fase fluida saturada con el sólido son recolectadas de la celda y se
cuantifica en un equipo analítico. Las técnicas de análisis pueden ser cromatografía de
gases, cromatografía de líquidos, espectrometría de masas, UV, entre otros. El método experimental para la determinación de solubilidades de sólidos en
disolventes supercríticos utilizado en este trabajo es de tipo dinámico-analítico con
recirculación de la fase fluida. Este aparato se ubica dentro de la clasificación mostrada
en la figura 4 y se describe en el capítulo 2.
Las ventajas de la metodología y el equipo experimental utilizado en este trabajo,
además de las mencionadas anteriormente son:
• La muestra a analizar se toma directamente de la celda de equilibrio y se
envía en línea al equipo de análisis. Este arreglo evita el contacto del
sólido con el oxigeno del aire y la luz previniendo su descomposición.
• El equipo analítico puede cuantificar solubilidades hasta composiciones
mínimas de 10-9 mol de sólido/mol del disolvente
- 18 -
1.2 ANTECEDENTES.
1.2.1 EXTRACCIÓN DE LICOPENO CON DISOLVENTES ORGÁNICOS
La extracción de licopeno se realiza actualmente con disolventes orgánicos. En
consecuencia, varios científicos se han interesado por minimizar las trazas de
disolventes orgánicos en los extractos y de ser posible no usarlos en la extracción.
Estos disolventes son líquidos tóxicos que son difíciles de remover y en la mayoría de
los casos no llegan a eliminarse completamente [3, 11, 29]. También este tipo de
disolventes son muy difíciles de reutilizar debido a que al separarlos del extracto,
quedan contaminados y deben desecharse.
Ejemplos de este tipo de disolventes usados en la extracción de licopeno se
presentan en la tabla 2 [6, 11, 12, 57].
Tabla 2. Extracción de licopeno con disolventes orgánicos.
Disolventes más usados
Rendimiento (g de licopeno/kg tomate)
Referencia
Benceno
Cloroformo 0.11 [12]
Éter de petróleo 0.18 [6]
Hexano
Acetona
Metanol
0.8 - 1.2 [57]
hexano 0.8 [58]
Hexano
Acetona
Etanol
Etil acetato
0.12 [59]
- 19 -
Los disolventes más empleados en la extracción de licopeno son el éter de
petróleo y el hexano con porcentajes de recuperación de 77-90% con purezas del
extracto del 80-90%. Mayeaux et. al. [57] extraen licopeno con una mezcla de
hexano/acetona/metanol (1:1:1, v/v/v) obteniendo un rendimiento del 0.8 – 1.2 g de
licopeno/kg de tomate. La adición de disolventes polares para la extracción tiene como
finalidad el aumentar la selectividad en la extracción hacia el licopeno.
Los mejores rendimientos de extracción de licopeno con disolventes orgánicos
son los extraídos con éter de petróleo y hexano, además de una mezcla hecha con
hexano/etanol/acetona con rendimientos del 90%. Lin y Chen [59] realizaron
extracciones con diferentes disolventes orgánicos y mezclas entre ellos. Las más altas
concentraciones de licopeno en los extractos fueron con obtenidas con etanol/hexano
(4:3, v/v), seguido de la mezcla etanol/acetona/hexano (2:1:3, v/v/v). En la tabla 2 se
listan los disolventes utilizados.
Los rendimientos mejoran con la temperatura del disolvente y con el tiempo de
exposición de la materia prima en el disolvente. La mayoría de las extracciones se
realizan a temperatura ambiente. Las temperaturas no exceden de 343 K para evitar la
isomerización por temperatura. Además, la cantidad de licopeno en el tomate también
depende de la variedad del fruto, condiciones ambientales durante su crecimiento y del
grado de madurez [57].
1.2.2 EXTRACCION Y SOLUBILIDADES DE LICOPENO EN FLUIDOS SUPERCRITICOS
Aunque a partir de 1980 se han llevado a cabo investigaciones de la solubilidad
de sólidos en fluidos supercríticos, se observó que existe poca información acerca de
solubilidad de licopeno en disolventes supercríticos en la literatura. Por otra parte, la
mayoría de esta información se refiere a la extracción de licopeno con disolventes
supercríticos y no al tema de solubilidad.
- 20 -
Aunque los dos temas se encuentran estrechamente relacionados, los resultados
reportados de extracción en la literatura no pueden compararse con los datos obtenidos
en este trabajo. En la Tabla 3 se observan algunos resultados obtenidos de la
extracción de licopeno con disolventes supercríticos.
Tabla 3. Extracción con CO2 supercrítico
Presión (MPa)
Temp. (K)
Flujo de disolvente
% del total de licopeno
recuperado
Materia prima
Método Ref.
45 343 18-20 (a) 60 Tomate
deshidratado
Dinámico-
analítico[12]
34.47 359 2.5 (b) 61
Semillas y
cáscara de
tomate
Dinámico-
analítico[17]
46 353 50 (c) 90.2 Desperdicios
industriales
Dinámico-
analítico[3]
40 373 2.5 (b) 94
Cáscara de
tomate
deshidratado
Dinámico-
analítico[21]
(a)kg CO2/h
(b)ml CO2 /min
(c) kg CO2/kg muestra
El licopeno es el carotenoide que se encuentra en mayor proporción en el
tomate, y en la literatura sólo se encuentra información de la extracción de licopeno con
CO2 supercrítico a partir del tomate. Cadoni et. al.[60] observaron que el contenido del
licopeno en CO2 supercrítico, que se extrae de la pulpa y la cáscara del tomate, varía
dependiendo de la temperatura y presión de extracción[6]. La máxima extracción del
licopeno es de ocho por ciento (mezclado) en las semillas y en la cáscara usando 130
partes (p/p) de CO2 a 353 K y 30 MPa.
- 21 -
También se encuentran reportadas en la literatura solubilidades de licopeno en
CO2 supercrítico a 313, 323 y 333 K, en intervalos de presión de 17 a 42 MPa usando
el método estático analítico [6]. En este trabajo las fracciones molares de licopeno
disuelto en CO2, se encuentran en el intervalo de y2= 1.5x10-6 hasta y2=2.8x10-7. En la
Tabla 4 se presentan las condiciones de temperatura y presión reportadas por los
autores.
Tabla 4. Solubilidades de licopeno en CO2 supercrítico.
Materia Prima
Temperaturas (K)
Presiones (MPa)
Solubilidad máxima y mínima
(y2 x 106)
Método
Pasta de
tomate
313
323
333
21.1 - 41.8
17.1 - 38.1
19.4 - 40.3
0.3 – 0.47
0.28 - 1.2
0.41 - 1.5
Estático-analítico
Con lo anterior se puede observar que tanto para la extracción, como para la
medición de las solubilidades de licopeno, el único disolvente utilizado es el CO2
supercrítico. Además existe muy poca información, por lo que es conveniente la
determinación de solubilidades en diferentes disolventes supercríticos para encontrar el
disolvente más adecuado en una posible extracción de licopeno a partir del tomate.
Para determinar la concentración de licopeno en la fase fluida supercrítica se
necesita contar con un equipo de análisis adecuado. En la literatura, existen diferentes
técnicas analíticas para la identificación de licopeno como son: resonancia magnética
nuclear, cromatografía de líquidos de alta eficiencia (HPLC), espectrometría de masas,
calorímetro de escaneo diferencial y espectrofotometría de UV-visible.
- 22 -
El equipo analítico más utilizado es HPLC. Dentro de este equipo, en la literatura
se recomienda el detector luz ultravioleta-visible (UV-Vis) o arreglo de diodos (DAD) y la
columna utilizada tiene como fase estacionaria C18 y fase reversa. En este trabajo se
utilizo la técnica por DAD-HPLC debido a que son sólidos fácilmente degradables que
pueden absorber la luz visible y ultravioleta. En la tabla 5 se resume la identificación de
licopeno por HPLC encontrado en la literatura:
Tabla 5. Identificación de licopeno reportado en literatura por HPLC
Tipo de columna Detector
(λ) Fase móvil (%v/v)
Flujo (ml/min.) Ref.
Chromolith
RP-18e NE
acetonitrilo, etilterbutileter
90:10
1
[23]
Zorbax
C-18
UV-vis
(475 nm)
Metanol, THF y agua
67:27:6
1.5
[12]
NE Fotodiodo
(476nm)
1-butanol, acetonitrilo,
cloruro de metileno
2.0
[14]
Nucleosil 100
C-18
Fluorescente
(295-330 nm)
N-hexano, alcohol
absoluto
99.6:0.4
1.2
[3]
Phenomex Luna
C-18
Electroquímico
(350-700 mV)
Metanol, acetato de
amonio
90:10
1.6
[17]
STR ODS-II UV-vis
(470 nm)
Metano, THF
90:10
1.5
[21]
NE: no especificado
- 23 -
Capítulo 2.
METODOLOGÍA Y EQUIPO EXPERIMENTAL UTILIZADO
El trabajo experimental se realizó en el Laboratorio de Termodinámica Aplicado a
Procesos con Fluidos Supercríticos de la sección de Estudios de Posgrado e
Investigación del I.P.N. - E.S.I.Q.I.E, ya que se cuenta con los equipos y materiales
necesarios. Los equipos utilizados para el desarrollo de este trabajo y sus principales
características se describen dentro de este capítulo.
La pureza de los reactivos utilizados en la medición de solubilidades de sólidos
en disolventes supercríticos y los sólidos utilizados en la calibración del DAD-HPLC se
muestra en la tabla 6. Excepto del licopeno, el cual para la calibración del DAD-HPLC
se utilizó el reactivo de alta pureza y para la medición de sus solubilidades en
disolventes supercríticos se extrajo este compuesto del tomate debido al alto costo del
reactivo estándar.
Tabla 6. Pureza de los reactivos utilizados en este trabajo.
Reactivo Pureza (%) Marca No. CAS
Paracetamol (Acetaminofen) sigma ultra 99 Sigma 103-90-2
Capsaicina 95 Sigma 404-86-4
Licopeno de tomate (estándar) 98 Sigma 502-65-8
CO2 > 99.995 INFRA 124-38-9
Propano > 99.99 INFRA 74-98-06
Las sustancias utilizadas durante la realización de este trabajo no fueron tratadas
ni purificadas previamente debido a que son de alta pureza. En el caso del licopeno,
- 24 -
tanto del reactivo estándar como del extraído del tomate, se tuvo el cuidado de no
exponerlo a la luz y al oxigeno del aire por tiempos prolongados.
La metodología utilizada durante el desarrollo de este trabajo fue la siguiente:
1. Calibración de instrumentos periféricos de medición.
2. Verificación del método experimental.
3. Extracción de licopeno de tomates frescos.
4. Medición de solubilidades de licopeno en disolventes supercríticos.
A continuación se detalla el procedimiento y método experimental.
2.1 CALIBRACIÓN DE EQUIPOS DE MEDICIÓN
Con el fin de evitar errores y conocer la desviación que tienen los instrumentos
de medición con respecto al valor real de cada variable fue necesaria la calibración de
estos.
La calibración se llevo a cabo en tres principales partes del sistema de medición:
termómetros de platino, transductor de presión y detector de arreglo de diodos del
cromatógrafo de líquidos (DAD–HPLC), mediante comparación directa con patrones de
referencia. Los procedimientos se describen en el anexo A y los equipos utilizados y los
resultados obtenidos de la calibración se describen a continuación
2.1.1 CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS DE PLATINO
Los dos termómetros de platino (PT100 Ω de 2mm de diámetro) conectados a un
indicador digital modelo F250 de Automatic Systems Laboratories se calibraron usando
un patrón secundario de temperatura.
Este sistema está constituido de un puente termométrico de precisión modelo
F300 de Automatic Systems Laboratories, que cuenta con un RTD de platino como
referencia de 25 Ω con una precisión ±0.005 K en la escala ITS-90 marca Rosemount y
un resistor externo de referencia de 25 Ω nominal marca Tinsley. El sistema fue
- 25 -
calibrado por el CENAM hasta 692.7 K con puntos fijos (punto triple del agua y puntos
de solidificación de zinc y estaño). La temperatura reportada en las mediciones de
solubilidad es un promedio entre los dos termómetros de platino PT100 Ω,
encontrándose una diferencia de 0.01 K.
Los termómetros de platino se calibran cada seis meses con un sistema igual al
anterior y se ilustra en la figura 5 para comparar la calibración hecha por INyMET y
verificar que se encuentre dentro de la incertidumbre reportada por dicha empresa.
La incertidumbre para los dos termómetros de platino es de ±0.02 K. El
procedimiento de esta calibración se encuentra detallado en el anexo A1.
Fig. 5. Sistema de calibración de temperatura
Puente F300
Indicador de temperatura
Horno
1 1
2
1. Termómetro de platino PT 100 Ω 2. Termómetro de platino PT 25 Ω (referencia)
40.123
40.1234
40
- 26 -
2.1.2 CALIBRACIÓN DEL TRANSDUCTOR DE PRESIÓN
El transductor de presión DRUCK, modelo PDCR 910-1756, está conectado a un
indicador de presión marca DRUCK modelo DPI-145. Para la calibración del transductor
de presión se utilizó una balanza de pesos muertos (patrón primario) marca Desgranges
& Huot modelo 5304 con precisión de ±0.005% en escala completa, que utiliza aceite
SebacateTM como fluido de presurización.
El sistema de calibración de presión se presenta en la figura 6. La temperatura
del transductor se monitorea con un termómetro PT100 Ω e indicador de temperatura
digital F250 y la presión atmosférica con un barómetro digital modelo DPI-141 marca
DRUCK.
Fig.6. Sistema de calibración de presión
La calibración del transductor se realizó en un intervalo de presión de 1 a 30
MPa a temperatura ambiente (aproximadamente 298 K), debido a que el transductor de
presión se encuentra en la parte superior externa del horno durante las mediciones.
Además, el transductor cuenta con compensación en presión, por lo que no es afectado
por los cambios de temperatura en el sistema de medición.
- 27 -
El porcentaje de desviación de la presión calculada con respecto de la presión
real es máximo ± 0.05%. El procedimiento de calibración y análisis de resultados se
presentan en el anexo A2.
2.1.3 CALIBRACIÓN DEL DAD-HPLC
Un cromatógrafo de líquidos de alta eficiencia (HPLC) se utilizó para analizar y
cuantificar la cantidad de sólidos presentes en la fase supercrítica. El equipo de
análisis, modelo HPLC 1100 series marca Hewlett-Packard, cuenta con un detector de
arreglo de diodos (DAD) de 190 a 950 nm, columna Altima C18 de 5 µm y 250x4.6 mm,
precolumna Altima C18 de 5 µm y 250x4.6 mm, así como una válvula manual de
inyección con volumen de 20 µL marca Rheodyne modelo 7725i.
El procedimiento de calibración se detalla en el anexo A3. La calibración del DAD
se realizó con estándares de alta pureza de capsaicina, paracetamol y licopeno. La
capsaicina y el paracetamol se utilizaron para la verificación del método experimental,
del cual se hablará en la sección 2.2.
En la identificación de los reactivos mediante HPLC se utilizaron como fase fluida
disolventes de alta pureza y se presentan en la Tabla 7. Previamente, las impurezas
sólidas que posiblemente contengan los disolventes se eliminan utilizando un sistema
de filtración que incluyen acrodiscos de nylon de 0.20 µm; además los disolventes se
degasaron en un sonicador para evitar la presencia de gases que interfieran el análisis
en el HPLC.
Los análisis HPLC de cada reactivo sólido se realizaron a diferentes condiciones
cromatográficas, las cuales fueron tomadas de literatura. En el caso del licopeno las
condiciones reportadas en la literatura se modificaron para tener una mejor resolución
de los resultados cromatográficos.
- 28 -
Tabla 7. Pureza de los disolventes utilizados como fase móvil en la identificación HPLC.
Reactivo Pureza (%) Marca No. CAS
Acetona HPLC min. 99.5 Tecsiquim 67-64-1
Acetonitrilo HPLC min. 99.98 Tecnolab 75-05-8
Acido fosfórico 85 Tecsiquim 7664-38-2
Agua HPLC J.T.Backer 7732-18-3
Alcohol etílico absoluto 99.61 J.T.Backer 64-17-5
Fosfato de potasio monobásico min. 99.0 Tecsiquim 77-7877-0
Metanol HPLC min. 99.95 Tecnolab 67-56-1
n-Hexano 96.7 Fermont 110-59-3
Tetrahidrofurano min. 99 Tecsiquim 109-99-9
En la tabla 8 se presentan la desviación estándar producto de la calibración del
DAD-HPLC con cada compuesto. El desarrollo de las ecuaciones para el cálculo de las
incertidumbres de estas calibraciones se reporta en el anexo B1.
Tabla 8. Desviación estándar en las calibraciones del DAD-HPLC
Compuesto solAσ± (UA)
m (ppm/UA)
b (ppm)
mσ± (ppm/UA )
bσ± (ppm)
solCσ± (ppm)
Capsaicina 24.22 0.0817 25.56 7.3x10-5 0.71 2.4
Paracetamol 23.44 0.0162 -0.37 9.5x10-5 0.31 0.5
Licopeno 55.06 5.9573x10-3 80.37 1.8x105 1.6 3.3
A continuación se detallan las calibraciones de cada compuesto.
- 29 -
Calibración del DAD-HPLC con capsaicina. Cinco diferentes con concentraciones de
1284.40, 963.30, 706.42, 449.54 y 250.88 ppm se prepararon en metanol. Las
condiciones de operación del HPLC fueron las siguientes:
En la figura 7 se presenta un cromatograma de inyección de capsaicina obtenida
con estas condiciones cromatográficas. En este se puede observar que el tiempo de
retención de este compuesto es de 5 minutos.
min0 2 4 6 8 10
mAU
0
100
200
300
400
500
DAD1 A, Sig=280,4 Ref=off (ENE08\CAPS0698.D)
4.8
82
5.4
26
6.7
02
Fig. 7. Cromatograma HPLC de capsaicina estándar.
En la figura 8 se muestra la curva de calibración con capsaicina, donde se puede
observar, el ajuste y la ecuación resultante de la regresión lineal tiene como resultado
los coeficientes m = 0.0817 y b= 25.5587. El porcentaje de desviación promedio en las
áreas es de 0.14% y un porcentaje de error de 0.5% máximo.
Vol. Iny.: 20 µL
Presion: 10 MPa
Flujo: 1,0 ml/min
Temp.: 298 K
Disolventes: agua 30 %vol
acetonitrilo 70 %vol
Long de onda
280 nm
- 30 -
Acapsaicina (UA)
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
Cca
psai
cina
(ppm
)
200
400
600
800
1000
1200
1400
Fig. 8. Curva de calibración con estándar de capsaicina.
Los residuales de la calibración con capsaicina entre las concentraciones reales
y las calculadas es de ±0.06 como se muestra en la figura 9.
puntos de calibracion Plot 1 Regr
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
δ=( C
real-C
calc)/C
real
-0,06
-0,04
-0,02
0,00
0,02
0,04
0,06
Ccapsaicina (ppm)
Fig. 9. Residuales de la calibración con capsaicina.
- 31 -
Calibración del DAD-HPLC con paracetamol. Las concentraciones de las soluciones
para esta calibración fueron 101.38, 50.69, 25.34, 15.21, 5.07 ppm del sólido en
metanol. Las condiciones cromatográficas fueron:
Vol. Iny.: 20 µL
Flujo: 1,0 ml/min
Temp.: 308 K
Disolventes: metanol 23 %vol
KH2PO4-H2O-Ac. Fosfórico 77 %vol
Long. De onda 254 nm
El tiempo de retención de este reactivo es mayor a los 6 minutos bajo las
condiciones cromatográficas descritas arriba, como se muestra en el cromatograma de
la figura 10.
Fig. 10. Cromatograma HPLC con paracetamol estándar.
El porcentaje de desviación promedio y el porcentaje de error entre las áreas es
0.34% y 0.9% respectivamente. En la figura 11 se muestra la curva de calibración con
paracetamol. La ecuación resultante de la regresión lineal tiene los coeficientes m =
0.0162 y b = -0.3702. El máximo residual entre las concentraciones reales y calculadas
es 0.08%, tal como se observa en la figura 12.
min0 2 4 6 8101214
Norm.
-10
0
10
20
30
DAD1 B, Sig=254,4 Ref=off (ENE08\CAPS1123.D)
6.747
- 32 -
Aparacetamol (UA)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Cpa
race
tam
ol (p
pm)
0
20
40
60
80
100
120
Fig. 11. Curva de calibración con paracetamol estándar.
0 20 40 60 80 100 120
δ=( C
real-C
calc)/C
real
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
Cparacetamol (ppm) Fig. 12. Residuales de la calibración con paracetamol.
Calibración del DAD-HPLC con licopeno. El estándar de licopeno de alta se
disolvió en hexano, las concentraciones de calibración fueron de 980.00, 735.00,
499.80, 249.90 y 99.96 ppm. Las condiciones cromatográficas se basaron en
información reportada en la literatura pero con algunas modificaciones como el uso de
- 33 -
una rampa de disolventes con el fin de mejorar el análisis en cuanto a tiempo y forma
del pico cromatográfico. Las condiciones de operación del HPLC fueron las siguientes:
Vol. Iny.: 20 µL
Flujo: 1,0 ml/min
Temp.: 25 °C
Disolventes: tiempo (min) % acetona % MeOH % THF 0 0 100 0
3 40,0 20 40
8 40,0 20 40
10 0,0 100 0
El tiempo de retención de este reactivo es mayor a los 6 minutos con las
condiciones cromatográficas probadas, como se muestra en la figura 13
correspondiente al análisis HPLC para licopeno.
Fig. 13. Cromatograma HPLC con licopeno estándar.
Para esta calibración el porcentaje de desviación promedio en las áreas es 0.4%
y con un porcentaje de error entre las áreas de 1.0% máximo. En la figura 14 se
muestra la curva de calibración con su ajuste y la ecuación resultante que tiene como
coeficientes m = 5.9573x10-3 y b = 80.3695.
- 34 -
El residual, para la calibración del licopeno, entre los resultados de cada
inyección y los calculados con la ecuación obtenida de la regresión lineal es ±0.03 como
se observa en la figura 15.
Alicopeno (UA)
0,0 2,0e+4 4,0e+4 6,0e+4 8,0e+4 1,0e+5 1,2e+5 1,4e+5 1,6e+5 1,8e+5
Clic
open
o (pp
m)
0
200
400
600
800
1000
1200
Fig. 14. Curva de calibración con estándar de licopeno
0 200 400 600 800 1000 1200
δ=( C
real-C
calc)/C
real
-0,03
-0,02
-0,01
0,00
0,01
0,02
0,03
Clicopeno (ppm) Fig.15. Residuales de la calibración con licopeno.
- 35 -
La balanza analítica (marca Sartorius, modelo MCA–1200) utilizada para
determinar el peso del reactivo estándar de licopeno (0.013 g) en la disolución de
referencia tiene una incertidumbre de 0.004 g. Este factor contribuye a la desviación de
los datos de calibración del HPLC-DAD con licopeno, debido a que las concentraciones
de las disoluciones son muy pequeñas en comparación con las otras calibraciones.
Se puede observar que el comportamiento en los residuales de las calibraciones
no es una tendencia horizontal, lo cual se atribuye a la volatilidad de los disolventes
utilizados. Al evaporarse los disolventes las concentraciones pueden variar, este
fenómeno se minimizó manteniendo las muestras de calibración en frio y realizando las
calibraciones en el menor tiempo posible ya que también influye en las desviaciones de
los datos de calibración con respecto a la línea de ajuste.
En los cromatogramas HPLC de las calibraciones y mediciones de solubilidades
se observa que entre los 2 y 3 minutos después del inicio del análisis, la línea base del
detector oscilan entre valores negativos y positivos. Esto se debe a que existe un
cambio de presión en el momento de colectar la muestra y este afecta a la señal de
referencia. Lo dicho anteriormente es más notorio en el análisis de paracetamol debido
al tamaño de los picos.
Una vez realizadas las calibraciones de los equipos (presión, temperatura y
DAD-HPLC) se determinaron experimentalmente las solubilidades de los sólidos en
disolventes supercríticos.
- 36 -
2.2 EQUIPO EXPERIMENTAL UTILIZADO PARA LA DETERMINACIÓN DE SOLUBILIDADES DE SÓLIDOS EN DISOLVENTES SUPERCRITICOS.
El aparato experimental utilizado en la determinación de solubilidades de sólidos
en disolventes supercríticos se basa en el método dinámico-analítico y se presenta en
la figura 16. Este equipo experimental desarrollado por Elizalde Solis[51], consiste
principalmente en una celda de equilibrio acoplada a una bomba de recirculación que
opera hasta 30 MPa y 443 K. Para la realización de este trabajo se modifico la forma de
recirculación y de muestreo para optimizar los resultados de las mediciones.
Fig. 16. Diagrama del equipo de medición de solubilidades
Uno de los principales componentes del equipo es la celda de equilibrio (CE) que
permite operar hasta 25 MPa y 423.15 K. La CE está elaborada de acero inoxidable y
contiene dos ventanas de zafiro que permiten observar las fases coexistentes en el
equilibrio.
La celda se coloca dentro de en un baño de aire (BA) de convección forzada
(marca France Etuves, modelo XL074 SP) que opera hasta 573.15 K y tiene un control
- 37 -
de temperatura de ±0.1 K con el cual se controla la temperatura de la mezcla a estudiar.
Para que la mezcla sea homogénea, se cuenta con un sistema de agitación (SA) que
mueve un agitador magnético dentro de CE, el cual es controlado por un motor marca
Heidolph, modelo RZR 2020. Además SA permite alcanzar el equilibrio en menor
tiempo.
Para asegurar que el disolvente (propano o CO2) se sature del sólido (licopeno) y
se reduzca el tiempo de equilibrio; se usa una bomba de recirculación (BR) de engranes
(marca micropump, modelo GAH) la cual está conectada a la celda de equilibrio y a
una válvula de inyección (V6) de seis vías marca VICI modelo C-2006E. La válvula
permite enviar la muestra al HPLC para conocer la concentración de saturación del
sólido en el fluido supercrítico a la temperatura y presión fija.
Con el fin de evitar la entrada de sólidos no disueltos a BR y de acuerdo a la
especificación del fabricante, se colocó un filtro en la entrada de la bomba (acero
inoxidable de 7µm marca Swagelok, modelo SS-2F-7). La presión del sistema es
medida con un transductor de presión (TP) conectado a la parte superior de la CE. La
temperatura del sistema se mide con dos termometros de platino (SP), los cuales están
colocados en dos termopozos de la celda.
Para introducir el fluido que se utiliza como disolvente en la CE, se utilizó una
bomba marca ISCO, modelo 100DM.
2.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
La primera etapa del procedimiento experimental es colocar los componentes a
estudiar dentro de la celda de equilibrio. Este se inicia armando la CE y conectando los
accesorios del aparato de medición. Aproximadamente 0.2 g del sólido o más (hasta 1
g) se colocan en la celda para asegurar que en el equilibrio la fase fluida se sature.
Posteriormente, se inicia el degasado del equipo, la celda se presuriza adicionando el
disolvente para confirmar que el sistema no tenga fugas, tanto en CE como en las
líneas de presurización, recirculación y de muestreo.
- 38 -
La temperatura se regula con los controles de BA y SP, las mediciones de
solubilidad se realizaron de manera isotérmica variando la presión del sistema a
condiciones menores de 25 MPa.
El sistema se presuriza a las condiciones de operación, agregando CO2 o
propano con la bomba ISCO. Una vez que se ha estabilizado la temperatura y la
presión en el sistema se activan SA y BR para alcanzar la saturación del sólido en la
fase fluida.
Posteriormente, se deja estabilizar 12 horas el sistema para alcanzar el
equilibrio. Transcurrido el tiempo de equilibrio se toman muestras de la fase fluida en
periodos de 15 minutos y son enviadas al HPLC para la cuantificación del sólido por
medio de V6. El tiempo de equilibrio se determinó mediante la toma de muestras cada 3
horas, durante las primeras mediciones de cada sólido. Se observó que hasta después
de 12 horas los resultados permanecían constantes.
El resultado del análisis es reportado en el cromatograma en forma de área del
sólido, la cual es registrada para determinar la solubilidad del sólido 2y y esta
expresada en fracción molar mediante la siguiente ecuación [61]:
sfscFFS
fscLCFF CVAPMVA
yρ
=2
(8)
Donde FFA y sA son la áreas del sólido en la fase fluida y en la inyección
estándar de la calibración respectivamente, LCV =20 µL es el volumen interno de la
muestra en el HPLC, FFV es el volumen de inyección del muestreo de la fase fluida,
fscPM es el peso molecular del disolvente utilizado, fscρ es la densidad del disolvente y
sC es la concentración del sólido en la calibración.
- 39 -
Las densidades de los disolventes utilizados en la determinación de las
solubilidades fueron calculadas con la ecuación propuesta por Wagner y Span [62], para
el caso del CO2. Las densidades de propano fueron calculadas con el modelo propuesto
por Miyamoto y Watanabe [63] las cuales se encuentran disponibles en el NIST
Chemistry WebBook [64].
Después de calcular la fracción molar de ambos componentes, se incrementa la
presión adicionando más disolvente. Transcurrido el tiempo de equilibrio se vuelven a
tomar muestras de la fase fluida. El desarrollo de las ecuaciones para el cálculo de las
incertidumbres en la solubilidad de un sólido en fluidos supercríticos se presenta en el
anexo B2.
La temperatura del sistema se cambia cuando se terminan las mediciones en el
intervalo de presión de operación de la celda para obtener datos de solubilidad. Las
condiciones cromatográficas del DAD-HPLC utilizadas para cuantificar las solubilidades
del sólido en el fluido supercrítico fueron las mismas que se utilizaron en la calibración
del detector con cada sólido.
2.4 VERIFICACION DEL METODO Y EQUIPO EXPERIMENTAL
Después de la calibración de los diferentes sensores, el funcionamiento correcto
del equipo experimental para determinar solubilidades se verificó mediante la
determinación de solubilidades de los sistemas capsaicina en CO2 (hasta y2 ≈ 2 x 10-5) y
paracetamol en CO2 (desde y2 ≈ 2 x 10-8). Los resultados obtenidos en este trabajo se
compararon con los reportados en la literatura y así poder verificar el equipo y método
experimental.
Los sólidos anteriores se eligieron debido a que dentro de este intervalo de
composiciones se encuentran las solubilidades del licopeno en CO2 y propano
supercríticos. En la tabla 9 se presentan los sistemas empleados para la verificación de
la metodología y el equipo experimental.
- 40 -
Tabla 9. Sistemas utilizados para la verificación de la metodología y equipo experimental
Sistema T/K P /MPa y2 (mol/mol)
Solubilidad de capsaicina en
CO2 supercrítico 313 y 318 9 – 23 4.54 x10-5 – 20.25 x10-5
Solubilidad de paracetamol en
CO2 supercrítico 313 9 – 22 2.8 x 10-8 – 13.35 x10-5
Los datos obtenidos experimentalmente se correlacionaron con la ecuación (6).
En la tabla 10 se presentan los parámetros ajustados del modelo MS-T.
Tabla 10. Ajuste de los parámetros A´, B´ y C´ y desviación absoluta promedio del
modelo MS-T con los datos experimentales.
Compuesto A´ / K B´ / K m3/kg C´ AAD %
Capsaicina -15277.62 2.60 36.05 8.91
Paracetamol -7121.16 2.52 5.30 11.08
Para comenzar la verificación del método experimental, se midieron las
solubilidades de capsaicina en CO2 ya que existen datos reportados en la literatura [61,65], así como los determinados en el laboratorio de termodinámica por Elizalde
Solis[13,51]. En la tabla 11 se presentan las solubilidades y sus incertidumbres del
sistema mencionado a 313 K.
En la figura 17 se muestra la isoterma a 313 K, en la cual se observa que los
datos obtenidos en este trabajo se encuentran dentro de los errores experimentales y
siguen la tendencia con los datos reportados por de la Fuente[64] en todo el intervalo de
medición. Con respecto a los datos reportados por Knez y Stainer [65], a partir de los 12
MPa se mantienen en la misma tendencia y dentro de los errores experimentales.
- 41 -
Tabla 11. Solubilidades de capsaicina en CO2 a 313 K
313 K
2y x 105 2y x 105
P / MPa (mol/mol)
2yσ± x 106 P / MPa
(mol/mol) 2y
σ± x 106
9.780 4.58 2.92 14.245 11.07 4.89
9.793 4.95 3.05 14.335 10.88 4.82
9.811 4.69 2.95 15.401 13.22 6.97
11.134 5.88 4.26 15.513 12.44 6.74
11.297 6.35 4.35 15.630 12.31 6.69
11.345 6.82 3.91 16.960 13.55 7.27
11.389 6.38 3.76 17.201 14.45 7.49
11.427 6.83 3.90 17.334 13.60 7.25
11.498 6.42 4.33 18.471 15.13 5.83
12.692 9.40 3.88 18.615 15.16 5.83
12.829 9.39 3.85 18.757 14.84 5.71
13.222 10.19 4.41 19.793 15.26 7.31
13.226 9.96 4.32 19.879 16.02 7.06
13.673 10.93 6.63 20.050 15.09 7.24
13.758 11.19 6.56 22.370 17.08 8.37
13.782 10.82 6.79 22.418 17.64 8.51
14.150 10.66 4.75 22.563 18.19 8.65
Con respecto a los resultados de Elizalde Solis[51] los datos experimentales
obtenidos en este trabajo, siguen la tendencia desde los 10 MPa hasta los 17 MPa y se
encuentran dentro de la incertidumbre reportada. La diferencia entre los datos
obtenidos en este trabajo de tesis y los reportados por Elizalde Solis[51] se debe a que
se modificó el equipo experimental para optimizar el muestreo en la celda de equilibrio.
Las modificaciones hechas fueron en la forma de recirculación de la fase fluida y en la
forma de la toma de muestra.
- 42 -
P / MPa5 10 15 20 25 30
y 2 (ca
psai
cina
)
0,0
5,0e-5
1,0e-4
1,5e-4
2,0e-4
2,5e-4313 K Knez y Steiner[65]
313 K de la Fuente et al.[61] 313 K Elizalde Solis[50, 13]
313 K Este trabajo
Fig. 17. Solubilidades de capsaicina en CO2 supercrítico a 313 K.
En la tabla 12 se presentan las solubilidades de capsaicina determinadas a 318 K.
Tabla 12. Solubilidades de capsaicina en CO2 a 318 K.
318 K
P / MPa 2y x 105
(mol/mol) 2yσ± x 106 P / MPa 2y x 105
(mol/mol) 2yσ± x 106
10.167 7.56 1.11 19.000 20.85 7.61 10.181 6.86 1.08 19.037 20.48 7.05 11.377 9.36 1.08 19.078 19.92 6.93 11.410 10.16 8.62 20.384 20.95 7.02 11.479 10.48 8.50 20.439 20.16 5.35 12.692 11.91 8.78 20.542 20.54 5.38 12.728 11.58 8.08 21.375 20.56 5.53 12.760 11.54 8.20 21.426 21.05 7.82 15.022 16.67 8.03 21.478 20.73 7.76 15.070 16.46 8.85 23.192 22.17 7.56 15.128 16.78 9.04 23.278 22.02 3.74 17.200 17.36 9.17 23.348 23.31 4.13 17.278 17.82 7.76
- 43 -
En la figura 18 se muestra la comparación de los datos obtenidos en este trabajo
a 318 K y los datos de literatura [13, 51, 61] de capsaicina. En esta isoterma se observa
que los datos también coinciden con los reportados, tanto en tendencia como en las
incertidumbres reportadas.
P / MPa
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
y 2 (ca
psai
cina
)
0,0
5,0e-5
1,0e-4
1,5e-4
2,0e-4
2,5e-4
3,0e-4
3,5e-4
4,0e-4318 K Elizalde Solis[51, 13] 318 K Este trabajo 318 K de la Fuente[61]
Fig. 18. Solubilidades de capsaicina en CO2 supercrítico a 318 K.
La correlación de las solubilidades de capsaicina en CO2 supercrítico con el modelo
MS-T de los datos encontrados en este trabajo se muestra en la figura 19. Los datos se
acercan a una línea recta, lo que sugiere que los datos son consistentes internamente.
- 44 -
ρ1 (kg/m3)
500 550 600 650 700 750 800 850 900
T ln
(y2 P
) - C
' T
-14000
-13800
-13600
-13400
-13200
-13000
-12800
Este trabajoCorrelacion MS-T
Fig. 19. Correlación MS-T de la solubilidad de capsaicina en CO2 supercrítico.
Se calcularon los datos con el ajuste de la ecuación MT-S (ecuación 6) para
conocer su comportamiento en comparación con los datos experimentales. Esto se
observa en la figura 20. Se puede observar que el modelo representa mejor los datos
experimentales de la isoterma de 318 K.
P / MPa
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
y 2 (ca
psai
cina
)
0,0
5,0e-5
1,0e-4
1,5e-4
2,0e-4
2,5e-4
313 K Este trabajo313 K Calculo con ec.6
318 K Este trabajo 318 K Calculo con ec. 6
Fig. 20. Solubilidades de capsaicina en CO2: datos experimentales y calculados con el
modelo MS-T
- 45 -
Los datos reportados para las solubilidades de capsaicina en CO2 supercríticos
en esta tesis se ajustan mejor que los datos reportados en literatura. La desviación
absoluta promedio (AAD) reportada por de la Fuente et al.[6] es 13.7% seguidas de las
reportada por Elizalde Solis[51] con 17%. Las mayores desviaciones respecto a la línea
recta ajustada, se encontraron en las solubilidades reportadas por Knez y Stainer[65] con
27.8%. Por lo tanto se puede asumir que los datos de Knez y Stainer[65] tienen menor
consistencia interna que los reportados en este trabajo y las otras referencias
consultadas [13,51,61]. Lo anterior es congruente con las desviaciones encontradas entre
las solubilidades obtenidas en este trabajo y por los autores mencionados.
Posteriormente, para la verificación del método experimental se determinaron las
solubilidades de paracetamol en CO2 supercrítico a 313 K. Estos datos se encuentran
en el intervalo de composición cercanos a los reportados con licopeno en CO2
supercrítico. Los datos aquí obtenidos son consistentes con los de literatura, tal como
se puede observar en la figura 21. Se puede apreciar que los datos siguen la misma
tendencia y se encuentran dentro de las incertidumbres reportadas. Las solubilidades
de este reactivo se presentan en la tabla 13.
P / MPa8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
y 2 (pa
race
tam
ol)
0,0
5,0e-7
1,0e-6
1,5e-6
2,0e-6
2,5e-6313 K Bristow y Shekunov (indirecto)[66] 313 K Bristow y Shekunov (en línea)[66]
313 K Chang[67]
313 K Elizalde Solis[51]
313 K Este trabajo
Fig.21. Solubilidades de paracetamol en CO2 supercrítico a 313 K.
- 46 -
Tabla 13. Solubilidades de paracetamol en CO2
313 K
P / MPa 2y x 108 2y
σ± x 108
9.018 2.133 0.6628
9.047 3.124 0.6335
9.077 3.180 0.6287
9.909 51.00 2.4734
9.967 51.96 2.4156
12.071 67.39 4.8037
12.100 67.46 4.8011
12.158 72.44 4.9711
12.160 74.94 4.9081
18.892 98.70 4.2105
18.906 100.5 4.1422
18.926 102.6 4.0822
21.578 127.6 7.0771
21.593 135.0 7.2432
21.719 138.1 7.3074
Los datos fueron correlacionados con el modelo MS-T y se observó que tienen
consistencia interna debido a que presentan una tendencia hacia la línea recta de la
correlación. La figura 22 muestra el cálculo MS-T de las solubilidades de paracetamol
en CO2 supercrítico con la ecuación (6). Las predicciones con la ecuación MT-S para el
paracetamol se muestran en la figura 23.
La discusión y el análisis de datos de los comportamientos en las correlaciones
con el modelo MT-S se presentan en el Capítulo 3.
- 47 -
ρ1 (kg/m3)
500 550 600 650 700 750 800 850 900
T ln
(y2 P
) - C
' T
-5800
-5600
-5400
-5200
-5000
-4800Este trabajoCorrelacion MT-S
Fig. 22. Correlación de la solubilidad de paracetamol en CO2 supercrítico con el
modelo MS-T.
P / MPa
8 10 12 14 16 18 20 22 24
y 2 (pa
race
tam
ol)
0,0
2,0e-7
4,0e-7
6,0e-7
8,0e-7
1,0e-6
1,2e-6
1,4e-6
1,6e-6313 K Este trabajo313 K Calculo con ec. 6
Fig. 23. Solubilidades de paracetamol: datos experimentales y calculados con el
modelo MS-T
- 48 -
2.5 EXTRACCION DE LICOPENO DE TOMATES FRESCOS CON n-HEXANO
Debido a que el estándar de licopeno es muy costoso y se requieren
aproximadamente 5 g para poder hacer las mediciones de este trabajo, se modificó un
método seleccionado de la literatura[58]. La metodología para la extracción de este
compuesto directamente del tomate se muestra en la figura 24. En esta figura se puede
observar las modificaciones en la patente seguidas de un asterisco (*).
Fig. 24. Diagrama de bloques para extracción de licopeno de tomates frescos,
*modificaciones de la patente.
Se seca tomate 48 horas* a 328 K en
horno aire de convección forzada
Se muele el tomate y se agraga hexano por 1 hora. A 313 K
con agitación.
A los extractos se les aplica
vacío y calor (2 mbar y 318-323 K) para producir
oleorresinas
Se mezcla con 1,2 propanodiol (2g/g
de oleorresina)
Se hace reacción de
saponificación
30 minutos con 5 ml de KOH al 45% por gramo de oleorresina a 338 K
El producto de reacción se dispersa con 15 ml de agua/ g de oleorresina a 313-
323 K y se filtran
Los cristales se lavan con etanol*, se filtran y secan a vacío en un desecador 12 horas
Los cristales se almacenan a 253 K en atmósfera inerte en un contenedor oscuro de vidrio
- 49 -
Esta metodología propuesta por Ausich, et al.[58] presentan la extracción de
licopeno con una pureza de 85-90% y con un porcentaje de recuperación del 83.7% del
total de licopeno en el tomate. El proceso de extracción propuesto por Ausich, et al.[58]
tuvo que modificarse, ya que al seguir la metodología no se llegaba a resultados
satisfactorios, obteniendo purezas entre 40-50%.
Se utilizaron 100 kg de tomate fresco para la obtención de 5 g de licopeno, es
decir, en general las muestras de tomate fresco que se utilizaron en la realización de
este trabajo de tesis tenían una concentración de aproximadamente 0.5 g de licopeno
por kilogramo de tomate fresco.
2.5.1 EXTRACCIÓN
Las muestras de tomate fresco, se dividieron en 4 partes aproximadamente
iguales. El tomate contiene licopeno tanto en la pulpa, cáscara y en las semillas [25]. Por
lo tanto se aprovecharon todas las partes de la fruta en la extracción.
Las muestras de tomate se colocaron en un horno de aire de convección forzada
a 328 K y se dejaron secar por 48 horas. Por diferencia de pesos entre los tomates
frescos y los secos se determinó que contienen 90-95% de agua
Fig. 25. Secado de tomates
- 50 -
. En la figura 25 se puede observar el aspecto de antes y después del secado.
Las muestras secas se pulverizaron en un molino manual de granos. A los polvos del
tomate se les agrega de manera separada hexano tres veces por una hora con
agitación a 313 K para extraer oleorresinas.
El número de veces necesarios para la realizar la extracción, se determinó
mediante la comparación de peso de los extractos obtenidos en cada una de las
extracciones, se observó que después de la tercera extracción el peso de las
oleorresinas variaba de manera poco significativa.
Los extractos, previamente filtrados, con el fin de evitar la presencia de los
polvos, fueron reunidos y concentrados usando vacío y calor (318 - 323 K) para
producir oleorresinas que contienen licopeno. La evaporación se hizo en un equipo
diseñado en el laboratorio, hecho con el fin de recuperar el disolvente utilizado al vacío,
como el que se muestra en la figura 26.
Fig. 26. Equipo de evaporación
Condensador
Válvula de vacío
Matraz evaporador
Termómetro
Matraz receptor de disolvente
Embudo dosificador de extractos
- 51 -
2.5.2 REACCIÓN DE SAPONIFICACIÓN/CRISTALIZACIÓN
Las oleorresinas extraídas del tomate se combinaron y se mezclaron con 1,2
propanodiol (2 g/g de oleorresina), posteriormente se hizo una reacción de
saponificación por 30 minutos con 5 ml de NaOH en solución acuosa al 45% p/p por
gramo de oleorresina a 338 K. La mezcla de propanodiol junto con la reacción de
saponificación sirve para eliminar compuestos y materia orgánica extraídos con el
hexano, como proteínas, trazas celulares, aceites esenciales, propios del tomate y así
poder separarlos del compuesto de interés.
Los cristales de licopeno se recuperaron por dispersión de otros productos de la
reacción de saponificación e impurezas con 15 ml de agua por gramo de oleorresina a
313 - 323 K. Los cristales se lavaron con agua y se filtraron, en un sistema de filtración
al vacío, con una membrana de nylon de 0.45 µm de tamaño de poro. Posteriormente
se hace un segundo proceso de separación con etanol y se filtra nuevamente para
eliminar impurezas.
Por último los cristales se secaron por 12 h en un desecador y después se
guardaron a 253 K en una atmósfera de N2 dentro de un contenedor de vidrio oscuro
hasta el momento de usarlo para la determinación de solubilidades de licopeno en
disolventes supercríticos. De acuerdo al análisis HPLC el contenido de los extractos
tiene una pureza de 80%. En la figura 27 se muestra una comparación entre los análisis
cromatográficos del reactivo de alta pureza y el de extracto de tomate.
La pureza del extracto fue obtenida de dos maneras:
• Mediante el análisis de áreas reportado en los cromatogramas al inyectar el
extracto el cual muestra un porcentaje en el pico para licopeno de 81.3%.
• Después se realizó el cálculo de la pureza del extracto utilizando la ecuación de
calibración del DAD-HPLC con licopeno. Se preparó una disolución de 898.12
ppm de extracto en hexano y se inyectó al cromatógrafo de líquidos HPLC. Con
el resultado del análisis de áreas se determinó la concentración de licopeno en la
- 52 -
disolución mediante la ecuación de ajuste de los datos de calibración que se
muestra en la sección 2.1.3. Con la concentración se determinó la masa de
licopeno en la disolución. Finalmente, se comparó la masa de extracto en la
solución con la masa del licopeno obtenida del cálculo de la concentración,
dando como resultado un 80.15%. Las impurezas en el extracto pueden ser otros
carotenoides presentes en el tomate como el β-caroteno y luteína.
Fig. 27. Cromatogramas de licopeno: (A) de reactivo estándar y (B) extracto de
tomate.
(A)
(B)
- 53 -
Capítulo 3
RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
En este capítulo se presentan los resultados obtenidos y el análisis de datos de
la determinación de solubilidades de licopeno en CO2 y licopeno en propano a las
condiciones de presión y temperatura establecidas. Los sistemas y condiciones de
medición se presentan en la tabla 14.
Tabla 14. Sistemas estudiados en la determinación de solubilidades.
Sistema T/K P /MPa y2 (mol/mol)
Solubilidad de licopeno en
CO2 supercrítico 313 y 323 10 – 23 1.5 x 10-9 – 6.17 x 10-9
Solubilidad de licopeno en
propano supercrítico 378 y 398 5 – 23 4.3x 10-5 – 9.2 x 10-5
Los datos experimentales fueron correlacionados en función de la temperatura,
presión absoluta del sistema y densidad del disolvente en estado supercrítico usando el
modelo de MS-T[41] (ver sección 1.3). En la tabla 15 se reporta el ajuste para los
parámetros A´, B´ y C´ y la desviación absoluta promedio (AAD) para el licopeno.
- 54 -
Tabla 15. Ajuste de los parámetros A´, B´ y C´ y desviación absoluta promedio
del modelo con los datos experimentales de licopeno.
Compuesto A´ / K B´ / K m3/kg C´ AAD %
Licopeno en CO2 -13943.66 5.37 18.08 18.05
Licopeno en propano -8112.13 2.88 11.03 10.11
Los resultados de las solubilidades de licopeno en CO2 supercrítico medidas en
este trabajo de tesis se muestran en la tabla 16. Estos datos fueron comparados con los
de la literatura, aunque en cada isoterma sólo se pudieron comparar dos puntos debido
a que la presión mínima presentada por de la Fuente [6] es de 17 MPa. En la figura 28
se observa que los datos que se pueden comparar están dentro del error experimental
reportado por el autor y siguen la tendencia y los cambios en las pendientes de las
curvas que representan las isotermas obtenidas. Las líneas semicontinuas indican la
tendencia de los datos experimentales de este trabajo.
P / MPa
5 10 15 20 25 30 35 40 45
y 2 (lic
open
o)
0,0
2,0e-7
4,0e-7
6,0e-7
8,0e-7
1,0e-6
1,2e-6
1,4e-6
323 K de la Fuente[6] 313 K Este trabajo 323 K Este trabajo 313 K de la Fuente[6]
Fig. 28. Solubilidades de licopeno en CO2 supercrítico: datos experimentales y de
literatura.
- 55 -
Tabla 16. Solubilidades de licopeno en CO2
313 K 323 K
P / MPa 2y x 108
(mol/mol) 2yσ± x 109 P / MPa
2y x 108
(mol/mol) 2y
σ± x 109
10.758 6.55 5.65 10.585 0.09 0.27
10.768 6.89 5.68 10.591 0.12 0.26
10.776 7.39 5.52 10.605 0.14 0.27
10.779 7.56 5.44 12.705 2.80 6.92
13.191 15.27 6.72 12.741 3.90 6.85
13.203 15.52 6.83 12.887 3.99 1.84
13.222 15.78 6.92 14.918 14.16 9.93
13.655 17.04 9.09 15.001 14.59 9.58
13.669 17.90 9.33 15.098 15.57 9.72
18.409 23.53 16.26 17.134 26.30 24.90
18.439 24.12 16.73 17.216 28.30 24.50
18.472 26.22 16.13 17.409 29.10 24.10
20.255 33.63 20.83 17.518 31.34 24.51
20.295 30.39 20.19 20.825 38.43 26.40
20.454 32.91 20.65 21.020 41.89 25.65
22.844 35.51 12.59 21.033 42.39 26.58
23.126 35.84 12.62 23.523 59.55 29.24
23.418 36.02 12.42 23.669 62.66 28.43
23.831 62.84 23.41
La AAD reportada por de la Fuente [6] es de 16.61%, lo que sugiere que los datos
medidos y reportados por este autor se ajustan mejor que los reportados en este
trabajo. la diferencia entre los datos reportados en este trabajo con los reportados con
el autor es de 2% aproximadamente.
- 56 -
Los datos se correlacionaron ajustando los parámetros de la ecuación MS-T. En
la figura 29 se presenta los datos experimentales y la correlación con la ecuación 6. Se
puede observar que los datos tienen consistencia interna, pues se ajustan a la línea
recta de la correlación.
Con la ecuación antes mencionada se calcularon valores de solubilidad a las
mismas condiciones que en este trabajo se reportan y se compararon con los datos
experimentales. En la figura 30 se muestra la comparación entre los valores calculados
con el modelo y los datos experimentales. En ella se puede observar que el modelo no
es capaz de reproducir los datos experimentales dentro de la incertidumbre reportada
en este trabajo. Esto se debe a que existe un cambio de pendiente en las tendencias de
las solubilidades, lo que provoca un cruce de las isotermas.
ρ1 (kg/m3)
400 500 600 700 800 900
T ln
(y2 P
) - C
' T
-12000
-11500
-11000
-10500
-10000
-9500
-9000Este trabajoCorrelacion MS-T
Fig. 29. Correlación MS-T de la solubilidad de licopeno en CO2.
- 57 -
P / MPa
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
y 2 (l
icop
eno)
0
1e-7
2e-7
3e-7
4e-7
5e-7
6e-7
7e-7
313 K Este trabajo 313 K Calculo con ec. 6 323 K Este trabajo 323 K Calculo con ec. 6
Fig. 30. Solubilidades de licopeno en CO2: datos experimentales y calculados con el
modelo MS-T.
En la tabla 17 se muestran las solubilidades de licopeno en propano supercrítico.
Los datos fueron correlacionados con la ecuación (6). En la figura 31 se observa que
los datos son consistentes internamente debido a que acercan a la línea recta.
En literatura no se encontraron datos de solubilidad para comparar con los
resultados obtenidos en este trabajo, en consecuencia en la figura 32 solo se muestran
las dos isotermas obtenidas.
- 58 -
Tabla 17. Solubilidades de licopeno es propano supercrítico.
378 K 398 K
P / MPa 2y x 105
(mol/mol) 2y
σ± x 1010 P / MPa 2y x 105
(mol/mol) 2y
σ± x 1010
5.878 4.50 7.92 7.267 6.80 28.52
5.862 4.42 7.93 7.260 6.75 28.56
5.805 4.43 7.98 7.256 6.74 28.59
5.800 4.42 7.99 5.931 5.91 3.92
5.793 4.33 7.99 5.932 5.84 3.91
7.516 5.61 8.30 5.929 5.84 3.91
7.409 5.47 8.33 4.868 4.77 4.71
7.319 5.46 8.36 4.866 4.77 4.71
10.946 6.13 13.82 4.864 4.86 4.72
10.803 5.92 13.92 10.000 7.44 2.89
11.039 6.02 13.89 12.500 8.07 2.89
10.893 5.86 13.91 15.000 8.51 2.89
13.300 6.32 8.01 18.500 8.80 2.89
15.000 6.44 8.01 21.000 9.04 2.90
18.000 6.56 8.02 23.600 9.24 2.91
23.000 6.77 8.03
Además es importante indicar que las solubilidades del licopeno en propano
supercrítico son 100 veces mayores que las solubilidades del licopeno obtenidas en
dióxido de carbono supercrítico. También se puede observar en la figura antes
mencionada que los datos experimentales de solubilidad de licopeno con propano
presentan una tendencia más suavizada comparada con los datos obtenidos con CO2,
esto se puede atribuir a la mejor capacidad del propano para solubilizar al licopeno.
- 59 -
ρ1 (kg/m3)
50 100 150 200 250 300 350 400 450
T ln
(y2 P
) - C
' T
-7600
-7400
-7200
-7000
-6800
-6600
-6400
Este trabajoCorrelacion MS-T
Fig. 31. Correlación MT-S en la solubilidad de licopeno en propano supercrítico.
P / MPa
0 5 10 15 20 25
y 2 (lic
open
o)
4e-5
5e-5
6e-5
7e-5
8e-5
9e-5
1e-4
398 K 378 K
Fig. 32. Solubilidad de licopeno en propano supercrítico.
- 60 -
En las correlaciones de los datos experimentales con la ecuación MT-S[41], tanto
de los compuestos utilizados en la verificación del método y equipo experimental como
los del licopeno, se puede observar que existen datos que se desvían de la recta del
modelo con densidades menores a 550 kg/m3. Esto se puede atribuir a que en esa
región las solubilidades son menos precisas que los demás datos. Otro factor
importante es que las densidades calculadas para la región más cercana al punto crítico
del disolvente las ecuaciones presentan mayores desviaciones.
En el cálculo de las composiciones de saturación con la ecuación de ajuste del modelo
MT-S[41] se pueden observar que el modelo no reproduce los valores experimentales
dentro de la incertidumbre experimental. A excepción del sistema capsaicina en CO2
supercrítico a 318 K, en la cual es mejor la representación con el modelo MS-T.
También se puede notar los cambios de pendiente en las curvas de solubilidad
con los cambios de presión y temperatura. Al disminuir temperatura y presión las
solubilidades son menores y las pendientes disminuyen.
Las solubilidades de los diferentes sólidos determinados en este trabajo,
aumentan con el aumento de la presión y la temperatura. El aumento de la solubilidad
isotérmicamente se debe al incremento de la densidad del disolvente con incrementos
de presión y el incremento asociado en capacidad como disolvente del fluido
supercrítico.
A presiones bajas, la reducción de la capacidad como disolvente del CO2
supercrítico resulta de la disminución en la densidad del fluido mientras se incrementa
la temperatura isobáricamente, lo que provoca el cambio en las pendientes y cruce de
las isotermas. En el caso del propano este efecto se compensó por el incremento de la
volatilidad del soluto [68], ya que las mediciones se realizaron a mayor temperatura.
La dependencia de la solubilidad con el incremento de presión parece ser más
marcada con el CO2 que con el propano. Esto se le puede atribuir a que las mediciones
de solubilidades se realizaron a diferentes temperaturas.
- 61 -
CONCLUSIONES
En este trabajo se determinaron experimentalmente las solubilidades de licopeno
en dos disolventes a condiciones supercríticas (CO2 y propano). De acuerdo a los
resultados obtenidos, se determinó que la solubilidad del licopeno es mayor en propano
que en CO2, debido a la no polaridad de las moléculas propano y del licopeno. Los
datos obtenidos de solubilidad de licopeno en ambos disolventes indican el propano es
mejor disolvente con una solubilidad del licopeno 100 veces mayor que utilizando CO2.
El licopeno utilizado para la determinación de solubilidades en este trabajo se
extrajo directamente de tomates frescos con una pureza de 80% de acuerdo al análisis
HPLC. La metodología para la obtención de licopeno se basó en una patente [60] la cual
se modificó para mejorar la pureza del extracto. La metodología de la literatura plantea
una extracción del 85% al 90% de pureza pero en este caso de estudio los resultados
fueron diferentes.
Todos los datos de este trabajo fueron correlacionados con la ecuación
propuesta por Mendez-Santiago y Teja [41] la cual nos ayuda a distinguir la confiabilidad
de los datos con desviaciones absolutas promedio de 8% a 20%. Los resultados
obtenidos son confiables y de acuerdo a la comparación de los datos con la literatura se
encuentran dentro de la incertidumbre experimental y siguen las mismas tendencias.
En el caso de las solubilidades de licopeno en propano supercrítico, no existen
datos reportados en la literatura referente a este sistema. Por lo tanto este trabajo es
una aportación importante para que estos resultados sean utilizados en un futuro, en el
moldeamiento y diseño de un proceso de extracción por fluidos supercríticos.
- 62 -
RECOMENDACIONES.
Se recomienda realizar mediciones de solubilidad de licopeno en propano y CO2
supercrítico agregando agua como codisolvente y ver el efecto de esta sustancia en la
solubilidad, hacer la comparación con otros codisolventes y observar de que manera
afectaría el agua propia del tomate en la extracción de licopeno con disolventes
supercríticos.
También sería importante medir las solubilidades del licopeno en propano con los
métodos estáticos-sintéticos, ya que el orden en la solubilidad es de 10-5, para
compararlos con los reportados en esta tesis y así verificar su congruencia.
Los datos obtenidos en este trabajo de tesis pueden ser utilizados para
comprobar la capacidad de los modelos termodinámicos. Por otra parte, en el diseño de
un proceso por fluidos supercríticos.
- 63 -
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Biblioteca Temática del Agua > Agua uso agropecuario (BT) > Un análisis de la
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- 71 -
Anexo A
Procedimientos de calibración de aparatos de medición:
A1– Calibración de termómetros de platino.
A2 – Calibración de transductor de presión.
A3 – Calibración de DAD – HPLC.
- 72 -
A1- Calibración de termómetros de platino.
El procedimiento de calibración de los termómetros de platino es el siguiente:
1. Los termómetros de platino se fijan dentro de un dispositivo cilíndrico metálico
de aluminio-cobre junto con el RTD de referencia. Se aísla térmicamente este
subsistema para asegurar que estén a la misma temperatura los tres
sensores.
2. El cilindro aislado se coloca dentro de un horno de convección forzada en el
cual se fija la temperatura a la cual se tomaran las lecturas, dejando
estabilizar cada temperatura por un periodo de cinco horas y con incrementos
de 10 K.
3. Por último se correlacionan las temperaturas de los indicadores F250 contra
la temperatura de referencia de los datos obtenidos con un polinomio de
segundo grado.
Las incertidumbres encontradas en la calibración son consistentes con las
reportadas con la empresa que calibro previamente los termómetros. La
incertidumbre reportada en el certificado de calibración es de ±0.02 K.
- 73 -
A2 – Calibración de transductor de presión.
El procedimiento de calibración es el siguiente:
Se conecta el transductor de presión (TP) a una celda de medición, a este
sistema se le conecta un termopar (SP) para registrar su temperatura. Por medio de
tubería de acero inoxidable se conecta la celda con la balanza de pesos muertos y por
medio de una bomba de vacío se elimina el aire dentro del sistema y poder introducir el
fluido de presurización.
Después se incrementa la presión agregando a la balanza de pesos muertos,
masas de 1 a 21.5 Kg, equivalentes a 13.5 y 295.4 bar, respectivamente. Esto se repite
tres veces más para que el transductor se ajuste a las condiciones de calibración. A
continuación se colocan masas con incrementos de 1 Kg, en el mismo intervalo anterior,
para tomar lecturas.
Posteriormente, se correlacionan los datos obtenidos con la presión real tomada
con la balanza de pesos muertos, mediante un ajuste con mínimos cuadrados de tercer
orden. En la figura A1 se observa la correlación de los datos experimentales contra la
presión real. La ecuación de ajuste tiene como parámetros:
a = 9.4564x10-10 b= -9.8796x10-7 c = 1.0005 d = 1.0087
En la figura A2 se muestra el porcentaje de desviación de las presiones
calculadas con respecto a la presión de referencia el cual es de ±0.05% máximo.
- 74 -
Plectura DRUCK (bar)
0 50 100 150 200 250 300 350
P abs
real (b
ar)
0
50
100
150
200
250
300
350
Fig. A1. Calibración del transductor de presión
Pabs real (bar)
0 50 100 150 200 250 300 350
δ=( P
real-P
calc)/P
real
-0,06
-0,04
-0,02
0,00
0,02
0,04
0,06
Fig. A2. Residuales entre la presión de referencia y la presión calculada.
- 75 -
A3 – Calibración de DAD – HPLC.
El procedimiento de calibración consiste en preparar una concentración conocida
del sólido a analizar en un disolvente en un matraz aforado, la cual sirve como
disolución de referencia. Se toman muestras de la concentración de referencia y se
diluyen en matraces aforados para obtener soluciones de menor concentración. Las
concentraciones de las muestras de referencia son determinadas de acuerdo a las
concentraciones en que se esperan encontrar en las mediciones de solubilidades de los
sólidos en el disolvente supercrítico. Posteriormente se hacen inyecciones de las
soluciones de concentración conocida en el HPLC el cual da como resultado la
concentración de las disoluciones en unidades de área.
Después se correlacionan las áreas cromatografías con las concentraciones
inyectadas al HPLC para conocer la relación entre el número de moles de sólido y el
área producto del análisis. La correlación se ajusta a un polinomio de primer orden con
mínimos cuadrados como función del área de cada compuesto:
bmAC solsol += (A.1)
Donde la concentración del sólido ( solC ) depende del área cromatográfica ( solA )
que arroja el análisis en el HPLC. La ordenada al origen (b) en esta correlación es
diferente de cero debido a errores causados por el operador, el error propio del DAD,
jeringa de inyección, matraces, pipetas, entre otros.
Los resultados de la calibración se encuentran en la sección 2.1.3.
- 76 -
Anexo B
Desarrollo de las ecuaciones para el cálculo de
las incertidumbres de las mediciones
experimentales:
B1 – Incertidumbre en la calibración del DAD - HPLC.
B2 – Incertidumbre en la solubilidad de sólidos en
disolventes supercríticos.
- 77 -
B1– Incertidumbre en la calibración del DAD - HPLC.
La concentración del sólido se ajusta a su correspondiente área con un
polinomio de primer orden:
bmC += sólsól A (B1.1)
donde sólC es la concentración del sólido, la cual es dependiente del área
cromatográfica expresado como sólA , b es la ordenada al origen y m es la pendiente.
Haciendo uso de la ley de propagación de errores en la ecuación (B1.1), la
incertidumbre en las calibraciones del DAD-HPLC se desarrolla a partir de la siguiente
ecuación:
22
sól22
sól
sól22
sól2sólsól bAmC b
CAC
mC σσσσ
∂∂
+
∂∂
+
∂∂
= (B1.2)
Resolviendo las derivadas parciales de la ecuación anterior:
sólsól AmC
=∂∂
mAC
=∂∂
sól
sól
1sól =∂∂bC
La desviación estándar para los términos de la ecuación (B1.2) se presenta en la
tabla 8 para cada sólido.
Sustituyendo la solución de las derivadas parciales en la ecuación (B1.2), la
incertidumbre en la concentración de las calibraciones del DAD está determinada por:
22222sól
2sólsól
' bAmC mA σσσσ ++= (B1.3)
- 78 -
B2 – Incertidumbre en la solubilidad de sólidos en
disolventes supercríticos.
La solubilidad de un sólido en un disolvente supercrítico reportada en fracción
molar 2y utilizando el método dinámico – analítico con muestreo en línea se determina
con la siguiente expresión:[61]
SfscFFS
fscLCFF2 C
VAPMVA
yρ
= (8)
donde FFA y SA son las áreas cromatográficas del sólido en la muestra de la fase fluida e
inyección del reactivo estándar en la calibración respectivamente, LCV es el volumen
interno del muestreador HPLC y es igual a 20 µL, FFV es el volumen de inyección de la
muestra en la fase fluida, el peso molecular y la densidad del dióxido de carbono están
expresados por fscPM y fscρ , respectivamente. SC es la concentración de la solución
empleada para la calibración.
Haciendo uso de la ley de propagación de errores en la ecuación (B2.1), la
incertidumbre de la solubilidad en fracción molar para un sistema de dos componentes
CO2 + sólido, se determina a partir de la ecuación:
( ) ( )2
2
CO
22/
2
SS
222
FF
222CO
2
SSFF2 / ρσρ
σσσ
∂∂
+
∂
∂+
∂∂
=y
ACy
Ay
ACAy (B2.2)
- 79 -
Resolviendo las derivadas parciales de cada término de la ecuación (B2.2):
SfscFFS
fscLC
FF
2 CVAPMV
Ay
ρ=
∂∂ (B2.3)
( ) fscFF
fscLCFF
SS
2
/ ρVPMVA
ACy
=∂
∂ (B2.4)
S2FFS
fscLCFF
CO
2
2
CVA
PMVAy
fscρρ−=
∂∂
(B2.5)
Sustituyendo los resultados de las derivadas parciales (B2.3), (B2.4) y (B2.5) en
la ecuación (B2.2) se tiene:
2
2
2COFFS
SCOLCFF2/
2
COFF
COLCFF2
2
COFFS
SCOLC22CO
2
2
SS
2
2
FF
2
2
2 ρσρσ
ρσ
ρσ
+
+
=
VACPMVA
VPMVA
VACPMV
ACAy (B2.6)