TRANSFERENCIA DE MASA

TRABAJO COLABORATIVO 1

ESTUDIANTE

JOSE GUILLERMO CERVERA TORRESCOD. 17651292

GRUPO 1

PROFESOR

HERNANDO ENRIQUE BOHORQUEZ

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNADESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

INGENIERÍA DE ALIMENTOSABRIL DE 2013

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TABLA DE CONTENIDO

Pag.

0. Introducción 31. Objetivos 41.1. Objetivo General 41.2. Objetivos específicos 42. Actividad Grupal 52.1. Aplicaciones extracción sólido-líquido en la ind. Alimentos. 52.2. Aplicación extracción líquido-líquido de la cafeína 72.2.1. Marco Teórico 72.2.2. Factores que afectan la extracción 72.2.3. Elección del Solvente 82.2.4. Purificación de Extractos 92.2.5. Extracción líquido-líquido de cafeína. Coeficiente de

distribución y argumentación de elección del solvente. 103. Conclusiones 154. Bibliografía 17

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0. INTRODUCCIÓN

El presente trabajo colaborativo tiene por objeto desarrollar actividades de aprendizaje encaminadas a profundizar las temáticas de la unidad uno del curso de transferencia de masa aplicado a la ingeniería de alimentos.

Las actividades propuestas se basan en el desarrollo de dos actividades evaluativas, una individual, que integra experimentación con el aplicativo del VIRTUALPLANT que permite simular una situación problema que se deberá resolver convenientemente y presentar los resultados obtenidos; y una segunda actividad grupal mediante el cual se investiga sobre la separación líquido-sólido y líquido-líquido aplicado a la industria de alimentos.

Al finalizar este proceso colaborativo, se habrá logrado el aprendizaje significativo necesario para que los conceptos estudiados puedan ser aplicados en la vida real y profesional, adicionalmente se logrará confrontar la teoría con la práctica en relación a la transferencia de masa, la difusión molecular, los coeficientes de difusión y la extracción líquido-sólido y líquido-líquido.

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1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVO GENERAL

Realizar actividades grupales de la guía de trabajo colaborativo 1 del curso de transferencia de masa, encaminadas a profundizar los conceptos estudiados en la unidad uno.

1.2. Objetivos Específicos

1.2.1. Mencionar dos (2) aplicaciones concretas en el área de alimentos, en las que la extracción sea utilizada como método de separación. Para el caso de grupos impares aplicaciones enfocadas hacia la extracción sólido-líquido.

1.2.2. Seleccionar un proceso industrial en el que exista una etapa de extracción líquido-líquido para el caso de los grupos impares.

1.2.3. Proponer un solvente o disolvente, a ser utilizado durante la extracción.

1.2.4. Escoger el mejor solvente, argumentando la selección realizada.

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2. ACTIVIDAD GRUPAL

Grupo 1: grupos impares aplicaciones enfocadas hacia la extracción sólido-líquido.

2.1. Mencionen dos (2) aplicaciones concretas en el área de alimentos, en las que la extracción sea utilizada como método de separación.

La extracción es una operación unitaria de transferencia de materia basada en la disolución de uno o varios de los componentes de una mezcla (líquida o que formen parte de un sólido) en un disolvente selectivo. Se hace distinción entre la extracción sólido-líquido y líquido-líquido según que la materia a extraer esté en un sólido o en un líquido, respectivamente. En este último caso, obviamente, el disolvente ha de ser inmiscible con la fase líquida que contiene el soluto.

Extracción Sólido-LíquidoEsta operación se conoce también por lixiviación, percolación o lavado, según las aplicaciones a que se destine. Si se pretende eliminar un componente no deseado de un sólido, se habla de lavado. Si el componente extraído es el valioso, se denomina lixiviación. La palabra percolación se refiere más bien a la forma de operación: vertido de un líquido sobre un sólido, más que al objetivo perseguido.

La forma en que el soluto esté contenido en el sólido inerte puede ser diversa. Así, puede ser un sólido disperso en el material insoluble o estar recubriendo su superficie. También puede tratarse de un líquido que esté adherido o retenido en el sólido, o bien estar contenido en su estructura molecular.

Aplicaciones importantes en la industria alimentaria son: - Extracción de aceites y grasas animales y vegetales.- Lavado de precipitados - Obtención de extractos de materias animales o vegetales- Obtención de azúcar- Fabricación de Té y café instantáneo entre otras.

Los fluidos supercríticos (FSC) poseen propiedades híbridas entre un líquido y un gas: capacidad para disolver solutos, miscibilidad con gases permanentes, alta difusividad y baja viscosidad, lo cual los convierte en sustancias muy adecuadas para muchos procesos.

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En las últimas dos décadas hubo un importante desarrollo de la utilización de FSC como medio de reacción o participando directamente en ella, reemplazando solventes convencionales en síntesis de compuestos orgánicos y órgano-metálicos.

Actualmente, debido al incremento en el consumo de alimentos funcionales se han desarrollado muchas investigaciones para obtener las sustancias que lo componen de una forma segura, rápida y de bajo costo.

Aplicación de la Tecnología de Fluidos Supercríticos en la Industria de Alimentos

PRODUCTOS SUSTANCIAS EXTRAÍDAS

Lácteos TriglecéridosColesterolÁcidos Grasos Insaturados

Derivados de la pesca Lípidos no polaresColesterolConcentrados de ácidos grasospoliinsaturadosConcentrados de EPA y DHAC14, C16, C18, C20, C22Aceite EnriquecidoProteína Concentrada

Vegetalesy Frutas

AntioxidantesFosfolípidosÁcidos grasosAceites de semillasAntocianinasAceites esencialesTerpenos, OleorresinasCaroteno, Bixina, Licopeno

Café y Té CafeínaTeína

GermenZumos de frutasBebidas alcohólicas

Humolina y lupolinaAceites esencialesDespectinaciónAromasEtanolAromasSabores

Cárnicos ColesterolLípidosÁcidos grasos volátiles

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2.2. Seleccionen un proceso industrial en el que exista una etapa de extracción líquido-líquido para el caso de los grupos impares.

a) Cada participante debe proponer un solvente o disolvente, a ser utilizado durante la extracción.

b) Con base en el literal anterior escojan el mejor solvente, argumentando la selección realizada.

2.2.1. Marco Teórico

La extracción líquida, llamada algunas veces extracción con disolventes, es la separación de los componentes de una solución líquida por contacto con otro líquido insoluble. Si las sustancias que componen la solución original se distribuyen de manera distinta entre las dos fases líquidas, se puede lograr cierto grado de separación, que puede incrementarse mediante el uso de contactos múltiples o su equivalente en la forma de la absorción de gases y la destilación.

Después de poner en contacto el disolvente y la mezcla se obtienen dos fases líquidas que reciben los nombres de extracto y refinado.

Tomado de: http://procesosbio.wikispaces.com/Extracci%C3%B3n+liquido-liquido

2.2.2. Factores que afectan a la extracción

- La composición de la alimentación: se ve afectado directamente con el gradiente de concentración

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- La temperatura de operación, ya que puede desnaturalizar el principio activo, además afecta a parámetros como: viscosidad y solubilidad.

- La presión, ya que puede verse afectada por los esfuerzos cortantes.- La velocidad de flujo, en flujo turbulento se mejora la extracción ya que hay

más contacto entre las fases.- El grado deseado de separación, porque mientras más etapas más costo.- La elección del disolvente, se ve afectada por los extractos.- La formación de emulsiones y espumas, una tensión interfacial demasiado

baja podría crear emulsiones (mezclas de dos o más líquidos inmisibles entre sí) muy estables y no poder separar las fases en mucho tiempo, mientras que las espumas se forman por la inclusión de gases en el proceso.

2.2.3. Elección del solvente

- No tóxico ni inflamable: desgraciadamente hay pocos disolventes que cumplan los dos criterios: hay disolventes relativamente no tóxicos pero inflamables como el hexano, otros no son inflamables pero sí tóxicos como el diclorometano o el cloroformo, y otros son tóxicos e inflamables como el benceno.

- Barato (depende de la eficiencia)- Fácil de recuperar: suficientemente volátil, de manera que se pueda

eliminar fácilmente del producto extraído mediante destilación o evaporación.

- Afinidad por el soluto / Mezcla.- Inmiscible en el líquido portador: El disolvente de extracción debe ser

inmiscible con la disolución a extraer. El agua o una disolución acuosa suele ser uno de los disolventes implicados. El otro disolvente es un disolvente orgánico.

- Poseer una densidad distinta de la alimentación para que separación de fases sea sencilla.

- Que el componente deseado sea más soluble en el disolvente de extracción que en el disolvente original.

- Que el resto de componentes no sean solubles en el disolvente de extracción.

Disolvente inmiscible con el agua

- Cuanto más polar es el disolvente orgánico, más miscible (soluble) es con el agua.

- Disolventes polares como el metanol, el etanol o la acetona son miscibles con el agua, y por lo tanto, no son adecuados para extracciones líquido-líquido.

- Los disolventes orgánicos con baja polaridad como el diclorometano, el éter dietílico, el acetato de etilo, el hexano o el tolueno son los que se suelen utilizar como disolventes orgánicos de extracción.

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Disolventes de extracción comúnmente utilizados

Nombre FórmulaDensidad (g/mL)1

Punto de ebullición(ºC)

Peligrosidad

Disolventes de extracción menos densos que el agua

Éter dietílico (CH3CH2)2O 0,7 35Muy inflamable, tóxico

Hexano C6H14 ≈ 0,7 > 60 Inflamable

Benceno C6H6 0,9 80Inflamable, tóxico, carcinógeno

Tolueno C6H5CH3 0,9 111 InflamableAcetato de etilo CH3COOCH2CH3 0,9 78 Inflamable, irritanteDisolventes de extracción más densos que el aguaDiclorometano CH2Cl2 1,3 41 TóxicoCloroformo CHCl3 1,5 61 TóxicoTetracloruro de carbono

CCl4 1,6 77 Tóxico

Nota: La densidad del agua es 1 g/mL, y la de la disolución acuosa saturada de NaCl es 1,2 g/mL.

2.2.4. Purificación de extractos

Es frecuente que la operación de extracción se vea acompañada por la de destilación para la recuperación del disolvente.

Existen tres caminos para realizar la purificación:

- Purificación por Destilación: Cuando se tiene una mezcla entre líquidos volátiles.

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- Purificación por Evaporación: Cuando los sólidos son no volátiles.

- Purificación por Cristalización: Cuando se tiene una solución sobresaturada.

2.2.5. EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO DE CAFEINA

La cafeína es un compuesto famoso, aislado por primera vez de los granos de café, es un estimulante de amplio uso en la industria de bebidas.Químicamente la cafeína es un alcaloide del grupo de las Xantinas. Las Xantinas son un grupo químico de bases purínicas que incluyen sustancias endógenas tan importantes como la guanina y la adenina. A este grupo también pertenecen la teofilina del té y la teobromina presente en el chocolate. La cafeína también se encuentra en la guaraná y el mate, por lo cual también se le ha llamado guaranina y mateína respectivamente, siendo químicamente idénticos.

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SOLUBILIDAD DE LA CAFEINA ENSOLVENTE TEMPERATURA

25°C 80°C 100°CAGUA 2,1 g/100 ml 18 g/100 ml 67 g/100 mlDiclorometano 10 g/100 mlCloroformo 18,18 g/100 mlEtanol 1,5 g/100 ml

La cafeína se encuentra diluida en agua formando una sola fase a la que se denomina fase acuosa y se le adiciona un líquido inmiscible en agua que por lo general es un solvente orgánico, la cafeína, si es también soluble en la fase orgánica empezará a migrar de la fase acuosa a la nueva fase hasta que alcance el equilibrio entre las dos fases, es decir que la migración no será completa sino que lo hará hasta alcanzar determinada concentración (concentración en

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CAFEINA

CONTENIDO DE CAFEINA EN ALGUNOS ALIMENTOS

equilibrio) que no se modificará ni antes ni después de cierto tiempo. Por consiguiente la concentración de la cafeína en la fase acuosa disminuirá y aumentará en la fase orgánica repartiéndose la cantidad total de cafeína entre las dos fases. Este reparto dependerá fundamentalmente de la solubilidad de la cafeína en la fase acuosa y la solubilidad de la cafeína en la fase orgánica, pero en todo momento habrá cafeína en ambas fases la distribución del soluto en las dos fases puede relacionarse mediante el coeficiente de repartición o distribución.

K D=[ A2 ][ A1 ]

Donde [A]1 y [A]2 son las concentraciones en equilibrio (en gramos por litro) del soluto (cafeína) en el solvente 1 y en el solvente 2.El coeficiente de distribución tiene un valor constante para cada soluto considerado (en este caso la cafeína) y depende de los solventes utilizados en cada caso. Un valor alto de KD significa que el soluto (la cafeína) es más soluble en el solvente 2 que en el solvente 1, por el contrario un valor pequeño indica que el soluto (la cafeína) es más soluble en el solvente 1 que en el solvente 2.Puesto que las concentraciones máximas del soluto son equivalentes a la solubilidad, la ecuación puede modificarse para incluir el término de SOLUBILIDAD.

K D=SA2

SA1

Por lo tanto en un sistema donde el soluto es la cafeína y la fase orgánica es el Diclorometano y teniendo en cuenta que la solubilidad de la cafeína es de 2,7 g/100 ml en agua y de 10 g/100 ml en diclorometano se obtiene que:

K D=10A2

2,1A1

=4,8

Ahora procedemos a realizar la misma ecuación, pero utilizando los datos de solubilidad de la cafeína en cloroformo.

K D=18A2

2,1A1

=8,5

Ahora procedemos a realizar la misma ecuación, pero utilizando los datos de solubilidad de la cafeína en etanol.

K D=1,5A2

2,1A1

=0,71

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Ahora tendremos en cuenta otros aspectos importantes para la toma de decisión como el valor, la toxicidad y posibilidades de recuperación

Solvente Solubilidad de la cafeína en

Costo Económico

RecuperaciónPunto de Ebullición

ToxicidadNFPA

DL50 en

ratas

DLHombre

Cloroformo 18 g/ 100 ml

40.294/lt. 61 °C 2 1194 mg/kg.

oral

140 mg/kg

Diclorometano 10 g/100 ml 48.140/ lt. 40° C 2 1600 mg/kg

357 mg/kg

También es posible calcular la cantidad de soluto en ambas fases. Realizando un balance de materia, en donde X es la fracción del soluto en la fase acuosa y Y es la fracción del soluto en la fase orgánica; así, X+Y = m. m, la masa total del soluto. Aplicando estas relaciones en la definición de KD se obtiene las relaciones:

x=mV a

V a+K D∗V 0

y=mK DV 0

V a+KD∗V 0

En estas ecuaciones V0 y Va son los volúmenes de fase orgánica y fase acuosa respectivamente. Así por ejemplo si se tiene una masa total de 2,0 g de cafeína y a 100 ml de fase acuosa se le agrega 5 ml de diclorometano o de cloroformo se obtienen los valores de las fracciones X y Y.

Volúmenes extraídos con Diclorometano

x=2,0 g100ml

100mla+4,8∗5ml=1,6g decafeinaen la fase acuosa

y=2,0g4,8∗5ml

100ml+4,8∗5ml=0,4de cafeínaen la fase orgánica

Volúmenes extraídos con Cloroformo

x=2,0 g100ml

100mla+8,5∗5ml=1,4 gde cafeinaen la fase acuosa

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y=2,0g8,5∗5ml

100ml+8,5∗5ml=0,6decafeína enla fase orgánica

Como se puede observar:- El cloroformo permite una extracción de un 30% más de volumen que con

el diclorometano. - El cloroformo puede ser más toxico que el diclorometano. - El cloroformo tiene un punto de ebullición más alto, lo cual aumenta el costo

de recuperación en etapas posteriores de destilación o recuperación del solvente.

- Como solvente, el diclorometano es más costoso que el cloroformo.

Conclusión: desde el punto de vista de eficiencia en primera fase de extracción, el cloroformo sería el solvente ideal para la extracción liquido líquido de cafeína; no obstante si se considera que la extracción es un proceso que requiere múltiples etapas, sería necesario establecer los costos de recuperación del solvente para etapas siguientes y la tecnología necesaria para que el proceso no se solamente eficiente sino seguro, económico y ambientalmente viable.

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3. CONCLUSIONES

1. La extracción es una operación unitaria de transferencia de materia basada en la disolución de uno o varios de los componentes de una mezcla (líquida o que formen parte de un sólido) en un disolvente selectivo.

2. La Extracción Sólido-Líquido se conoce también por lixiviación, percolación o lavado, según las aplicaciones a que se destine.

3. Se denomina Lavado a la operación de extracción de elementos no deseados o sin valor.

4. Se denomina lixiviación a la extracción de elementos deseados o con valor.5. Se denomina percolación al proceso verter un líquido sobre un sólido para

lograr una extracción.6. Entre las aplicaciones de extracción sólido-líquido en la industria de

alimentos se tiene: Extracción de aceites y grasas animales y vegetales, Lavado de precipitados, Obtención de extractos de materias animales o vegetales, Obtención de azúcar, Fabricación de Té y café instantáneo.

7. La extracción sólido liquido es una operación unitaria que emplea solventes líquidos que sacan (extraen) productos denominados extractos que estaban contenidos en la superficie de un sólido o ligados al mismo molecularmente.

8. La extracción líquida, también es llamada extracción con disolventes y es la separación de los componentes de una solución líquida por contacto con otro líquido insoluble.

9. Después de poner en contacto el disolvente y la mezcla se obtienen dos fases líquidas que reciben los nombres de extracto y refinado.

10.Durante la extracción con solventes, los solutos de interés migran de la fase acuosa a la fase orgánica hasta alcanzar un equilibrio de concentración. Por lo tanto la extracción no es completa en una primera etapa; lo que se logra es una disminución de los solutos de la fase acuosa y un aumento de los mismos en la fase orgánica.

11.Algunos aspectos que afectan el proceso de separación o extracción por solventes son: El tipo de solvente, el grado de concentración de la alimentación o mezcla inicial, la miscibilidad del soluto en el solvente orgánico, la polaridad del solvente, el grado de concentración deseado, la temperatura del proceso, la presión del proceso, el punto dipolar, entre otros.

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12.La determinación del solvente ideal obedece a propiedades químicas y físicas del mismo: polaridad, punto de ebullición y evaporación, toxicidad, valor económico entre otros.

13. El coeficiente de distribución tiene un valor constante para cada soluto considerado y depende de los solventes utilizados en cada caso. Un valor alto de KD significa que el soluto es más soluble en el solvente 2 que en el solvente 1, por el contrario un valor pequeño indica que el soluto es más soluble en el solvente 1 que en el solvente 2.

14.El proceso de extracción va acompañado de etapas posteriores de purificación de los solutos obtenidos. La purificación se puede realizar mediante tres procesos fundamentales: destilación, evaporación y cristalización.

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4. BIBLIOGRAFÍA

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- Operaciones Unitarias En La Ingeniería de Alimentos. Ibars Albert y Barbosa Cánovas Gustavo V. Ediciones Mundi-Prensa. Mexico, 2011. Consultado en http://books.google.com.co/books?id=Bb4J6pzmG_wC&pg=PA767&lpg=PA767&dq=extracci%C3%B3n+s%C3%B3lido+l%C3%ADquido+en+la+industria+de+alimentos&source=bl&ots=QFzXeR8XzH&sig=E3zQHFAnW5-3J1Hpm9Z2AWQVNiA&hl=es&sa=X&ei=iLVXUbrhFoX-8ASd4ICADA&ved=0CCkQ6AEwADgU#v=onepage&q=extracci%C3%B3n%20s%C3%B3lido%20l%C3%ADquido%20en%20la%20industria%20de%20alimentos&f=false El 30 de marzo de 2013.

- Tecnologías Para la Industria Alimentaria: Fluidos Super Críticos. Ing. Laura Dominguez, Téc. Magali Parzanese. Alimentos Argentinos – Ministerio de Agricultura. Consultado en www.alimentosargentinos.gov.co el 30 de marzo de 2013.

- Columna De Extracción Líquido-Líquido: Diseño y análisis del Funcionamiento del equipo. Valer Gómez Fabrizzio. Escuela Profesional de Ingeniería Química, Laboratorio de Control de Procesos. 2009. Consultado en http://dspace.universia.net/bitstream/2024/893/1/ el 6 de abril de 2013.

- Procesosbio extracción líquido-líquido consultado en http://procesosbio.wikispaces.com/Extracci%C3%B3n+liquido-liquido el 6 de abril de 2013.

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- Experimentos De Química en Microescala Para Nivel Superior. Doria Serrano María del Carmen. Universidad Iberoamericana. Mexico 2009. Pag. 236. Consultado en http://books.google.com.co/books?id=Otm5wsEeKYEC&pg=PA75&dq=extraccion+liquido+liquido+cafeina&hl=es&sa=X&ei=DsJgUcqJJpCA9gSIyoGwCg&ved=0CCwQ6AEwAA#v=onepage&q=extraccion%20liquido%20liquido%20cafeina&f=false el 6 de abril de 2013.

- Hoja de Seguridad del Cloroformo. Consultado en http://www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/7cloroformo.pdf el 6 de abril de 2013.

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