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.
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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.
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.
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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.
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