Diseño y optimización de un proceso de extracción

líquido-líquido de Capsaicina para capacitación de una

empresa farmacéutica.

DISEÑO DE PROCESOS DE SEPARACIÓN

De la Barrera Benavides JoelManríquez Martínez DanielMendoza Barrientos ArturoMendoza Hernández Kevin

Objetivos:General.

Diseñar y optimizar un proceso de extracción líquido-líquido con la finalidad de brindar una asesoría técnica, basada en fundamentos teóricos, que resulte en la implementación de un proceso de separación en la industria farmacéutica.

Particulares.

Diseño de un proceso de extracción líquido-líquido para Capsaicina como base para una asesoría técnica.

Optimizar el proceso de extracción con base en las necesidades de diseño de la empresa a la que va dirigida la asesoría.

Obtener condiciones propicias para el óptimo desempeño del proceso.

Definición del problema:El laboratorio de Operaciones Unitarias de la UPIIG cuenta con un equipo de separación líquido-líquido. Una empresa farmacéutica se ha puesto en contacto con el jefe de laboratorio para poder obtener una asesoría sobre una extracción líquido-líquido. La empresa farmacéutica está buscando un diseño apropiado para poder realizar una separación a través de este proceso. Tu equipo de trabajo se encargará de asesorar a esta empresa proporcionando a detalle los posibles diseños para este proceso.

Fundamento teórico del proceso.

La extracción líquido-líquido es una técnica de separación cuyo objetivo es la separación de un soluto que se distribuye entre dos líquidos inmiscibles entre sí. Por lo tanto el objetivo de la técnica puede ser tanto la separación de compuestos, así como su concentración en una determinada fase.

Cuando dos líquidos inmiscibles se ponen en contacto se forman dos fases diferenciadas, de tal forma que los solutos que se encuentran disueltos en las mismas se distribuyen entre ambas, pasando de una a otra a través de la interfase. La distribución del soluto entre las dos fases tiene lugar hasta que se alcanza un equilibrio dinámico. Una vez que se establece dicho equilibrio, la relación de las concentraciones de un soluto entre ambas fases es un valor constante a una determinada temperatura, que se denomina Constante del equilibrio de reparto o simplemente Coeficiente de Reparto, y que podemos definir como:

 (1)

que por lo tanto se trata de una relación de concentraciones del soluto entre dos líquidos inmiscibles α y β.

La mayor o menor afinidad de un soluto por un determinado disolvente es un reflejo de las interacciones a nivel molecular entre las moléculas de soluto y disolvente, de tal forma

que, por ejemplo, un soluto polar tendrá mayor afinidad a disolverse en un disolvente también polar y poca afinidad a hacerlo en uno apolar.

La Capsaicina es una Oleorresina, componente activo de los pimientos picantes. La Capsaicina y otras sustancias relacionadas se denominan capsaicinoides y se producen como un metabolito secundario en diversas especies de plantas del género Capsicum, pura es un compuesto lipofílico, inodoro, incoloro, parecido a la cera.

Debido a sus múltiples aplicaciones la Capsaicina tiene un valor especial dentro de la industria farmacéutica, ya que se ha comprobado que funciona como analgésico y antioxidante y estudios resientes demuestran que tiene actividad anticancerígena.

Análisis y modelación del proceso:En La extracción líquido-líquido se utilizan sistemas compuestos por tres sustancias, teniendo fases insolubles que predominan, los tres componentes aparecen en cierto grado en las dos fases. Para un mejor entendimiento y facilitar la resolución de problemas de extracción se usa una notación general que describen las concentraciones y cantidades de las mezclas ternarias con el propósito de analizar el equilibrio y los balances de materia. (Véase imagen 1)Notación:

A y B son líquidos puros básicamente insolubles; C es el soluto distribuido.Las mezclas que se van a separar por extracción están compuestas de A y C; B será el disolvente de extracción

Se utilizará la misma letra para indicar la cantidad de una solución o mezcla y la ubicación de la mezcla en el diagrama de fases. Las cantidades se miden por libras en las operaciones por lotes y en masa/tiempo en las operaciones continuas.

Asimismo:E = masa/tiempo de solución E, un extracto, mostrado en el diagrama de fase como punto E.R = masa/tiempo de solución R, un refinado, mostrado en el diagrama de fases como punto R.B = masa/tiempo de disolvente B.Cantidades libres de disolvente se muestran mediante letras con apostrofe. Por lo tanto:E’ = masa/tiempo de solución libre de B, mostrado en el diagrama de fases como el puntoE = E’(i + NE)x = fracción peso de C en el disolvente pobre (rico en A), o refinado líquidosy = fracción peso de C en el disolvente rico (rico en B), o extracto líquidosx’ = x/(1 - x): masa de C/masa no C en los líquidos refinadosY’ = y/ (1 - Y): masa C/masa no C en los líquidos del extractox = fracción peso de C en los líquidos refinados libres de B, masa C/ (masa A + masa C)Y = fracción peso de C en los líquidos del extracto libres de B, masa C/ (masa A + masa C)N = fracción peso de B con base en libre de B, masa B/(masa A + masa C)Los subíndices identifican la solución o mezcla a la cual se refieren los términos de concentración. Las etapas se identifican mediante números. Por ejemplo: x3 = fracción peso de C en el refinado de la etapa 3; Y3 = fracción peso de C (en base libre de B) en el extracto de la etapa 3, etc. Para otras soluciones identificadas mediante una letra en el diagrama de fases, se utiliza la misma letra como subíndice de identificación. Por lo tanto xM = fracción peso de C en la mezcla M. Un asterisco identifica específicamente a

aquellas concentraciones en el equilibrio en donde se acentúa la condición en el equilibrio. Así: yE

*=fracción peso de C en la solución E en el equilibrio. Realizado el análisis de equilibrios, balances de materia y cálculos por etapas, las

fracciones mol, relaciones mol y kmol se pueden sustituir adecuadamente por fracciones peso, relaciones en peso y kg respectivamente.

Figura 1 Diagrama de fases triangular

Las coordenadas triangulares se usan ampliamente para describir gráficamente las concentraciones en sistemas ternarios ideal para el proceso de extracción líquido-líquido. En el diagrama mostrado arriba cada vértice del triángulo representa un uno de los componentes puros, tal como lo indica. La distancia perpendicular desde cualquier punto como K a la base AB representa el porcentaje de C en la mezcla K; la distancia a la base AC, el porcentaje de B; la distancia a la base CB el porcentaje de A. por lo tanto x K=0.4. cualquier punto sobre un lado del triángulo representa una mezcla binaria. Como ejemplo, el punto D es una mezcla binaria que contiene 80% de A, 20% de B. todos los puntos sobre la línea DC representan mezclas que contienen la misma relación de A a B y se pueden considerar como mezclas en D, al cual se le agregó C. si R kg de una mezcla en el punto R se agregan a E kg de una mezcla E, la nueva mezcla se muestra sobre la línea recta RE en el punto M de tal manera que queda de la siguiente forma:

RE

= líneaMElínea RM

=x E−xMxm−xR

La composición correspondiente al punto M se puede calcular realizando balances de materia. De forma análoga si de una mezcla en M se separa una mezcla de composición E, la nueva mezcla estará sobre la línea recta EM que se extiende alejándose de E, estando ubicada en R de forma que se podrá aplicar la ecuación anterior.

En la figura 2 se muestra nuevamente R kg de mezcla en R agregados a E kg de mezcla E. sea M los kg de la nueva mezcla, así como la composición sobre la figura. Línea RL= fracción peso de C en R= xR línea MO= fracción peso de C en M=xM y línea ET= fracción peso de C en E= xE. haciendo un balance global de materia:

R+E=M

Balance para el componente C:

R ( líneaRL )+E ( línea ET )=M (líneaMO )R xR+Ex=MxM

Eliminando M:

RE

=línea ET−líneaMOlíneaMO−línea RL

=xE−xMxM−x R

Sabiendo que la línea ET-línea MO= línea EP y línea MO-línea RL= línea MK= línea PS. Resumiendo la ecuación de arriba a;

RE

=línea EPlínea PS

= líneaMElíneaRM

Figura 2. Regla de mezclado

Variables faltantes. Se sabe que la extracción líquida produce nuevas soluciones, que posteriormente se deben separar por lo que no se conoce que otras “nuevas” soluciones formaran nuestros compuestos a separar, así que no se sabe con certeza si después de la extracción se deba usar destilación o evaporación.

Tampoco se sabe si es una solución “muy “diluida puesto que el agua deberá evaporarse por destilación

Hay algunos compuestos con un peso molecular similar entonces no es posible separarlos por destilación puesto que las presiones de vapor son casi iguales.

Muchos productos farmacéuticos se producen en mezclas tan complejas

No se sabe que pueda ocurrir al aumentar la temperatura considerablemente, esto puede ayudar a tener una mejor solubilidad que afecta directamente al equilibrio ternario.

El efecto de la presión sobre el equilibrio líquido

Diseño de Proceso.El proceso se basa en una extracción líquido-líquido de Capsaicina de chile de árbol; para este proceso de separación es necesario dar un pre-tratamiento al chile para poder extraer la Capsaicina.

El primer paso es liberar el chile de los componentes interferentes, estos componentes son las semillas y los tallos (colas) ya que no aportan capsaicinoides para la extracción, posteriormente se realiza una molienda hasta formar una harina, esta se forma a partir de la piel y las venas de los chiles. El siguiente paso es una extracción solido-líquido en un sistema de reflujo, donde los capsaicinoides se extrajeron en una fase acuosa, no se hace mucha mención de estos procesos debido a que se consideran para este proyecto como preparativos para el proceso de extracción líquido – líquido.

El proceso de extracción líquido-líquido consiste en la extracción con acetato de etilo de capsaicinoides en una solución acuosa, los capsaicinoides son altamente miscibles en acetato e etilo, así mismo se ha reportado que es el disolvente orgánico con mayor eficiencia para la extracción, purificación y concentración de capsaicinoides, después de la extracción se obtienen dos fases la acuosa con trazas y la fase orgánica, la cual se eliminó el exceso de solvente en rota evaporador a presión reducida obteniendo un extracto con una viscosidad elevada a la cual se le conoce como oleorresina y contiene los capsaicinoides.

Selección de equiposEl equipo a emplearse para realizar el proceso de extracción líquido-líquido corresponde al equipo con que se cuenta en el laboratorio de operaciones unitarias de UPIIG.

Se escoge este equipo debido a que está en óptimas condiciones de trabajo y no tiene un gran desgaste, por lo que para aprovechar los recursos que se tienen se ha destinado para ofrecer capacitaciones técnicas a diferentes empresas.

El nombre del equipo es PS-EL-024/DEL, sus especificaciones técnicas son:

Unidad piloto completamente instrumentada, montada sobre estructura, fabricada con componentes de tipo industrial, acero inoxidable, vidrio y materiales resistentes a solventes. Compuesta de una unidad de proceso y un gabinete de control centralizado tipo NEMA 4X, ambas unidades interconectadas entre si.

Montada en estructura de perfil tipo industrial, con ruedas y sistema de frenado.

Tanque primario de alimentación a columna de extracción líquido-líquido, con capacidad de 20 litros.

Alimentación eléctrica 120VAC, 60 Hz

Tanque secundario de alimentación a columna de extracción líquido-líquido, con capacidad de 20 litros.

Recipiente para alimentación del disolvente, deposito fabricado en vidrio, con brida y tapa fabricada en acero inoxidable para garantizar resistencia a solventes y líquidos de extracción y destilación

Recipiente para alimentación de la mezcla a extraer, deposito fabricado en vidrio, con brida y tapa fabricada en acero inoxidable para garantizar resistencia a solventes y líquidos de extracción y destilación

Tanque de recuperación de producto de extracción para la fase extraída.

Deposito fabricado en vidrio, con brida y tapa fabricada en acero inoxidable para garantizar resistencia a solventes y líquidos de extracción y destilación

Tanque de recuperación de producto de extracción para la fase refinada.

Deposito fabricado en vidrio, con brida y tapa fabricada en acero inoxidable para garantizar resistencia a solventes y líquidos de extracción y destilación

Tanque para la fase extraída, capacidad de 20 litros

Tanque para la fase refinada, capacidad de 20 litros

Bomba de alimentación producto primario a columna de extracción, tipo dosificadora con control electrónico digital de flujo y totalizador de flujo.

Bomba de alimentación producto secundario a columna de extracción, tipo dosificadora con control electrónico digital de flujo y totalizador de flujo.

Válvula de regulación de flujo de alimentación, producto primario a extracción

Válvula de regulación de flujo de alimentación, producto secundario a extracción

Columna de extracción líquido – líquido.

Sistema para regulación de interfase en la columna de extracción.

Transmisor electrónico de nivel para regulación de interfase.

Electroválvula de accionamiento desde gabinete de control.

Válvula de descarga de tanque primario de alimentación a columna de extracción.

Válvula de descarga de tanque secundario de alimentación a columna de extracción.

Válvulas de muestreo en diferentes secciones de la columna de extracción.

Válvula de descarga y muestreo de Tanque de producto de extracción. Fase extraída.

Válvula de descarga y muestreo de Tanque de producto de extracción. Fase refinada.

Tubería de PVC cédula 80, acero inoxidable y teflón, para líneas de alimentación y recuperación de reactivos y productos.

Criterios de optimización.Buscar de manera preliminar el óptimo al proponer suficientes criterios de optimización. (i.e. Diseño de Experimentos).

El diseño de experimentos comprende la identificación de las variables que influyen en el desarrollo del proceso y que además pueden ser modificadas (Tabla 1).

Variable a optimizar RangoTiempo de extracción (min) 15-60Volumen de solvente m3 (Proporciones) 1:2-1:5Concentración (% mol/molT) 0-100%Tabla 1. Variables el proceso.

Criterios de optimización.

Para la optimización del proceso utilizaremos las variables libres del proceso, es decir las variables que sabemos pueden ser modificadas, para así después de la implementación de los experimentos podamos obtener las mejores condiciones de operación para nuestro proceso.

Las variables que se han identificado pueden ser modificadas son las siguientes:

Tiempo de extracción (min). Solvente (Proporción).

Sin embargo durante el proceso también se encuentran variables, que pueden variar a lo largo del tiempo, debido a que lar normas establecen límites máximos permisibles en las agua, pero no los mínimos, así es necesario monitorear estas variables y además conocer las diferentes respuestas del equipo ante estas mismas. Las variables que se deben de monitorear, pero no pueden ser controladas son las siguientes:

Concentración capsaicina.

Estas 3 variables son las que se utilizaran en el diseño de experimentos, por un lado nos interesa saber cuál es el valor óptimo de Tiempo de extracción y proporción del solvente necesario para obtener un efluente de salida con mayor concentración de capsaicina.

Para el diseño de experimentos se utilizara la técnica de Superficie de respuesta, ya que esta nos permite además de conocer la interrelación de las variables, conocer el óptimo de operación de las mismas. Según la literatura nosotros tenemos 2 factores (k), los cuales deben de ser probados en dos niveles, alto y bajo por lo cual tendremos que realizar 4 experimentos (Formula 10), la variable de respuesta será la concentración de capsaicina presentes en el efluente de salida, que se medirá en % mol/molT (Formula 11)

¿ Experimentos=2k (10)

% rendimiento=(Mol capsinoidesMolTotal )(11)Los experimentos se montaran como se muestra en la tabla # y se obtendrán los valores respuesta para cada uno. Los resultados se trataran en Minitab para obtener los valores estadísticos necesarios y la ecuación de respuesta, la cual estará definido por la formulas (12 & 13), donde f (x1, x2) es la ecuación de modelado y ε es el error esperado de la ecuación. El error puede deberse a varios factores

Tiempo (min) Solvente (y:x)

15 1:2

60 1:5

15 1:5

60 1:2

Tabla 2. Diseño experimentos de optimización. Y: solvente, x: capsaicina

Y=f ( x1 , x2 )+ε (12)

Y=β0+β1 x1+β2 x2+β3 x3+ε (13)

ResultadosEn estudios previos al realizado por este trabajo se determinó que el mejor solvente para la extracción de este tipo de sistemas es el acetato de etilo, hay otros solvente con buen funcionamiento y mayor afinidad por el producto, como el hexano. Sin embargo la capsaicina resulto ser altamente miscible en el acetato de etilo y el hecho de que provenga de una solución acuosa favorece el proceso debido a la poca interacción del agua con el acetato de etilo.

La optimización de parámetros se realizó tomando como variables aquellos parámetros capaces de modificarse y optimizarse sin que interviniera en ellos alterar el sistema, por lo tanto, se consideró el tiempo de tratamiento y las concentraciones de salida.

El proceso se consideró como optimo ya por medio de estas metodologías se obtienen altos porcentajes de purificación de capsaicinoides, en cuestión a la asesoría técnica, se dio a consideración el equipo ya que una de las razones limitantes durante este proceso consistía en usar el equipo del UPIIG, sin embargo en equipos que presentes ventajas sobre extracción a multi-etapas o bien con lechos empacados ya que esto aumentara el tiemp0o de extracción generando mayor contacto entre el acetato de etilo y la capsaicina.

De la bibliografía consultada, los procesos de extracción consideran al Hexano como mejor solvente por la cuestión de precios y facilidad de manejo, sin embargo el objetivo del proceso era presentar en la capacitación las mejores opciones técnicas siendo el disolvente escogido el que presenta más ventajas.

Conclusiones.El proceso de extracción de Capsaicina es aceptable siempre y cuando se trabaje con el solvente adecuado. Este al igual que los factores físicos, como temperatura, pH, etc. son importantes para la optimización del proceso. Mientras que las condiciones propicias son aplicables según los resultados obtenidos, los cuales se adaptan al medio ambiente en el que se encuentra instalado el equipo de separación.

Referencias.• Valer Gómez, Fabrizzio, Columna de extracción líquido-líquido: Diseño y análisis del

funcionamiento del equipo.

• Vargas Gaytan, M. Lucía, Obtención de Oleorreocina y purificación de Capsaicinoides a partir de Frutos de Capsicum.

• Bautista Pérez Simeon, Optimización de un Proceso de Extracción Líquido-líquido para la Recuperación y Purificación de Capsaicina a Partir de Una Micela Pungente de Chile de Árbol para su Aplicación en la Industria Alimentaria y Farmacéutica.