UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFACULTAD DE QUMCA E NGENERA QUMCAE.A.P. DE NGENERA QUMCAHidroextraccin y fraccionamiento deIaceite esenciaI de cscara de naranjaTESS Para Optar el Ttulo Profesional de: NGENERO QUMCOAUTOR:Retegui Daz, LimberLIMA - PER 2005RESUMEN Nuestropas,actualmenteesproductordeaceitesesencialesctricos,sin embargo, dicho producto no se refina ni concentra, dejando de lado la posibilidad de obtener un concentrado de esencias ctricas y solventes con valor agregado. Los objetivos principales de este trabajo son la determinacin de parmetros adecuadosparalahidroextraccindelaceiteesencialdecscaradenaranjayla obtencindeldlimonenopordestilacindelaceiteesencialalvaco,queen conjunto constituye un mtodo mejorado para la obtencin de limoneno a partir de la cscara de naranja. La hidroextraccin, se hizo en una batera de 19 pruebas, para obtener materia prima para la fase de fraccionamiento del aceite esencial, as como para evaluar su rendimiento y composicin. El fraccionamiento se hizo en una batera de 4 pruebas, con 300 mL de aceite cadauna.Conlosdatosobtenidosenestascorridassedeterminelnmerode platos necesarios para una separacin exitosa, as como tambin el flujo de vapor necesario para tal separacin, dejando as, una base para estudios posteriores Unadelasmotivacionesdeesteestudiofueladisponibilidaddecscarade naranjacomodesechodelospuestosdeventadejugodenaranjaenlaciudadde Lima.Sepodradisponerdeunacargadiariadehasta3500Kg.decscarade naranja al da. Para los clculos se usa solo el 15% de esta cantidad. Losresultadosdelanlisisqumicodelaceitemuestraun95.58%de Limoneno,siendoloscomponentesprincipales:-Myrceno,2.00%,-Pinene, 1.03%; a- Pinenne Biciclo 0.48%; Decanal, 0.43%. Elaceiterefinado,porotraparte,tienelassiguientescaractersticas fisicoqumicas: Gravedad especfica a 20C : 0.8424, ndice de refraccin, 1.472, Rotacinptica:+100ytemperaturadeebullicin175C.Siendoestosdatos muy cercanos a los mostrados en la literatura. El proyecto de investigacin contribuye a demostrar la viabilidad tcnica del mtododesarrolladoparaobtenerd-limonenoapartirdecscaradenaranja de desecho. INTRODUCCIN Elpresentetrabajoesunestudiotcnicoexperimentaldelaextracciny refinamientodeaceiteesencialdecscaradenaranjadulce(Citrussinensis osbeck),enelcualsereportanlosdatosobtenidosexperimentalmentedelas extraccionesy refinaciones realizadas a nivel banco, para hacer un diseo a escala piloto. EnelcaptuloI se hace un estudio sobre la materia prima utilizada para este estudio. La naranja utilizada proviene, mayormente de Huaral, al norte de Lima. Se describen los lugares de cultivo y las tcnicas utilizadas con dicho fin. Respecto al aceite esencial, se describen las tcnicas diversas de extraccin y el uso del aceite de cscara de naranja; as como los diversos equipos y accesorios queseutilizan,tantoparalaextraccincomorefinacindelaceite,informacin que nos servir para hacer el prediseo a escala piloto de dichos equipos. EnelcaptuloIIsedescribeelprocedimientoseguidotantoparala recoleccindemateriaprima,comoparalahidroextraccinyladestilacinal vaco.Tambinseencuentra,eldiagramadeflujodelprocesoseguidoyla descripcin,evaluacinycuantificacindelosequiposutilizadosaescalabanco; tambin se describe en este captulo la cintica de la hidroextraccin del aceite de la cscara de naranja en funcin de la concentracin. EnelcaptuloIII,sepresentaladeterminacindelosparmetrosptimos para una buena hidroextraccin del aceite esencial, tales como molienda y flujo de vapor,ascomolascaractersticasorganolpticas,fisicoqumicasyla determinacindelacomposicinmediantecromatografiadegasesacopladocon espectrometra de masas. En este mismo captulo se ha incluido los resultados de lascaractersticasfisicoqumicasdeld-Limonenoobtenidopordestilacinal vaco. EnelCaptuloIV,sedesarrollalaIngenieradelProyecto,aescala comercial, para tratar una carga diaria de 525 Kg. de cscara de naranja hmeda por da, y obtener 183 Kg. de d - limoneno por cada 2 das. Se expone dentro del diseo delproceso,latopologadelmismoeinversinenequipos.Seprevqueesta propuestasirvadebaseparaestudiosposterioresdefactibilidadtcnico econmica. CAPITULO I ANTECEDENTES 1.1MATERIA PRIMA: Citrus sinensis osbeck 1.1.1. Generalidades: Lamateriaprimaparaelestudioeslacscarade naranja dulce, cuyonombreesCitrussinensis osbeck,variedadoriginariadel Asia. PertenecealgneroCitrusdelafamiliadelarutceas,laque comprendealrededorde1600especiesdiferentes;siendola familiacitruslamsimportante,conaproximadamente20 especies. Losfrutos,loscualespertenecenalacategoradeHesperidios, son aquellos que contienen la materia carnosa entre el endocarpo y lassemillas;sondeampliousotantoparaelconsumodirecto, comoenlaindustria,dondeseleusadesdelaproduccinde alimentos hasta cosmtica. Las naranjas dulces se clasifican en cuatro grandes grupos (1), los cuales son navel, blancas sangre y sucreas. 1.1.2. Taxonoma y Morfologa Familia: Rutaceae Gnero: Citrus Especie: Citrus sinensis osbeck Porte: Reducido (3 5m); ramas poco vigorosas. Flores : Ligeramente aromticas; solas o agrupadas con osin hojas. Los brotes con hojas son los que mejores frutos dan (vase fig. 1.1). Frutos :Hesperidio(vasefig.1.2.)Constadel exocarpo(flavedo;presentavesculasquecontienenaceites esenciales),mesocarpo(albedo,pomposoydecolorblanco)y endocarpo(pulpa, presenta tricomas conjugo). La variedad Navel presentafrutossupernumerarios(ombligo),quesonpequeos frutosqueaparecendentrodelfrutoprincipalporunaaberracin gentica.Tansloseproduceuncuajedel1%,debidoala exsicin natural de las flores, pequeos frutos y botones cerrados. Paramantenerunmayorporcentajedecuajadoesconveniente refrescar la copa mediante riego por aspersin, dando lugar a una ralentizacin del crecimiento, de forma que la carga de frutos sea mayorydemenortamao.Elfenmenodelapartenocarpiaes bastante frecuente (no es necesaria la polinizacin como estmulo paraeldesarrollodelfruto).Existenensayosqueindicanquela polinizacincruzadaincrementaraelcuaje,peroelconsumidor nodesealasnaranjasconsemillas.Algunossufrenapomixis celular (se produce un embrin sin que haya fecundacin). 1.1.3. Origen El naranjo dulce procede de las regiones surorientales de Asia, en concreto de la zona sureste de China y el archipilago malayo. Su cultivoserealizaenelsurdeChinadesdehacemilesdeaos, desdedondeseextendiportodoelsudesteasitico.Losrabes introdujeron el naranjo amargo en Europa por el sur de Espaa en el siglo X, Por otra parte, las primeras naranjas dulces conocidas enEuropaparecequefueronintroducidasporlosPortugueses desde la India en los albores del siglo XVI. LanaranjasediceenlatnAurantia,porsucolordeoro,en lenguaje dravdico (de la India) Narayan, que quiere decir perfume interior. En rabe, procedente del lenguaje persa, Narendj. ElcultivodelosctricosseextendidesdeEuropaaEstados Unidos,dondehayreasdecultivoflorecientesenFloriday California a Sudamrica, donde Brasil disfruta de la cuota ms alta en el mercado mundial de naranjas y zumo de naranjas; a Sudfrica yaciertaspartesdeAustralia.Actualmente,elnaranjoesunode losfrutalesmsextendidosportodoelmundo,siendolos principalespasesproductores,Brasil,EstadosUnidos,Espaa (Valencia,Murcia,SevillayHuelva),Italia,Mxico,India,Israel, Argentina y China. Consultar captulo completo en formato impreso CAPITULO II PARTE EXPERIMENTAL 2.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1.1. Materiales y reactivos Equipo de acero Inoxidable El extractor de aceites esenciales consta de: 1. Generador de Vapor (fig. 2. l). 2. Columna empacada (fig. 2. l). 3. Condensador (fig. 2. l). 4. Tubo Florentino. El fraccionador de aceites esenciales consta de 1. Generador de vapor (fig. 2,2). 2. Baln de vidrio de 3 bocas (fig. 2.2). 3. Columna empacada (fig 2.2). 4. Condensador de vidrio (fig. 2.2). 5. Matraz de vidrio para recepcin de muestra (fig. 2.2). 6. Vacumetro (fig. 2.4), 7. Trampas de vapor (fig. 2.4). 8. Bomba de Vaco (fig. 2.5). Equipo de Vidrio 1. dos probetas de 100 mL. 2. una probeta de 200 mL. 3. Una pera de decantacin. 4. Envases de vidrio color mbar. Equipos accesorios 1. Cocina elctrica de 1500 Watts. 2. Molino artesanal. 3. Cronmetro digital. 4. Balanza (capacidad 10 Kg.). 5. Secador. Materia Prima 1. Cscara de naranja obtenida de los puestos de expendio de jugos de naranja. Reactivos: 1. Agua Potable 2. Agua desionizada 2.1.2. Diagrama de Flujo de el Proceso (ver figura 2.1) 2.1.3. Recoleccin y tratamiento de la materia Prima Lamuestrafuerecolectadadediferentespuestosdeexpendiode jugodeNaranjadelaciudaddeLima,eltratamientoquese dio se muestra a continuacin: 2.1.3.1. Recoleccin: Nuestra materia prima, la cscara de naranja es obtenida en tiras de lospuestosdeexpendiodejugodenaranja(fig.2.2),estospuestos suelen tener como desecho ests cscaras, adems de restos de fruta exprimida,loscualessonpuestoscomobasura,incrementando,de estaformalacargaambiental,ademsdeconstituirunelemento contrario al ornato de la ciudad. En los lugares que se visitaron, siendo un total de 20 (tabla 2. l), se tuvo un promedio de cscara fresca producida de 7 Kg./da, haciendo deestaformauntotalde140Kg.EnLimaseestimaquehaypor encimade500puestosdeexpendiodeestanaturaleza,sincontar aquellos puestos que no son considerados ambulantes. Larecoleccinsevefacilitadayaqueesusualqueseparenlas cscaras de naranja del resto de desechos, sin embargo hay casos en los que no fue as, de esta forma se tiene que separar las cscaras de otrosdesechos,comosoncaasparasorberjugo,restosdefruta, entre otros, la separacin es de forma manual, siendo esta facilitada por el tamao de los desechos encontrados. Consultar captulo completo en formato impreso CAPITULO III ANALISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS 3.1. DETERMINACIN DE PARMETROS PTIMOS EXPERIMENTALES. 3.1.1. Preparacin de la materia prima:Delasdiferentesformasdepreparacinposiblesparala hidroextraccin, se obtuvieron los siguientes resultados: Ver tabla 3.1, en formato impreso Cmoseobserva,elusodecscaradenaranjasecay convenientemente molida es la mejor opcin. 3.1.2. Efecto de la molienda sobre la eficiencia de extraccin. Cuando se hizo la extraccin con cscara de naranja, con tamao de partcula de 4mm, las eficiencias oscilaron entre 3.4% a 5.3%- por el contrario, en todas las corridas donde el dimetro fue mayor a 6 mm,laeficienciafuede3.01%haciaabajo(vertablaN3.7). En consecuencia,eltamaopromedioadecuadodebesermenorde6 mm. 3.1.3. Efecto del Flujo de vapor sobre la eficiencia de extraccin: Alreducirelflujodevaporenlascorridas7y8(TablaNA-1), se observa que el rendimiento disminuye a de 2.4 y 2.5, las cuales son la mitad del rendimiento mximo obtenido. De esta forma se puede aseverarqueelflujodevaporesdirectamenteproporcionalala eficiencia del proceso, dentro de un rango de valores. 3.2.RESULTADOSDELOSANLISISFISICOQUMICOSDEL PRODUCTO. 3.2.1. Caractersticas generales del aceite esencial de cscara de naranja. Elaceiteesencialdenaranjaesligeramenteamarillentodeolor caractersticoanaranjas,mientrasquesusaboresligeramente amargo. Consultar captulo completo en formato impreso CAPITULO IV INGENIERIA DEL PROYECTO 4.1.CLCULODELOSREQUERIMIENTOSDEMATERIAPRIMAY SALIDA DE PRODUCTO. Tal como se dijo en la seccin 2.1.3.1. Se podra disponer de una cargadiariadehasta3500Kg.,entodalaciudaddeLima,Para losclculos,asumiendoun15%deestacantidad,esdecir: 525 Kg. /da. Primerosedebedecalcularlacantidaddeaceitearefinar, utilizandoelporcentajedeaceitepromedioextradodela cscara.Tomandoencuentaquelahumedadpromediodela cscara es de 58.2%, el peso de cscara seca ser de: 525 -525Kg x (58,2%)= 219.5Kg. de Cscara Seca 100% Ahora,tomandoencuentaqueelporcentajedeaceiteobtenido enpromedioesde4.16%,sedebedecalcularlacantidadde aceite de la que vamos a disponer para utilizar en el fraccionador. El clculo de la cantidad de aceite a refinar es de: 219.5Kg x 4.16% = 9.15KjZ de aceite extrado.100 Es decir, se debe procesar 9.15 Kg de aceite esencial de cscara de naranja por carga. Ahora,conestedato,sedebeescalarelvolumendeaguaa utilizar y la consiguiente composicin en el fondo y en el tope. Por los datos en la tabla N 2.9, se tiene que el aceite se reparte en el equipo de la siguiente manera: Boiler: queda el 17.7%, que en este caso sera 1.62 Kg. Receptor: Queda el 82.3% que sera 7.53 Kg. Encuantoalbalancedelagua,elaguaenelreceptorsetoma como la cantidad de vapor requerido para transportar el aceite. Sedeseaquelacantidaddeaguaseaequivalentealadeaceite obtenido hasta hacerla equivalente a la cantidad de aceite. De esta forma,sevanahacerlosclculosparatransportarhastael receptor7.53Kg.deaceite(55.4Moles)y7.53Kg.deagua (418.3 Mol). El resto de agua retornar el boiler. Y en el boiler: 1.62Kg. aceite (2.54Kg.agua l Kg. aceite)= 4.11Kg. agua A lo que se le suma 7.53 Kg. Que hubieran subido al receptor; de donde la cantidad total de agua en el boiler sera 23.23 Kg. Consultar captulo completo en formato impreso CONCLUSIONES 1.Elrendimientopromediodelaceiteobtenidofuede4.2%,siendolos factores principales que influyen el tamao de partcula, siendo los valores encontrados como apropiados para la separacin