tesis TRAMITE FECHA

|

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E

INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

Solubilidades de la capsaicina y pigmentos

liposolubles (carotenoides) del chile poblano

en CO2 supercrítico

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

DOCTOR EN CIENCIAS

EN INGENIERÍA QUÍMICA

P R E S E N T A

OCTAVIO ELIZALDE SOLIS

Director: Dr. Luis Alejandro Galicia Luna

Junio 2008

Agradecimientos

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 Doctorado y

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 y

Doctorado.

A la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas por la formación

académica que me brindó.

Al Programa Institucional para la Formación de Investigadores (P.I.F.I.) y Programa

Institucional de Becas del Instituto Politécnico Nacional, por el apoyo económico otorgado

durante mis estudios de Doctorado.

A los profesores: M. en C. Néstor L. Díaz Ramírez, Ex director de la E.S.I.Q.I.E. y M. en

C. Jesús Salvador Meza Espinoza director de la E.S.I.Q.I.E. por su valioso apoyo que

amablemente me brindó.

Al Dr. José Manuel Hallen López y Dr. Jorge Luis González Velázquez por su apoyo

económico brindado a través de sus proyectos de investigación.

A los miembros del jurado por sus excelentes comentarios que enriquecieron el manuscrito

del presente trabajo. A los miembros externos del jurado Dr. Antonio Ruperto Jiménez

Aparicio y Dr. Rafael Eustaquio Rincón por su valiosa aportación en la revisión de mi Tesis

y su asistencia al examen doctoral. A los profesores de la S.E.P.I. – E.S.I.Q.I.E. Dr.

Roberto Limas Ballesteros Dr. Christian Bouchot Dra. Tatiana Timoshina Lukianova por

sus acertados comentarios que contribuyeron al mejoramiento del manuscrito 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 por el apoyo para realizar los trámites administrativos

durante el desarrollo de mis es tudios de posgrado.

A mis compañeros y amigos del laboratorio de termodinámica, M. en C. Felix F.

Betancourt Cárdenas, M. en C. Luis Enrique Camacho Camacho, Ing. Andrea Rodríguez

Calderón, Ing. Sergio Alvarez Badillo, Ing. Víctor Hugo Soto Ruiz, por su valiosa ayuda y

apoyo en diferentes momentos del desarrollo de mi trabajo de investigación.

A mis ex compañeros del laboratorio : Dr. Abel Zúñiga M., M. en C. Rodrigo Jiménez G.,

M. en C. Verónica Serrano C., Ing. Edson Alvarez B., Ing. Miguel A. Viazcan Ch., Julio

Guevara, por su amistad otorgada durante mis estudios.

A mis compañeros que conocí en mis estudios de posgrado: Ing. Rubén Bernal, Ing.

Gabriel Torres e Ing. Oscar González, por sus amenas pláticas, comentarios.

I

I N D I C E

Página

Lista de figuras …………………………………………………………………. IV

Lista de tablas …………………………………………………………………... VII

Resumen …………………………………………………………………........... X

Abstract …………………………………………………………………........... XII

INTRODUCCION ………………………………………………. XIV

1 - GENERALIDADES ……………………………………………... 18

1.1 - Variedades de chiles (Capsicum) ………………………………… 18

1.2 - Carotenoides ……………………………………………………… 19

1.2.1 - Propiedades de los carotenoides ………………………………….. 20

1.2.2 - β-caroteno ………………………………………………………… 21

1.3 - Capsaicinoides …………………………………………………… 21

1.3.1 - Capsaicina ………………………………………………………… 23

1.4 - Fluidos supercríticos ……………………………………………… 23

1.4.1 - Propiedades de los fluidos supercríticos ………………………….. 25

2 - ANTECEDENTES ………………………………………………. 28

2.1 - Solubilidad de β-caroteno en dióxido de carbono supercrítico …... 28

2.2 - Solubilidad de capsaicina en dióxido de carbono supercrítico …… 30

2.3 - Modelos para calcular solubilidad de sólidos en fluidos supercríticos 32

2.3.1 - Correlación de solubilidad de sólidos en fluidos supercríticos …… 33

2.4 - Técnicas analíticas para identificar carotenoides y capsaicinoides ... 34

2.4.1 - Identificación analítica de capsaicina …………………………. 34

II

Página

2.4.2 - Identificación analítica de β-caroteno …………………………….. 36

2.5 - Contenido de capsaicinoides en especies de Capsicum …………... 37

2.5.1 - Carotenoides y capsaicinoides en el chile poblano ……………... 38

2.6 - Extracción de carotenoides y capsaicinoides ……………………... 40

2.6.1 - Extracción de carotenoides y capsaicinoides con disolventes líquidos 40

2.6.2 - Extracción de carotenoides y capsaicinoides con CO2 supercrítico ... 41

3 - APARATO Y METODOLOGIA EXPERIMENTAL ………… 45

3.1 - Calibración de los instrumento de medición ……………………… 45

3.1.1 - Calibración de las sondas de temperaturas ……………………….. 45

3.1.2 - Calibración del transductor de presión …………………………… 48

3.1.3 - Calibración del densímetro de tubo vibrante …………………….. 50

3.1.4 - Calibración de la balanza analítica ……………………………….. 51

3.1.5 - Calibración del detector cromatográfico (DAD – HPLC) ………... 51

3.2 - Métodos experimentales para determinar solubilidades ………….. 52

3.2.1 - Método estático-sintético …………………………………………. 53

3.2.2 - Método estático-analítico ………………………………………. 53

3.3 - Aparato y procedimiento experimental ………………………... 54

3.3.1 - Celda de equilibrio visual a volumen variable ……………………. 54

3.3.2 - Celda de equilibrio visual a volumen variable + densímetro de tubo

vibrante ………………………………………………………... 56

3.3.3 - Aparato estático-analítico ………………………………………… 57

3.3.4 - Aparato dinámico-analítico ……………………………………….. 60

3.3.5 - Equipo de extracción por fluidos supercríticos …………………… 62

III

Página

4 - RESULTADOS ………………………………………………. 65

4.1 - Solubilidad de capsaicina en CO2 determinada en la celda visual a

volumen variable ………………………………………………….. 66

4.2 - Solubilidad de sólidos en CO2 supercrítico determinada en la celda

visual a volumen variable + DTV ………………………………… 70

4.2.1 - Solubilidad de capsaicina en CO2 ………………………………… 70

4.2.2 - Solubilidad de ácido palmítico en CO2 …………………………… 75

4.2.3 - Solubilidad de ácido palmítico en CO2 + co-disolvente ………….. 79

4.3 - Solubilidad de sólidos en CO2 supercrítico por el método estático

analítico …………………………………………………………… 82

4.3.1 - Identificación y calibración del DAD con reactivos de alta pureza … 82

4.3.2 - Solubilidad de capsaicina en CO2 ………………………………… 87

4.3.3 - Solubilidad de β-caroteno en CO2 ………………………………... 92

4.3.4 - Solubilidad de paracetamol en CO2 ………………………………. 95

4.4 - Solubilidad de capsaicina en CO2 por el método dinámico-analítico 97

4.5 - Extracción de capsaicinoides CO2 supercrítico a partir del chile

poblano ……………………………………………………………. 99

CONCLUSIONES ……………………………………………… 106

RECOMENDACIONES ………………………………………... 108

BIBLIOGRAFIA ………………………………………………... 109

ANEXO A ………………………………………………………... 115

ANEXO B ………………………………………………………... 133

IV

L I S T A D E F I G U R A S

Página

1.1 - Estructura química del β-caroteno ...................................................................... 21

1.2 - Estructura química de la capsaicina .................................................................... 23

1.3 - Diagrama de fase de sólido- líquido-gas ............................................................. 24

1.4 - Propiedades de fluidos supercríticos ................................................................... 26

2.1 - Solubilidad del β-caroteno en CO2 reportado en la literatura a 313 K ................ 30

2.2 - Solubilidad de la capsaicina en CO2 reportado en la literatura ........................... 32

2.3 - Cromatograma de identificación de capsaicina (C) y dihidrocapsaicina (DC)

reportado en literatura ……………………………………………………….... 35

2.4 - Cromatograma de β-caroteno, 1: trans, 2: cis, 3: impureza ................................ 37

2.5 - Curvas de extracción del chile en polvo en diferentes disolventes ……………. 44

3.1 - Sistema para calibrar las sondas de platino ……………………………………. 46

3.2 - Residua les de la calibración de la sonda 1 …………………………………….. 47

3.3 - Residuales de la calibración de la sonda 2 …………………………………….. 47

3.4 - Sistema para calibración del transductor de presión ........................................... 48

3.5 - Residuales de la calibración del transductor de presión ……………………….. 49

3.6 - Residuales de la calibración del detector DAD ………………………………... 52

3.7 - Celda de equilibrio visual de volumen variable ……………………………….. 54

3.8 - Celda de equilibrio visual de volumen variable + DTV ………………………. 56

3.9 - Cromatógrafo de líquidos Agilent – HPLC 1100 series ………………………. 58

3.10 - Aparato estático-analítico en línea …………………………………………….. 59

3.11 - Aparato dinámico-analítico en línea …………………………………………... 61

3.12 - Diagrama de equipo de extracción por fluidos supercríticos ………………….. 62

V

Página

4.1 - Solubilidad de capsaicina en CO2 a 298 K con la celda de volumen variable .... 67

4.2 - Solubilidad de capsaicina en CO2 a 313 K con la celda de volumen variable .... 67

4.3 - Correlación de datos de solubilidad de capsaicina en CO2 con el modelo MS-T… 68

4.4 - Solubilidad de capsaicina en CO2 a 313 K con la celda de volumen variable +

DTV …………………………………………………………………………… 72

4.5 - Solubilidad de capsaicina en CO2 a 318 K con la celda de volumen variable +

DTV …………………………………………………………………………… 72

4.6 - Densidades de saturación de la mezcla capsaicina + CO2 …………………….. 73

4.7 - Correlación de las isotermas de solubilidad de capsaicina en CO2 con el modelo

MS-T …………………………………………………………………………... 75

4.8 - Solubilidad de ácido palmítico en CO2 a 313 K ………………………………. 76

4.9 - Solubilidad de ácido palmítico en CO2 a 318 y 328 K ………………………... 77

4.10 - Correlación de la solubilidad de ácido palmítico en CO2 con el modelo MS-T….. 78

4.11 - Comparación de la solubilidad de ácido palmítico en CO2 en presencia de un co-

disolvente ……………………………………………………………………… 80

4.12 - Correlación de la solubilidad de ácido palmítico en CO2 + alcohol …………... 81

4.13 - Análisis HPLC de capsaicina 97% pureza …………………………………….. 83

4.14 - Calibración del detector DAD con capsaicina ………………………………… 83

4.15 - Análisis HPLC de paracetamol 99.7% pureza ………………………………… 85

4.16 - Calibración del detector DAD con paracetamol ………………………………. 85

4.17 - Análisis HPLC de β-caroteno 98% pureza. Con dos diferentes condiciones en el

HPLC ………………………………………………………………………….. 86

4.18 - Calibración del detector DAD con β-caroteno con la condición 1 ……………. 87

4.19 - Comparación de la solubilidad de capsaicina en CO2 con datos de literatura a

298 y 313 K ……………………………………………………………………. 89

VI

Página

4.20 - Comparación de la solubilidad de capsaicina en CO2 con datos de literatura a

328 K …………………………………………………………………………... 90

4.21 - Correlación de la solubilidad de capsaicina en CO2 con el modelo MS-T 91

4.22 - Análisis HPLC de muestra de β-caroteno + CO2 enviada desde la celda de

equilibrio ………………………………………………………………………. 93

4.23 - Comparación de la solubilidad de β-caroteno en CO2 con datos de literatura a

298 K …………………………………………………………………………... 93

4.24 - Comparación de la solubilidad de β-caroteno en CO2 con datos de literatura a

313 K …………………………………………………………………………... 94

4.25 - Comparación de la solubilidad de paracetamol en CO2 a 313 K ……………… 96

4.26 - Correlación de la solubilidad de paracetamol en CO2 con el modelo MS-T ….. 96

4.27 - Comparación de la solubilidad de capsaicina en CO2 supercrítico a 313 K …... 98

4.28 - Extracción de capsaicina con CO2 supercrítico a 318 K ………………………. 102

4.29 - Extracción de dihidrocapsaicina con CO2 supercrítico a 318 K ………………. 103

4.30 - Eficiencia en la extracción de capsaicina con CO2 supercrítico a 27.5 MPa ….. 104

4.31 - Eficiencia en la extracción de dihidrocapsaicina con CO2 supercrítico a 27.5

MPa ……………………………………………………………………………. 104

4.32 - Eficiencia en la extracción de capsaicina con CO2 supercrítico a 318 K ……… 105

4.33 - Eficiencia en la extracción de dihidrocapsaicina con CO2 supercrítico a 318 K…. 105

VII

L I S T A D E T A B L A S

Página

1.1 - Clasificación taxonómica del chile ...………...................................................... 18

1.2 - Clasificación de los colorantes .........………...................................................... 19

1.3 - Estructura general y tipos de capsaicinoides ...................................................... 22

1.4 - Propiedades críticas de algunos disolventes ......................................…………. 24

2.1 - Métodos experimentales utilizados para determinar solubilidades de β-caroteno

en CO2 reportados en la literatura ……………………………........................... 29

2.2 - Solubilidad del β-caroteno (2) en CO2 (1) supercrítico ..................................... 29

2.3 - Métodos experimentales utilizados en literatura para solubilidad de capsaicina en

CO2 …………………………………………………………….......................... 31

2.4 - Solubilidad de la capsaicina en CO2 supercrítico ............................................... 31

2.5 - Identificación de capsaicina reportado en la literatura por HPLC …………..... 35

2.6 - Identificación de β-caroteno reportada en la literatura por HPLC ……………. 36

2.7 - Contenido de capsaicinoides de 6 fruto s, cosechado 14 días después de florear 38

2.8 - Contenido de capsaicinoides de 7 frutos cosechadas después del florecimiento

dentro del mismo año .......................................................................................... 38

2.9 - Contenido de capsaicinoides a partir de tres diferentes plantas cosechadas 20-25

días después de florear ........................................................................................ 39

2.10 - Contenido de carotenoides activos de la vitamina A (µg/100g de producto

fresco) ………………………………………………………………………… . 40

2.11 - Concentración de carotenoides en el pimiento rojo obtenidas con CO2

supercrítico y por extracción soxhlet con hexano ............................................... 41

2.12 - Contenido de los principales carotenoides de un extracto de pimiento .............. 42

2.13 - Contenido de capsaicinoides en el extracto obtenido de un pimiento ................ 43

2.14 - Extracto total y contenido de capsaicina en extracto del chile en polvo ............ 44

VIII

Página

3.1 - Valores de los parámetros de la ecuación (3.1) ……………………………….. 46

3.2 - Valores de los parámetros de la ecuación (3.2) ……………………………….. 49

4.1 - Solubilidades de capsaicina en CO2 por el método estático-sintético ………… 66

4.2 - Solubilidad de capsaicina en CO2 por el método estático-sintético + DTV …… 71

4.3 - Correlación MS-T para solubilidades de capsaicina en CO2 usando mρ y CO2ρ 74

4.4 - Solubilidad de ácido palmítico (1) en CO2 (2) ………………………………... 76

4.5 - Solubilidad de ácido palmítico (1) en mezclas CO2 (2) + alcohol (3) ………… 79

4.6 - Pureza de los reactivos utilizados ……………………………………………... 82

4.7 - Solubilidad de capsaicina en CO2 por el método estático-analítico en línea……... 88

4.8 - Solubilidad de β-caroteno en CO2 por el método estático-analítico en línea…….. 92

4.9 - Solubilidad de paracetamol en CO2 por el método estático-analítico en línea…… 95

4.10 - Solubilidad de capsaicina en CO2 por el método dinámico-analítico en línea…… 97

4.11 - Extracción de capsaicinoides con CO2 supercrítico a 308 K ………………….. 99



A.1 - Densidades de la mezcla CO2 (y1 = 0.999941) + capsaicina (y1 = 5.83 x 10-5)….. 116

A.2 - Densidades de la mezcla CO2 (y1 = 0.999918) + capsaicina (y1 = 8.19 x 10-5) …. 117

A.3 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + capsaicina (2) a diferente composición…….. 118

A.4 - Densidades de la mezcla CO2 (y1 = 0.999903) + capsaicina (y2 = 9.72 x 10-5) ….. 119

A.5 - Densidades de la mezcla CO2 (y1 = 0.999866) + capsaicina (y2 = 13.32 x 10-5)… 120



IX

Página


A.9 - Densidades de la mezcla CO2 (y1 = 0.999798) + capsaicina (y2 = 20.19 x 10-5) ... 124


A.11 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + ácido palmítico (2) a 313 K ……………... 126



A.14 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + ácido palmítico (2) con 3 mol% de etanol (3)

a 313 K ……………………………….........………………..……………......... 129

A.15 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + ácido palmítico (2) con 6 mol% de etanol (3)

a 313 K ……………………………….........………………..……………......... 130

A.16 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + ácido palmítico (2) con 3 mol% de 2-

propano l (3) a 313 K ……………………………….........………………..…… 131

A.17 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + ácido palmítico (2) con 6 mol% de 2-

propanol (3) a 313 K ……………………………….........………………..…… 132

X

R E S U M E N

En este trabajo de tesis se determinaron experimentalmente datos de solubilidad de sólidos en

disolventes supercríticos en cuatro diferentes aparatos. Además se realizó un análisis del alcance

y las ventajas de cada aparato en la determinación de solubilidades.

Los sistemas estudiados fueron los siguientes:

Aparato Sistema Solubilidad sólido

2y (mol/mol) Sólido + disolvente + co-disolvente

1.- Estático – sintético Capsaicina + CO2 (6.8–14.9) x 10-5

2.- Estático – sintético + DTV Capsaicina + CO2

Ácido palmítico + CO2

Ácido palmítico + CO2 + etanol

Ácido palmítico + CO2 + 2-propanol

(5.8–20.2) x 10-5

(1.44–26.49) x 10-4

(1.011–15.699) x 10-3

(3.511–16.209) x 10-3

3.- Estático – analítico Capsaicina + CO2

β-caroteno + CO2

Paracetamol + CO2

(0.58–32.68) x 10-5

(0.30–4.72) x 10-7

(4.3–15.8) x 10-7

4.- Dinámico – analítico Capsaicina + CO2 (5.92–12.23) x 10-5

El primer aparato de medición de solubilidades, que consiste en una celda visual de volumen

variable, se utilizó para determinar solubilidades de capsaicina (IUPAC: 8-metil-N-vanillil-trans-

6-nonenamida) en dióxido de carbono (CO2). Los resultados obtenidos utilizando el criterio de

medición de solubilidades reportado por Zúñiga-Moreno et al. [Fluid Phase Equilib. 234 (2005)

151-163] demuestran que el aparato estático – sintético puede ser aplicado para solubilidades de

sólidos mayores a 6 x 10-5 en fracción molar.

En el segundo aparato, la celda visual de volumen variable fue acoplada a un densímetro de tubo

vibrante (DTV) para la medición simultánea de solubilidades y densidades de las mezclas

capsaicina en CO2 y ácido palmítico (IUPAC: ácido hexadecanoico) en CO2 incluyendo las

densidades en la zona de saturación. La influenc ia de un alcohol como co-disolvente fue

estudiada en las solubilidades de ácido palmítico en CO2 a 313 K. El co-disolvente utilizado fue

etanol y 2-propanol en composiciones de 3% y 6% molar en dióxido de carbono.

XI

El aparato y la metodología del tercer equipo de medición de solubilidades de sólidos en

disolventes supercríticos fue ron desarrollados durante este trabajo de tésis con base en el método

estático – analítico. Básicamente, la celda de equilibrio se encuentra conectada a un cromatógrafo

de líquidos de alta eficiencia (HPLC) por lo que las muestras de la fase fluida saturada del sólido

fueron tomadas en línea. Los sistemas estudiados fueron:

• Solubilidad de capsaicina (IUPAC: 8-metil-N-vanillil-trans-6-nonenamida) en CO2

• Solubilidad de β-caroteno (IUPAC: 3,7,12,16-tetrametil-1,18-bis(2,6,6-trimetil-1-

ciclohexenil)-octadeca-1,3,5,7,9,11,13,15,17-nonaeno) en CO2

• Solubilidad de paracetamol (IUPAC: N-(4-hidroxifenil)etanamida) en CO2

El aparato anterior fue modificado para desarrollar el cuarto aparato basado en el método

dinámico – analítico. Una bomba de alta presión fue utilizada para recircular la fase fluida y

también se conectó en línea al cromatógrafo de líquidos, el sistema estudiado fue capsaicina en

CO2.

El alcance de los aparatos de medición para determinar solubilidad de sólidos en disolventes

supercríticos se realizó comparando los resultados obtenidos con respecto a los datos publicados

en la literatura. Además se revisó la consistencia interna de los resultados en cada sistema por

medio de la correlación propuesta por Mendez-Santiago y Teja [Fluid Phase Equilib. 158-160

(1999) 501-510] (MS-T). Como se muestra en el capítulo de resultados, se encontró buena

concordancia en las mediciones de solubilidad de sólidos en disolventes supercríticos realizadas

con los métodos estático – sintético, estático – sintético + densímetro de tubo vibrante, estático –

analítico y dinámico – analítico.

Posteriormente se realizaron extracciones de capsaicinoides con CO2 supercrítico a partir de

muestras de chile poblano fresco (Capsicum annuum L.) a diferentes condiciones de temperatura

y presión para encontrar las condiciones óptimas de extracción. Las extracciones se realizaron en

un equipo de extracción por fluidos supercríticos a “escala laboratorio” bajo diferentes

condiciones de temperatura, presión y flujo constante del disolvente. Derivado de este estudio se

encontró que las mejores condiciones de extracción fueron obtenidas a 30 MPa y 318 K.

XII

A B S T R A C T

In this thesis work, experimental solubility data of solids in supercritical solvents were measured

in four different apparatus. Besides, an analysis of the scope and advantages of each apparatus for

obtaining solubility data was made.

The studied systems were:

Apparatus System Solid solubility

2y (mol/mol) Solid + solvent + co-solvent

1.- Static – syntetic Capsaicin + CO2 (6.8–14.9) x 10-5

2.- Static – syntetic + VTD Capsaicin + CO2

Palmitic acid + CO2

Palmitic acid + CO2 + ethanol

Palmitic acid + CO2 + 2-propanol

(5.8–20.2) x 10-5

(1.44–26.49) x 10-4

(1.011–15.699) x 10-3

(3.511–16.209) x 10-3

3.- Static – analytic Capsaicin + CO2

β-carotene + CO2

Paracetamol + CO2

(0.58–32.68) x 10-5

(0.30–4.72) x 10-7

(4.3–15.8) x 10-7

4.- Dynamic – analytic Capsaicin + CO2 (5.92–12.23) x 10-5

The first apparatus for solubility measurements, which consists of a volume variable view-cell,

was used to measure the solubility of capsaicin (IUPAC: 8-methyl-N-vanillyl-trans-6-

nonenamide) in carbon dioxide (CO2). The results obtained under the measuring solubility

criterion reported by Zúñiga-Moreno et al. [Fluid Phase Equilib. 234 (2005) 151-163] reveal that

the static – synthetic apparatus can be functional for measuring solubility of solids with mole

fraction higher than 6 x 10-5.

In the second apparatus, the volume variable view-cell was coupled to a vibrating tube

densitometer (VTD) to measure simultaneously the solubility and densities of the capsaicin in

CO2 and palmitic acid (IUPAC: hexadecanoic acid) in CO2 mixtures including the densities in the

saturation region. The influence of an alcohol as a co-solvent was studied in the solubility of

palmitic acid in CO2 at 313 K. Ethanol and 2-propanol were used as co-solvents at compositions

of 3% and 6% mol in carbon dioxide.

XIII

The apparatus and methodology of the third equipment for experimental solid solubilities in

supercritical solvents were developed in this work based on the static – analytic method.

Basically, the equilibrium cell is connected to a high performance liquid chromatograph (HPLC),

therefore the samples of the fluid phase saturated with the solid were taken on-line. The studied

systems were :

• Solubility of capsaicin (IUPAC: 8-methyl-N-vanillyl-trans-6-nonenamide) in CO2

• Solubility of β-carotene (IUPAC: 3,7,12,16-tetramethyl-1,18-bis(2,6,6-trimethyl-1-

ciclohexenyl)-octadeca-1,3,5,7,9,11,13,15,17-nonaene) in CO2

• Solubility of paracetamol (IUPAC: N-(4-hidroxiphenyl)ethanamide) in CO2

Tha above apparatus was modified to develop the fourth apparatus based on the dynamic –

analytic method. A high pressure pump was used to recirculate the fluid phase and was also

connected on- line to a liquid chromatograph; the studied system was capsaicin in CO2.

The scope of the apparatus for measuring solubility of solids in supercritical solvents was

determinated by comparing the obtained results with respect to the literature data. Besides, the

internal consistency of the solubility results was checked for each system by means of the

correlation proposed by Mendez-Santiago and Teja [Fluid Phase Equilib. 158-160 (1999) 501-

510] (MS-T). As shown in the chapter results, good agreements was found for the measurements

performed with the apparatus static – synthetic, static – synthetic + vibrating tube densitometer,

static – analytic and dynamic – analytic.

Afterwards, supercritical CO2 extractions of capsaicinoids from fresh poblano pepper (Capsicum

annuum L.) were performed at several temperatures and pressures to find the optimum extraction

conditions. Extractions were carried out at “laboratory scale” in an SCF extraction device under

different conditions of temperature and pressure at constant solvent flowrate. From this study, it

was found that the best extraction conditions were obtained at 30 MPa and 318 K.

XIV

I N T R O D U C C I Ó N

Debido a la diversidad de cultivos que existen en México, es importante buscar alternativas para

aportar valor agregado a los frutos o plantas cultivadas en nuestro país. Los extractos naturales

obtenidos a partir de estas fuentes tienen numerosas aplicaciones en la industria farmacéutica,

cosméticos, alimentos, textil, área medicinal, entre otras. Existen diferentes procesos para la

obtención de extractos naturales donde se emplean orgánicos por lo que es necesario diseñar

diferentes procesos no contaminantes y principalmente obtener extractos naturales libres de

disolventes. Además, el consumo de productos sintéticos es cada vez menor ya que los productos

naturales presentan mayores ventajas, principalmente en la salud de los seres humanos.[1]

Los extractos obtenidos a partir de plantas o frutos se hace por medio de disolventes orgánicos;

estos extractos son principalmente utilizados como saborizantes, colorantes y esencias, entre

otros. Por ejemplo en la industria alimenticia se obtienen extractos a partir de diferentes

variedades de chiles (Capsicum) empleando disolventes orgánicos como el hexano , sin embargo

tienen la desventaja de que no son completamente removidos produciendo una contaminación del

producto final, además la alta temperatura de operación durante el proceso provoca la

desnaturalización de algunos compuestos como aquellos que son termolábiles.[1,2]

La concentración de los extractos de productos naturales, entre ellos del chile, puede variar de

acuerdo a la etapa de maduración (temprana: coloración verde, tardía: coloración roja,

deshidratado: seco), tipo de cosecha y frutos de una misma planta. Para el caso del chile poblano

(Capsicum annuum L.) los carotenoides, capsaicinoides y tocoferoles son los grupos de

compuestos que se encuentran en este fruto; la capsaicina es el componente en mayor cantidad de

los capsaicinoides y el β-caroteno es uno de los componentes principales de los caroteno ides

presentes en esta variedad de chile.

Por otra parte, los fluidos supercríticos han sido usados ampliamente en la extracción de diversos

compuestos naturales a partir de plantas y frutos debido a las propiedades que presentan. Las

regulaciones ambientales en diversos países han provocado que en algunos procesos de

extracción de productos alimenticios, este tipo de fluidos reemplacen a determinados disolventes

XV

orgánicos que son prohibidos o bien con límites de concentración de 25 ppm en el producto final

como es el caso de los Estados Unidos (Food and Drug Administration).[172-174]

El dióxido de carbono (CO2) es el disolvente supercrítico que más se ha empleado debido a que

su temperatura crítica es baja (304.12 K), esto permite que sea un disolvente apropiado para hacer

extracciones de compuestos termolábiles como es el caso de los carotenoides y capsaicinoides

que sufren una descomposición térmica por arriba de 335 K; aunque para este último tipo de

compuestos ésta característica no está totalmente comprobada. El uso de co-disolventes polares

como los alcoholes provoca que la solubilidad del soluto sea incrementada principalmente en

solutos poco solubles en el disolvente supercrítico.

Para poder realizar el proceso de extracción por fluidos supercríticos es necesario conocer el

comportamiento que presentan los solutos en el dióxido de carbono a través de estudios de

propiedades básicas como equilibrio de fases, propiedades volumétricas y de transporte; además

los datos de solubilidad son necesarios para establecer las condiciones de temperatura y presión a

las cuales el soluto es más soluble en CO2 a partir de una muestra multicomponente.

Sin embargo, las técnicas experimentales para determinar solubilidades de sólidos en disolventes

supercríticos reportados en la literatura presentan problemas por lo que es común encontrar

desviaciones en las solubilidades de 20 hasta 80% para un mismo sistema a las mismas

condiciones.[1,2] Esto hace necesario el desarrollo de técnicas experimentales en la determinación

de propiedades para sistemas sólido + disolvente supercrítico ya que si se cuenta con datos

confiables de solubilidad pueden ser utilizados en la validación de modelos termodinámicos y en

el diseño de procesos de extracción.

Debido a esto, en el Laboratorio de Termodinámica de la S.E.P.I. – E.S.I.Q.I.E. se ha propuesto

el desarrollo de aparatos y metodologías experimentales para obtener datos de solubilidad de

sólido en disolvente supercríticos necesarios para desarrollar procesos de extracción a

condiciones supercríticas principalmente de aquellas fuentes naturales donde se puede

proporcionar valor agregado a los productos finales.

XVI

Para fines prácticos de redacción y comprensión de lectura, a partir de esta sección la

identificación de cada compuesto sólido se realizará utilizando el nombre común de cada uno de

ellos debido a que su nomenclatura IUPAC es muy extensa.

En este trabajo de tesis se llevaron a cabo mediciones de solubilidad de capsaicina, β-caroteno,

paracetamol y ácido palmítico en CO2; así como ácido palmítico en las mezclas CO2 + etanol y

CO2 + 2-propanol. La capsaicina y β-caroteno son algunos de los compuestos presentes en el

chile poblano. La capsaicina es el compuesto principal del grupo de los capsaicinoides que

provocan el efecto pungente en diversas variedades de chiles. El β-caroteno es uno de los

carotenoides que se puede obtener sintét icamente, además se encuentra en algunas plantas y

animales proporcionándoles el color amarillo.[3] Como consecuencia de las diferencias

encontradas entre los resultados experimentales y los valores reportados en la literatura para la

solubilidad de β-caroteno en CO2, se determinó la solubilidad de paracetamol en CO2. Este

compuesto sólido fue seleccionado principalmente porque tiene un intervalo de solubilidad

similar al sistema β-caroteno en CO2, además tiene las ventajas que no sufre oxidación y no se

degrada por temperatura ni por luz visible. El ácido palmítico es un compuesto que se encuentra

presente en algunas carnes, grasas lácteas y principalmente en el aceite de palma y tiene diversas

aplicaciones como puede ser la elaboración de maquillajes, cremas, jabones y como agente

secante de pinturas.

Para la determinación experimental de solubilidad de sólidos en disolventes supercríticos, se han

propuesto cuatro aparatos basados en diferentes métodos de medición debido a que en el método

estático sintético sólo se puede obtener composiciones en fracción molar del sólido mayores a 6 x

10-5.

XVII

En resumen las aportaciones principales de esta tesis son:

⇒ Por medio del densímetro de tubo vibrante se determinaron nuevos datos de

densidades de sólidos en disolventes supercríticos con composiciones hasta 5.8 x 10-5

fracción molar del sólido.

⇒ Desarrollo del aparato y metodología experimental basado en el método estático –

analítico y dinámico – analítico, ambos con muestreo en línea para determinación de

solubilidades de sólidos en disolventes supercríticos. Esto representa una ventaja con

respecto a los métodos donde la muestra tiene que ser recolectada manualmente.

⇒ Determinación de solubilidades de sólidos en dióxido de carbono a bajas

composiciones de hasta 2y = 3 x10-8 fracción molar.

⇒ Extracción de capsaicinoides con CO2 supercrítico a partir de muestras de chile

poblano fresco (Capsicum annuum L.). La extracción de estos compuestos se realizó en

una planta de extracción por fluidos supercríticos.

Para la descripción de los resultados obtenidos en este trabajo, los capítulos se han distribuido en

4 secciones. En el primer capítulo se presentan las generalidades de este trabajo, las variedades de

los chiles las propiedades de la capsaicina, β-caroteno y su clasificación es brevemente explicada.

Las caracteristicas y propiedades de los fluidos supercríticos, los fluidos supercríticos más

comunes son presentados de manera general así como las propiedades y ventajas del uso de

dióxido de carbono como disolvente supercrítico.

En el segundo capítulo se describen los antecedentes previos a este trabajo de tesis. Se incluyen

sólo los trabajos publicados de solubilidad de β-caroteno en CO2. Con respecto a la solubilidad

de capsaicina en disolventes supercríticos sólo se detallan aquellos datos reportados en dióxido de

carbono. Debido a que algunos aparatos utilizados en este trabajo implican el uso de un método

analítico por HPLC, se realizó un resúmen de las condiciones cromatográficas reportadas en la

literatura para identificación de los sólidos de interés. Finalmente se analizaron los trabajos

publicados de extracción de capsaicinoides con disolventes supercríticos.

El tercer cap ítulo incluye el procedimiento de calibración de los termómetros de temperatura,

transductores de presión, balanza analítica y detector cromatográfico, la descripción y

metodología experimental utilizada en cada aparato para la determinación de solubilidades de

XVIII

sólidos en disolventes supercríticos y extracción de productos naturales por fluidos supercríticos.

Los aparatos utilizados en la medición de solubilidad son: (1) celda visual de volumen variable

(estático – sintético), (2) celda visual de volumen variable + densímetro de tubo vibrante (estático

– sintético + DTV), (3) estático – analítico y (4) dinámico – analítico.

Los resultados experimentales de este trabajo y su discusión son presentados en el capítulo

cuatro. Se reportan las solubilidades de sólidos (capsaicina, β-caroteno, paracetamol y ácido

palmítico) en CO2 y su correlación con el modelo propuesto por Mendez-Santiago y Teja [Fluid

Phase Equilib. 158-160 (1999) 501-510]. La influencia de un co-disolvente en la solubilidad de

ácido palmítico en CO2 se reporta a 313 K, el co-disolvente utilizado fué etanol o 2-propanol.

Además se obtuvieron densidades de las mezclas CO2 + capsaicina y ácido palmítico + CO2. Las

extracciones de capsaicinoides con CO2 supercrítico a partir de muestras de chile poblano verde

(Capsicum annuum L.) están reportadas al final del capítulo.

Las conclusiones y recomendaciones derivadas de este trabajo son presentadas con el objetivo de

impulsar algunos trabajos futuros relacionados con estos temas. Posteriormente se presenta la

bibliografía referente a éste trabajo. En la sección de anexos se presenta el desarrollo del cálculo

de las incertidumbre experimentales, tablas de datos de las densidades experimentales de los

sistemas estudiados con el aparato estático – sintético + DTV y los productos obtenidos derivado

de este trabajo.

- 19 -

C A P Í T U L O 1

G E N E R A L I D A D E S

Recientemente la extracción por fluidos supercríticos ha tenido mucho auge orientado a los

productos naturales. El consumo de productos naturales en los últimos años ha sido mayor debido

a la ventaja que presentan sobre los productos obtenidos sintéticamente. En México, las

diferentes variedades del chile (Capsicum) tienen un amplio consumo en la población siendo los

principales compuestos nutritivos los carotenos y tocoferoles que son precursores de la vitamina

A y vitamina E, respectivamente. Por otra parte, los capsaicinoides y específicamente la

capsaicina son los causantes de sentir el efecto pungente al consumir los chile.

1.1 – VARIEDADES DE CHILES (CAPSICUM)

Capsicum es conocido con los nombres de chile, paprika y pimienta, dependiendo de la variedad

y uso.[4] De acuerdo a la clasificación taxonómica del chile, también puede ser subclasificado por

la especie. En el mundo existen más de 200 especies silvestres de Capsicum conocidas y sólo 5

domésticas: El C. annuum L., C. baccatum L., C. frutescecens L., C. chinense y C. pubescens. El

primero tiene muchas variedades entre los cuales se encuentra el C. annuum var. annuum . Dentro

del grupo C. annuum var. annuum están contenidos la mayor cantidad de todos los chiles que se

cosechan en México y por ende es económicamente importante.[6]

Tabla 1.1 – Clasificación taxonómica del chile.[5]

División : Angiospermae

Clase : Dycotyledoneae

Subclase : Tubiflorae

Familia : Solanaceae

Género : Capsicum

La importancia de las diferentes variedades de chile como un componente de la dieta del pueblo

mexicano es notoria por la gran área destinada a su cultivo y a su amplio consumo a lo largo del

- 20 -

mexicano es notoria por la extensa área destinada a su cultivo y a su amplio consumo en todo el

país. Los chiles más importantes en México son el serrano, jalapeño, poblano, manzano,

habanero, entre otros.[3] El chile poblano es de color verde con longitud de 14 a 16 cm y

presentan un consumo durante todo el año por lo que es la especie del chile que más se siembra

en nuestro país.

1.2 – CAROTENOIDES

Dependiendo de su origen, los colorantes, se clasifican en naturales y sintéticos como se muestra

en la tabla 1.2. La mayoría de los colorantes sintéticos causan problemas de salud por lo que el

uso de estos colorantes está regulado y algunos están prohibidos en países como Estados Unidos,

Suecia y Noruega . Los colorantes artificiales han perdido notoriedad debida a una creciente

demanda de los consumidores hacia los productos saludables y con mayor valor nutritivo; por

ejemplo, ricas en vitaminas y pro-vitamínicos. Además, los colorantes artificiales presentan

problemas técnicos como es la decoloración del producto por presencia de ácido ascorbico.[7]

Tabla 1.2 – Clasificación de lo s colorantes.[7]

Los carotenoides son pigmentos naturales que proveen los colores naturales amarillos,

anaranjados y rojos de frutos, vegetales, plantas, pájaros y animales marinos. Estos colores son

resultado de la presencia de enlaces dobles conjugados que también proveen a los carotenoides

propiedades antioxidantes ocasionado por la deslocalización de radicales libres capturados. De

Ácido carmínico Ácido kermísico Otros

Azul ultravioleta Bióxido titanio Carbón

Naturales

Sintéticos

Inorgánicos

Vegetales

Animales

Antocianinas Betalainas Carotenoides Flavonoides Clorofila

Minerales

Orgánicos

Colorantes

Azo Antraquinonas Otros

Orgánicos

- 21 -

acuerdo a estudios epidemiológicos, los carotenoides son aplicados en la prevención de algunos

tipos de cáncer, cataratas y enfermedades cardiacas. Además se ha encontrado que los

carotenoides son precursores de la vitamina A y también se usan ampliamente como colorantes.[8]

Por esta razón, la tendencia a utilizar colorantes naturales como los carotenoides se ha

incrementado en los últimos años. Los carotenoides son clasificados como alifáticos, alifáticos-

alicíclicos o de estructuras aromáticas. Los subgrupos de carotenoides más importantes son los

carotenos y los oxicarotenos (xantofilas). Otra posible clasificación, subd ivide a los caroteno ides

en acíclicos, monocíclicos y derivados bicíclicos, los compuestos respectivos de las categorías

mencionadas son licopeno, γ-caroteno y β-caroteno.[9] Los carotenoides que se encuentran en

mayor cantidad en las variedades del chile son la capsantina, capsorrubina y β-caroteno. Tanto la

capsorrubina como la capsantina se encuentran en mayor cantidad en las variedades de chiles

rojos, aunque se puede tener variaciones de acuerdo al tipo y cultivo de chile. Otros carotenoides

que también se encuentran presentes en las variedades de chiles son la neoaxantina, violaxantina,

luteína y zeaxantina.[10]

1.2.1 – PROPIEDADES DE LOS CAROTENOIDES

Ø Propiedades Físicas : los carotenoides son liposolubles, es decir solubles en otros lípidos y en

otros disolventes como acetona, dietiléter y cloroformo. Los carotenos son muy solubles en

disolventes no polares tales como el éter del petróleo, hexano y etanol; las xantofilas son

mayormente solubles en disolventes polares por ejemplo alcoholes. A excepción de los carotenos

más insaturados, los carotenoides son sólidos a temperatura ambiente y pueden cristalizarse en

diversas formas coloridas, desde rojo-naranja hasta violeta oscuro.[11]

Ø Propiedades Químicas: los carotenoides están constituidos por moléculas de carbono, oxígeno

e hidrógeno y son fácilmente destruidos por degradación oxidativa debido a los enlaces dobles

conjugados entre las moléculas.[11]

• Oxidación química: por contacto con oxígeno, ozono, permanganato alcalino, ácido

crómico. La degradación de los productos depende de la ubicación en que ocurre el ataque.

• Auto-oxidación: 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. Temperatura, luz, humedad y algunos metales estimulan dicho proceso.

- 22 -

• 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.

Ø Propiedades Espectroscópicas: estos compuestos 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 caroteno

tiene un espectro de absorción característico.

1.2.2 – β -CAROTENO

Los carotenos son los más estudiados de la familia de carotenoides. Existen cuatro tipos de

carotenos; α-, β-, γ- y δ- caroteno, siendo el β-caroteno el más importante. El β-caroteno (C40H56)

no tiene grupos funcionales polares y representa un producto natural hidrofóbico.[12]

Figura 1.1 – Estructura química del β-caroteno.

Aunque el β-caroteno sintético es el más usado, se han realizado estudios en los que no se

encuentran beneficios del β-caroteno sintético como antioxidante y anticancerígeno. Las

diferencias entre β-caroteno sintético y natural se deben a que el sintético contiene sólo el

isómero trans, mientras que el β-caroteno natural contiene dos diferentes isómeros cis y trans. A

partir de diversos estudios se ha demostrado que el isómero 9-cis es un antioxidante más potente

que el trans.[13,14]

1.3 – CAPSAICINOIDES

El grupo de compuestos llamados capsaicinoides (fenil-propanoides) se encuentran en los frutos

de los chiles (Capsicum ). Este tipo de compuestos es de gran interés en diversas industrias como

en los alimentos debido a su sabor pungente; en el área de la medicina es aplicado para eliminar

dolores musculares y aquellos asociados con la diabetes, osteo-artritis y soriasis; además es un

ingrediente activo del gas pimienta y se aplica como recubrimiento en las embarcaciones

marítimas.

- 23 -

A continuación, en la tabla 1.3 se mencionan los capsaicinoides más importantes que se

encuentran en las diversas variedades de chiles.

Tabla 1.3 – Estructura general y tipos de capsaicinoides.[15]

Estructura general

H

N

CH3

OH

O

R

O

Capsaicinoides y análogos R

Capsaicina

Dihidrocapsaicina

Nordihidrocapsaicina

Homocapsaicina I

Homocapsaicina II

Homodihidrocapsaicina I

Homodihidrocapsaicina II

N-vainillin-octamida

N-vainillin-nonamida

N-vainillin-decamida

Los tres primeros capsaicinoides listados en la tabla 1.3 representan aproximadamente el 90% del

contenido de estos presentes en las variedades de chiles, los demás capsaicinoides en conjunto

representan la cantidad restante.

- 24 -

1.3.1 – CAPSAICINA

La capsaicina es el compuesto más importante dentro del grupo de capsaicinoides y es uno de los

compuestos activos que produce el sabor pungente en las diversas variedades de chiles. Thresh[16]

fue el primero en obtener el principal componente del sabor pungente a partir del pimiento; por

otra parte, Micko[17] obtuvo la capsaicina con mayor pureza en forma cristalina y con propiedades

de un fenol con olor a vainilla. Años mas adelante, Nelson[18] asignó la fórmula de la capsaicina

(C18H27NO3) y su estructura se muestra en la figura 1.2.

CH 3

H

N

OH

O

O

Figura 1.2 – Estructura química de la capsaicina.[19]

La capsaicina tiene una forma de cristales blancos con punto de fusión de 337.65 K y es volátil

arriba de esta temperatura, el vapor de la capsaicina es irritante y altamente tóxico. Además es un

compuesto lipofílico, insoluble en agua a temperatura ambiente y soluble en alcoholes, acetona,

benceno y cloroformo. Debido a la presencia de un anillo bencenico, los capsaicinoides pueden

absorber la luz en la región ultravioleta (UV) a una longitud de onda de 280 nm.

1.4 - FLUIDOS SUPERCRÍTICOS

Un punto crítico es característico de cada compuesto. En la tabla 1.4 se muestra la temperatura,

presión y densidad en el punto crítico de algunos disolventes.[2]

Se considera un fluido supercrítico (FSC) cuando la temperatura y presión del compuesto es

mayor que la presión y temperatura crítica ( cP y cT , respectivamente) del mismo, esto se puede

observar en la figura 1.3. Existen dos formas de alcanzar las condiciones supercríticas de un

compuesto o mezcla. La primera, es iniciar en una región líquida incrementando la presión hasta

un valor mayor que la cP y después aumentar la temperatura superior a la cT . La segunda es

iniciar en la región de gas e incrementar la temperatura a condiciones mayores que la cT y

posteriormente aumentar la presión superior a la cP .[2]

- 25 -

Tabla 1.4 – Propiedades críticas de algunos disolventes.[175]

Disolventes cT / K cP / MPa cρ / g/cm3

Inorgánicos: CO2 304.12 7.374 0.468

NO2 431.01 10.100 0.270

Agua 647.14 22.064 0.322

Acetona 508.10 4.700 0.278

Acetonitrilo 548.15 4.700 0.250

Hidrocarburos: Metano 190.56 4.599 0.163

Etano 305.32 4.872 0.206

Propano 369.83 4.248 0.220

n-Butano 425.12 3.796 0.228

n-Pentano 469.70 3.370 0.232

n-Hexano 507.60 3.025 0.234

Etileno 282.34 5.041 0.214

Alcoholes: Metanol 512.64 8.097 0.271

Etanol 513.92 6.148 0.276

2-Propanol 508.30 47.62 0.273

Figura 1.3 – Diagrama de fase de sólido- líquido-gas para un compuesto puro.

- 26 -

1.4.1 – PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS SUPERCRÍTICOS

Una propiedad importante de un FSC es su densidad, los valores son cercanos a la densidad de

líquidos y dependen de las condiciones de presión y temperatura. Para una temperatura reducida

( rT ) entre 0.9 – 1.22 y una presión reducida ( rP ) mayor a 1.0, la densidad reducida ( rρ ) del

disolvente puede aumentar desde valores de un gas hasta valores de un líquido (0.1 – 2.5). En la

región supercrítica de un fluido, la densidad se controla por medio de la presión y temperatura.

Esto hace posible regular el poder disolvente de un FSC. Es importante mencionar que al

comprimir el disolvente a las densidades de líquido, únicamente aumentan las interacciones entre

el soluto y disolvente. El poder de estas interacciones fija el comportamiento de la solubilidad de

un soluto en el FSC.[20]

El FSC posee otras propiedades físico-químicas importantes que lo hacen un fluido atractivo,

además tiene propiedades de transporte típicas de un gas como la difusividad y viscosidad.

Mientras que la difusividad del soluto en los líquidos es aproximadamente constante al

incrementar la temperatura, en la región cercana al punto crítico ésta propiedad aumenta con la

temperatura y disminuye con incrementos de presión. La difusividad de un soluto en un FSC es

mayor que en un disolvente líquido. La viscosidad del FSC depende de las condiciones de

presión y en orden de magnitud, su viscosidad es mucho más pequeña que la viscosidad de

líquidos. En resumen un aumento en la presión aumenta la viscosidad del FSC y reduce la

difusividad del soluto. La tensión superficial de un FSC es muy baja y el coeficiente de difusión

del soluto en el FSC está entre los valores de un líquido y un gas.[2]

Las propiedades mencionadas anteriormente presentan una ventaja para utilizar los FSC como

disolventes en los procesos de separación donde existen problemas al utilizar disolventes

convencionales.[20] En la figura 1.4, se presentan las propiedades más importantes de un fluido

supercrítico.

Teóricamente es posible la separación de las mezclas orgánicas por FSC utilizando menos

energía que la requerida para una destilación o una evaporación. Debido a una conciencia

ambiental y a las leyes gubernamentales, se requiere el uso de tecnologías limpias en los procesos

industriales. Por esta razón se han incrementado las aplicaciones de los FSC, por ejemplo en el

proceso de curtido.[21] Además algunos productos químicos utilizados en los procesos industriales

son altamente contaminantes y a causa de las normas regulatorias de los gobiernos motiva usar

los FSC como una alternativa de disolventes de extracción en los alimentos, bebidas y

condimentos.[20,172-174]

- 27 -

Figura 1.4 – Propiedades de fluidos supercríticos.[3]

El dióxido de carbono (CO2) es el disolvente más empleado como fluido supercrítico porque es

relativamente inerte, barato, no tóxico, reciclable e inflamable, además sus propiedades críticas

( cP = 7.374 MPa y cT = 304.12 K) pueden ser alcanzadas fácilmente comparado con otros

disolventes, además es apropiado para compuestos ligeramente polares y no polares.[20]

A pesar de sus ventajas, el dióxido de carbono como fluido supercrítico disuelve en menor

cantidad compuestos polares que compuestos no -polares. Por esta razón se le agregan cantidades

pequeñas de compuestos polares al CO2 y así aumentar su poder de disolución y selectividad

hacia los compuestos polares. Los compuestos que se agregan se conocen como co-disolventes y

los más usados son los alcoholes. Es importante notar que las propiedades de mezclas binarias,

CO2 + co-disolventes, son diferentes de los componentes puros. La variable cT y cP de las

mezclas se encuentran entre las cT y cP críticas de los compuestos puros empleados.[20]

Sin embargo para el desarrollo de un proceso de separación es necesario conocer el

comportamiento de las fases involucradas en el sistema. La solubilidad es el parámetro más

importante dentro del desarrollo de un proceso de separación 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 multifasicos.

- 28 -

1.5 – DIAGRAMAS DE FASE DE MEZCLAS [176,2,20]

Los procesos que involucran mezclas son usualmente muy complejos, esto hace muy interesante

estudiar los equilibrios de fases de mezclas binarias en el diagrama P –T .

Basados en la ecuación de estado de van der Waals, van Konynenburg y Scott[176] clasificaron los

comportamientos de fases líquido – fluido en seis tipos descritos en el espacio P –T observados

experimentalmente. En la figura 1.5 se presentan cada uno de los tipos de diagramas de fases para

sistemas binarios. Los puntos críticos y las curvas de saturación de cada componente puro están

representados por círculos y líneas sólidas, respectivamente. Las líneas punteadas representan la

curva de puntos críticos de la mezcla binaria. El punto crítico terminal superior (UCEP) es el

punto donde dos fases líquidas forman una sola fase en la presencia de una fase vapor y el punto

crítico terminal inferior (LCEP) es el punto en el que la fase vapor y el líquido más ligero se

convierten en una fase crítica en la presencia de una fase líquida más pesada.

Figura 1.5 – Clasificación de diagramas de fases de sistemas binarios propuesta por van

Konynenburg y Scott.[176]

El diagrama de fases tipo I se distingue por una curva crítica contínua líquido – vapor (VL) entre

los puntos críticos de los compuestos puros. En este caso los dos compuestos son completamente

miscibles. Las mezclas CO2 + etano, CO2 + propano, CO2 + etanol y CO2 + 2-propanol presentan

este tipo de comportamiento .[179,2,180]

Para el diagrama tipo II, la curva crítica VL también es contínua, sin embargo se presenta una

separación de fases líquido – líquido (LL) a temperaturas bajas. Existe una curva de equilibrio

- 29 -

líquido – líquido – vapor (LLV) que intercepta la curva crítica LL en el UCEP donde ambas fases

líquidas son identicas en la presencia de una fase vapor. Este comportamiento se presenta en los

sistemas binarios CO2 + octano y hexano + nitrobenceno.[178]

En el diagrama tipo III se observan dos curvas críticas. Una curva que ocurre a temperatura más

baja y que inicia en el punto crítico del componente más volátil e intercepta la curva de tres fases

LLV, en un UCEP y otra curva que empieza en el punto crítico del componente menos volátil y

asciende rápidamente a muy alta presión. Esta curva puede tener diferentes formas incluyendo un

máximo (o mínimo) en presión y/o un mínimo en temperatura. El sistema CO2 + hexadecano[178]

presenta este comportamiento.

La curva crítica presente en el diagrama de fases tipo IV también tiene dos segmentos, los cuales

interceptan a una curva de tres fases LLV en puntos críticos terminales. Como en el caso del

diagrama tipo II, adicionalmente presenta una región de inmiscibilidad LL a bajas temperaturas.

El sistema metano + n-hexano pertenece a este tipo de diagrama de fase.[2]

El diagrama de fases tipo V es similar al equilibrio tipo IV a excepción de la ausencia de una

región de inmisicbilidad a temperaturas menores al punto LCEP. Los sistemas etano + etanol y

metano + i-octano se incluyen en este tipo de equilibrio.[177]

Finalmente, el equilibrio de fases tipo VI tiene una curva crítica continua VL y una curva crítica

LL que intercepta a la curva LLV en los dos puntos críticos terminales LCEP y UCEP. Este tipo

de equilibrio ocurre en sistemas que involucran puentes de hidrógeno como los sistemas agua +

n-butanol y agua + 2-butanol.[178]

1.5.1 – DIAGRAMAS DE FASE DE SISTEMAS FSC + SÓLIDO[2,20]

En este tipo de sistemas, el punto de fusión del sólido es más alto que la temperatura crítica del

componente ligero. Además el tamaño, forma, estructura molecular y las condiciones críticas de

los dos componentes son considerablemente diferentes.

En la figura 1.6 se muestran dos diferentes comportamientos de estos sistemas. La figura 1.6(a)

contiene un diagrama P –T que incluye las curvas de presión de vapor de los componentes puros

AM y BN, las curvas de fusión (BD) y de sublimación (CB) del compuesto sólido. Los puntos

críticos se denotan por PC1 y PC2. La curva crítica de esta mezcla tiene dos segmentos, uno

empieza en el punto crítico del compuesto pesado (PC2) uniéndose a la curva de tres fases SLV

en el UCEP. El otro segmento empieza en el punto crítico del componente ligero (PC1) e

intercepta otra curva SLV en el LCEP. Además puede ocurrir que la curva crítica de la mezcla

- 30 -

toque los puntos críticos de ambos componentes como se muestra en la figura 1.6(b) cuando

existe miscibilidad entre ellos. Las mezclas compuestas por agua y sales inorgánicas presentan

este tipo de comportamiento .

Figura 1.6 – Diagrama de fases P –T para sistemas fluido (1) + sólido (2): (a) inmiscible y (b)

miscible.[2]

El cambio del punto de fusión del sólido se debe a la solubilidad del componente ligero en el

pesado. Si la solubilidad es alta, la curva SLV inicia en el punto de fusión del componente pesado

y se desplaza hacia la izquierda hasta terminar a una temperatura menor a la cT del componente

ligero mientras la presión se incrementa como se muestra en la figura 1.6(b).

Por otra parte, si el componente 1 es escasamente soluble en la fase líquida pesada, como es el

caso de la solubilidad de sólidos en fluidos supercíticos, entonces el cambio en la temperatura de

fusión del componente 2 es muy pequeña como se muestra en la figura 1.6(a). La curva SLV de

la figura 1.6(a) intercepta la curva crítica de la mezcla en ambos UCEP y LCEP. En estos puntos

críticos terminales, las fases líquida y gaseosa de la línea SLV convergen en una fase fluida en

presencia de sólido en exceso. La extracción de sólidos con disolventes supercríticos puede

ocurrir en la región sólido – vapor limitada por los dos segmentos de la curva SLV.

En la Figura 1.7(a) se muestran tres condiciones de temperatura ( aT , bT y dT ) para sistemas

fluido + sólido en un diagrama P –T . Cada condición de temperatura se muestra en las figuras

1.7(b), (c) y (d) en diagramas P – x , donde x representa la composición en fracción molar del

sólido.

A la temperatura aT entre el punto crìtico del componente ligero y el LCEP de la mezcla, ocurre

el comportamiento de fase que se muestra en la Figura 1.7(b). A presiones bajas, hay una región

de equilibrio sólido – vapor. Conforme la presión se incrementa se encuentra la línea SLV;

- 31 -

además si la composición de la mezcla es más rica en el componente sólido, el aumento en la

presión ocasiona un equilibrio sólido – líquido. Esta región se fusiona con la región de equilibrio

fluido – sólido a mayor presión. En esta región existe una envolvente líquido – vapor a

concentraciones más bajas de sólido que contiene un punto crítico.

Conforme la temperatura aumenta, la envolvente líquido – vapor se reduce y desaparece en el

LCEP, dejando un punto de inflexión en la región sólido – fluido como se muestra en la figura

1.7(c). Cerca del LCEP se produce un cambio en la solubilidad del sólido con incrementos

mínimos en presión.

Al continuar el incremento de la temperatura en la figura 1.7(d), la inflexión en la solubilidad

desaparece gradualmente hasta que los cambios significativos en la solubilidad no sean

observados en función de la presión.

Figura 1.7 – (a) Diagrama P –T de un sistema FSC + sólido, proyección de los diagramas P – x :

(b) T = aT ; (c) T = bT ; (d) T = dT .[181]

- 32 -

1.6 – CÁLCULO DE SOLUBILIDAD DE SÓLIDOS EN FLUIDOS SUPERCRÍTICOS

La obtención de datos experimentales de solubilidad de sólidos en disolventes supercríticos es

necesaria para validar modelos termodinámicos que puedan predecir los datos experimentales

enfocados en la región crítica del disolvente. Por lo anterior se ha considerado el uso de modelos

termodinámicos o correlaciones empíricas en lugar de datos experimentales; sin embargo es

necesario obtener datos experimentales de mezclas soluto + disolvente para la validación de estos

modelos o correlaciones en mezclas multicomponentes.[20] Las estimaciones teóricas de la

solubilidad de sólidos en disolventes supercríticos están basadas en la ecuación:

( )

P

RTPPv

P

y

satssat

2

222

2

exp

ϕ

−

=

(1.1)

Donde sat2P y 2y son la presión de vapor y fracción molar del sólido saturado en la fase

supercrítica, respectivamente; 2ϕ es el coeficiente de fugacidad del soluto en el fluido

supercrítico que puede ser obtenido a partir de cálculos con una ecuación de estado como puede

ser la ecuación de Peng-Robinson[182]. El término exponencial es la corrección de Poynting, la

cual contiene el volumen molar del sólido s2v que para la ecuación (1.1) se considera constante.

Una de las restricciones para la aplicación de las ecuaciones de estado en cálculos de

solubilidades de sólidos en fluidos supercríticos es que son sistemas altamente asimétricos y el

parámetro de interacción binario ijk es dependiente de la temperatura como es el caso de la regla

de mezclado de van der Waals; esto tiene como resultado que los cálculos de solubilidad sean

muy sensitivos a pequeñas variaciones del parámetro ijk y por ende las predicciones de

solubilidad no sean completamente confiables.

Para que los cálculos de solubilidad sean confiables, se han desarrollado nuevas modificaciones a

la regla de mezclado de van der Waals. Algunas de ellas incluyen parámetros adicionales

ajustables y por lo tanto son muy poco usadas para cálculos de predicción, pero siguen siendo

muy sensibles al parámetro de interacción binario. Algunos modelos que realmente pueden ser

efectivos para la predicción de solubilidades presentan desviaciones con respecto a los datos

experimentales de 15% en promedio.[2]

El empleo de ecuaciones de estado en la correlación de solubilidades de sólidos en disolventes

supercríticos para algunos sistemas está limitado a la disponibilidad de algunos parámetros como

es el caso de los coeficientes del soluto en la ecuación virial de estado.

- 33 -

1.6.1 – CORRELACIÓN DE SOLUBILIDAD DE SÓLIDOS EN FLUIDOS

SUPERCRÍTICOS

Diferentes métodos para correlacionar y/o predecir la solubilidad de sólidos en disolventes

supercríticos han sido propuestos y 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 (1.2)

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 (1.3)

donde C , D y F son constantes. Las ecuaciones empíricas (1.2) y (1.3) pueden ser aplicadas a

la predicción de solubilidades siempre y cuando la densidad del disolvente o el parámetro de

solubilidad sean conocidos. 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.

- 34 -

C A P Í T U L O 2

A N T E C E D E N T E S

En este trabajo de tesis se propone el desarrollo de un aparato experimental para la determinación

de solubilidad de sólidos en disolventes supercríticos, por lo que en el presente capítulo se

presenta el estado del arte de las solubilidades de sólidos en fluído supercríticos reportados en la

sección de resultados. Además se presentan algunos trabajos previos relacionados con la

extracción de capsaicinoides a partir de muestras de chiles (Capsicum annuum).

2.1 – SOLUBILIDAD DE β -CAROTENO EN DIÓXIDO DE CARBONO SUPERCRÍTICO

En la literatura existen datos de solubilidad de β-caroteno en diferentes disolventes como

difluorometano, tetrafluoroetano,[12] óxido nitroso,[22,23] etano,[24] y mezcla etano + propano.[25]

En este trabajo se utilizará dióxido de carbono por sus ventajas mencionadas en la sección 1.4.1.

Tabla 2.1 – Métodos experimentales utilizados en las solubilidades de β-caroteno en CO2

reportados en la literatura.

Autor Pureza Método

Hansen et al.[12] β-caroteno, Sigma Tipo IV, > 98%) Estático – analítico

Sakaki[22] β-caroteno, Sigma, 96% Dinámico – analítico

Subra et al.[23] β-caroteno, Sigma Tipo III, 80-90% Tipo IV, > 98%

Fluka, > 97%

Dinámico – analítico

Mendes et al.[24] β-caroteno, Sigma Tipo I, 95% Dinámico – analítico

Skerget y Knez[26] β-caroteno, Sigma, 95% Estático – analítico

Cygnarowicz et al.[27] β-caroteno, Sigma Tipo IV, >98% Dinámico – analítico

Johannsen y Brunner[28] β-caroteno, Sigma, 95% Estático – analítico

Skerget et al.[29] β-caroteno, Sigma Tipo I, 95% Estático – analítico

Sovová et al.[30] β-caroteno, Fluka, 97% Estático – analítico

Kraska et al.[31] β-caroteno, Fluka, 97% Dinámico – analítico

- 35 -

La solubilidad del β-caroteno en dióxido de carbono supercrítico ha sido ampliamente

determinada con diferentes métodos experimentales. En la tabla 2.1 se muestran los métodos

experimentales y purezas del β-caroteno usado en cada trabajo de la literatura.

En la tabla 2.2 se presenta un resumen de las solubilidades del β-caroteno en dióxido de carbono

a diferentes condiciones de temperatura y presión reportadas en la literatura, así como la

incertidumbre para cada variable. En algunos casos de la tabla 2.2, la reproducibilidad reportada

para la solubilidad 2y se consideró como incertidumbre ya que no existe otra información

disponible en las publicaciones citadas. De acuerdo con los datos, la solubilidad del β-caroteno

en dióxido de carbono es mejorada con incrementos de temperatura y presión.

Tabla 2.2 – Solubilidad del β-caroteno (2) en CO2 (1) supercrítico reportado en la literatura.

Autor T / K P / MPa 2y x 10-7 (mol/mol)

Hansen et al.[12] (313, 343)

±0.2

(6.2 – 34.3)

±0.2

(0.01 – 23.03)

±30% – 50%a

Sakaki[22] (308 – 323)

±0.1

(9.9 – 29.8)

±N.R.

(0.22 – 5.0)

±10% a

Subra et al.[23] (310 – 340)

±N.R.

(9.7 – 26.0)

±0.1 – 1.5

(0.15 – 17.0)

±0.02 – 0.7

Mendes et al.[24] (313 – 333)

±N.R.

(12.0 – 29.9)

±N.R.

(0.02 – 6.27)

±5% – 10%a

Cygnarowicz et al.[27] (313 – 343)

±N.R.

(27.5 – 43.9)

±N.R.

(0.09 – 25.4)

±N.R.

Johannsen y Brunner[28] (313 – 353)

±1

(20.0 – 35.0)

±0.1

(0.90 – 32.4)

±5%

Skerget y Knez.[29] (298, 313)

±0.5

(9.8 – 30.9)

±0.5 – 1

(0.79 – 4.93)

±8% – 13%

Sovová et al.[30] (313.2 – 333.2)

±0.1

(12.0 – 28.0)

±0.03

(0.32 – 5.80)

±5%

Kraska et al.[31] 307.6, 322.9

±0.2

8.0 - 180.0

±0.5 – 0.25

0.06 – 4.50

±N.R.

N.R.: Incertidumbre n o reportada

a: Incertidumbre reportada como reproducibilidad

- 36 -

En la figura 2.1 se presentan datos de solubilidad del β-caroteno en CO2 a 313 K reportados en

literatura.[12,22,24,27 -30] En esta figura se puede observar que existen diferencias en las solubilidades

tomando en cuenta que la incertidumbre varía de 5% al 50% de acuerdo a la tabla 2.2 inclusive

para aquellos datos reportados en las referencias[24,28,29] donde se utilizó la misma pureza de β-

caroteno : 95%.

P / MPa0.0 10.0 20.0 30.0 40.0

y 2 (β

-car

oten

o)

0.0

1.0e-7

2.0e-7

3.0e-7

4.0e-7

5.0e-7

6.0e-7Hansen et al.[12]

Sakaki [22]

Mendes et al.[24]

Johansen y Brunner[28]

Skerget y Knez [29]

Sovová et al.[30]

Cygnarowicz et al.[27]

Figura 2.1 – Solubilidad de β-caroteno en CO2 reportado en la literatura a 313 K.

Los datos reportados por Mendes et al.[24] y Sovová et al.[30] son los únicos que se encuentran

dentro de la incertidumbre experimental; no obstante la pureza del reactivo utilizado por Sovová

et al.[30] es mayor (97%).

2.2 – SOLUBILIDAD DE CAPSAICINA EN DIÓXIDO DE CARBONO SUPERCRITICO

La solubilidad de la capsaicina en CO2 ha sido estudiada por diferentes autores.[12,32-33] En la tabla

2.3 se presentan los métodos experimentales y purezas de capsaicina utilizados por cada autor. En

la tabla se observa que los tres métodos experimentales son estáticos en la manera de alcanzar el

equilibrio y analíticos en la cuantificación del sólido. A excepción de los datos reportados por

Knez y Steiner[32], la recolección del sólido en los experimentos realizados por Hansen et al.[12] y

por de la Fuente et al.[33] fue realizada en línea, es decir la celda de medición está directamente

conectada a un cromatógrafo de líquidos de alta eficiencia .

- 37 -

Tabla 2.3 – Métodos experimentales utilizados en las solubilidades de capsaicina en CO2

reportados en la literatura.

Autor Pureza Método

Hansen et al.[12] Capsaicina (Sigma, 98%) Estático – analítico

Knez y Steiner [32] Capsaicina (N.R.) Estático – analítico

de la Fuente et al.[33] Capsaicina (Sigma, 95%) Estático – analítico

N.R.: pureza no reportada

En la tabla 2.4 se presentan los intervalos de medición y la incertidumbre en las mediciones de

solubilidad de capsaicina en CO2 reportados en la literatura. En las referencias[12,33] la

incertidumbre en las mediciones de solubilidad se reporta considerando sólo la reproducibilidad

por falta de información adicional.

Tabla 2.4 – Solubilidad de capsaicina (2) en CO2 (1) reportado en la literatura.

Autor T / K P / MPa 2y x 10-5 (mol/mol)

Hansen et al.[12] (308 – 328) ±0.5

(12.0 – 25.0) ±0.2

(9.99 – 50.90) ±5%a

Knez y Steiner [32] (298 – 333) ±0.5

(7.5 – 36.5) ±0.5 – 1

(5.56 – 28.26) ±5% – 10%

de la Fuente et al.[33] (298 – 318) ±0.5

(7.6 – 36.7) ±0.2

(0.51 – 28.80) ±20%a

a: Incertidumbre reportada como reproducibilidad.

En la figura 2.2 se puede observar que a presión constante, la solubilidad de la capsaicina en CO2

aumenta con incrementos de temperatura de 298 K a 318 K. Además se puede observar que las

solubilidades reportadas a 333 K por Knez y Steiner[32] ya no siguen aumentando con respecto a

los valores reportados por Hansen et al.[12] y se asemejan a la isoterma de 313 K.

Por otra parte, también existe datos publicados de solubilidad de mezclas capsaicina + β-caroteno

en dióxido de carbono supercrítico.[26] Solubilidades de capsaicina en difluorometano y

tetrafluoroetano, están reportadas por Hansen et al.[12] Además, el equilibrio de fases para el

sistema capsaicina + agua + etanol + dióxido de carbono supercrítico está reportado por Duarte et

al.[34] a diferentes composiciones de la mezcla agua + etanol. De acuerdo a los resultados

- 38 -

reportados por Duarte et al.[34] la extracción de capsaicina se debe realizar a bajas

concentraciones de etanol.

P / MPa

0 10 20 30 40

y 2 (c

apsa

icin

a)

0.0

1.0e-4

2.0e-4

3.0e-4

4.0e-4

5.0e-4

6.0e-4298.15 K, Knez y Steiner[32]

298.00 K, de la Fuente et al.[33]

308.15 K, Hansen et al.[12]

308.00 K, de la Fuente et al.[33] 313.15 K, Knez y Steiner[32]

313.00 K, de la Fuente et al.[33]

318.15 K, Hansen et al.[12]

318.00 K, de la Fuente et al.[33] 328.15 K, Hansen et al.[12]

333.15 K, Knez y Steiner[32]

Figura 2.2 – Solubilidad de capsaicina en CO2 reportada en la literatura.

Con estos datos reportados en la literatura principalmente de las mezclas binarias β-caroteno +

CO2 y capsaicina + CO2, se comprobará principalmente la metodología experimental del aparato

estático – analítico y dinámico – analítico propuesto en esta tesis para determinar solubilidades de

sólidos en disolventes supercríticos.

Debido a la degradación del β-caroteno por temperatura, exposición a la luz y auto-oxidación, es

posible tener desviaciones en los resultados de solubilidad con respecto a la literatura. Por lo

tanto se debe considerar la medición de solubilidades de otro sólido en CO2 que tenga en mismo

intervalo en magnitud al sistema β-caroteno en CO2 y que sea más fácil de utilizar con respecto al

β-caroteno, ya que de esta manera se establecerá si el aparato y la metodología pueden aplicarse

hasta estos límites de solubilidad.

2.3 - TÉCNICAS ANALÍTICAS PARA IDENTIFICAR CAROTENOIDES Y

CAPSAICINOIDES

Existen diferentes técnicas analíticas para la identificación de carotenoides y capsaicinoides como

son: resonancia magnética nuclear, cromatografía de líquidos de alta eficiencia conocida como

HPLC, espectroscopia de masas, entre otras.[35]

- 39 -

En este trabajo se utilizará la técnica por HPLC, debido a que son compuestos en fase sólida y

pueden absorber la luz visible y ultravioleta. Para la identificación de estos dos grupos de

compuestos, se tomarán como base los compuestos más estudiados de cada grupo : capsaicina y

β-caroteno.

Aunque el β-caroteno no es el pigmento que se encuentra en mayor concentración en las

variedades del chile, es muy importante debido a la aplicación que tiene principalmente como

colorante y antioxidante.

2.3.1 - IDENTIFICACIÓN ANALÍTICA DE CAPSAICINA

En la tabla 2.5 se muestra un resumen sobre la identificación de capsaicina por HPLC. De

acuerdo a la revisión bibliográfica presentada para este equipo analítico, el detector mas utilizado

en la literatura es el detector de luz ultravioleta-visible (UV-Vis) o arreglo de diodos (DAD) y la

columna utilizada tiene como fase estacionaria C18 y fase reversa.

Tabla 2.5 – Identificación de capsaicina con HPLC reportado en la literatura.

Tipo de columna (fase reversa)

Detector (λ)

Flujo (ml/min)

Fase móvil (% vol) Flujo (ml/min)

Ref.

C18 UV (280 nm) 1.0 Acn /agua – 70/30 [12]

C18 / precolumna UV (280 nm) 1.5 Acn / 1% ac. Acético – 40/60 [15]

C18 UV (280 nm) 3.5 Metanol / agua – 63/37 [36]

C18 / precolumna UV (280 nm) 1.5 Metanol /agua – 60/40 [37]

C18 / precolumna Spectrom. (236 nm) 1.0 Acn / agua – (0-100 %) [38]

ODS C18 UV (280 nm) 1.0 Metanol / agua – 60/40 [39]

RP18 UV (280 nm) 0.7 Acn / agua – 50/50 [40]

C18 Spectrom. (262 nm) 1.0 Metanol / agua – 73/27 [41]

ODS C18 fotodiodo 1.0 Acn / agua – 50/50 [42]

C18 UV (280 nm) 0.8 Metanol / agua – 60/40 [43]

λ: Longitud de onda en nanometros (nm); Spectrom: Espectrofotómetro; Acn: acetonitrilo

En la figura 2.3 se presentan cromatogramas típicos de capsaicinoides reportados en la

literatura[40]: (I) mezcla capsaicina (C) y dihidrocapsaicina (DC) reactivo Aldrich Co., (II)

capsaicina y dihidrocapsaicina purificada a partir de una especie de chile (Capsicum annuum ) de

- 40 -

acuerdo al método descrito por Yao et al. [40]. Este tipo de cromatogramas es útil para desarrollar

la técnica analítica de identificación de capsaicinoides en las extracciones por fluidos

supercríticos.

Figura 2.3 – Cromatograma de identificación de capsaicina (C) y dihidrocapsaicina (DC)

reportado en la literatura.[40]

2.3.2 – IDENTIFICACIÓN ANALÍTICA DE β -CAROTENO

Uno de los pigmentos que se estudiará en este trabajo es el β-caroteno ya que se encuentra

presente en las variedades del chile. En la tabla 2.6 se muestra un resumen sobre la identificación

de β-caroteno por cromatografía de líquidos.

En la literatura se encuentran ejemplos de cromatogramas para estándares de β-caroteno e

identificación del mismo compuesto en extractos de origen natural. La figura 2.4 muestra un

cromatograma de β-caroteno (estándar tipo I, 95% pureza Aldrich Co.). Estos análisis se

realizaron a diferentes periodos durante las mediciones de solubilidad de β-caroteno en CO2 en

un aparato de flujo contínuo:[24] (a) estándar inicial, (b) muestra recolectada en presencia de

hexano y (c) muestra libre de solvente. La presencia del isómero cis es favorecida en la muestra

que contiene hexano. Cuando el sólido está libre de disolvente el mismo isómero aparece en

menor cantidad. Además en la muestra con hexano se observa la presencia de impurezas.

- 41 -

Resultados similares pueden aparecer durante la determinación de solubilidades para este mismo

sistema con el método estático – analítico.

Tabla 2.6 – Identificación de β-caroteno con HPLC reportado en la literatura.

Columna Detector DAD (λ)

Fase móvil (%vol)

Flujo (ml/min) Ref.

C18 N.R. Metanol:tetrahidrofurano:agua – 67:27:6 1.5 [8]

C18 450 Acn:metanol:acetato de etilo – 80:10:10 1.5 [23]

C18 450 Acn:metanol – 90:10 1.0 [24]

RP18 460 Acn:diclorometano:metanol – 60:25:10 2.5 [26]

C18 470 Acn:2-propanol:metanol:agua – 39:52:5:4 0.9-1.2 [44]

C18 450 Metanol:acn:diclorometano – 20:50:30 1.5 [45]

C18 454 Acn (0.05% trietilamina):metanol:etilacetato Inicial: 95:5:0

20 min: 60:20:20

0.5 [183]

λ = Longitud de onda de absorción en nanometros (nm); N.R.: No reportado; Acn: acetonitrilo

Tiempos de retención no disponibles

Figura 2.4 – Cromatograma de β-caroteno, 1: trans, 2: cis, 3: impureza.[24]

- 42 -

2.4 – CONTENIDO DE CAPSAICINOIDES EN ESPECIES DE CHILES (CAPSICUM)

La concentración de capsaicinoides es variable dependiendo de cada especie de chile. Los chiles

rojos frescos contienen alrededor de 0.1 a 5 g capsaicinoides/kg fruto; en chiles más pungentes, la

concentración var ía de 5 a 68 g capsaicinoides/kg fruto . Micko[17] realizó la separación de la

capsaicina con una concentración de 5.5 g/kg de la pimienta tipo cayenne (Capsicum fastigiatum)

y para la paprika (Capsicum annuum) fue 20 veces menor a la cantidad encontrada en el primero.

Korel et al.[43] encontraron que la cantidad de capsaicinoides en la paprika llega a ser de 0.03 g/kg

de fruto, en pimientos de chile 0.03 – 0.60 g/kg y en pimientos rojos 0.60 – 13.0 g/kg.

Las partes de los chiles que contienen mayor concentración de capsaicina son la placenta y las

semillas; esto es basado en estudios realizados en especies de chile jalapeño por Rowland et al.[46]

y que demuestra lo reportado analíticamente por Huffman et al.[47] con otra variedad de chiles.

Kirschbaum-Titze et al.[48] determinaron el contenido de capsaicinoides (estimados sólo con

capsaicina, C, nordihidrocapsaicina, NDC y dihidrocapsaicina, DC) a partir de variedades de

Capsicum annuum . El contenido de capsaicinoides está reportado en las tablas 2.7 y 2.8 a

diferentes condiciones en frutos verdes y rojos lo cual es proporcional al tiempo de maduración.

Las muestras de chiles fueron cortadas en pequeñas piezas y fueron disueltas en etanol; cada lote

fue agitado para homogenizar la muestra. Posteriormente la muestra fué filtrada para eliminar

sólidos indeseados y realizar el análisis HPLC. En la tabla 2.7 se muestra la comparación entre 6

frutos cosechados en el mismo día; en las muestras con el mismo color, la cantidad de

capsaicinoides es muy variable.

Tabla 2.7 – Contenido de capsaicinoides de 6 frutos, cosechado 14 días después de florear.[48]

Color del fruto Contenido de capsaicinoidesa

mg/kg fruto fresco % C % DC % NDC

Verde 217 59 31 10

Rojo 450 48 37 15

Rojo 562 55 33 12

Verde 564 59 31 10

Rojo 583 48 35 17

Verde 632 54 34 12

a: Incertidumbre no reportada

- 43 -

En la tabla 2.8 se compara la cantidad de capsaicinoides en frutos de chiles de tres diferentes

plantas cosechadas dentro de 20 a 25 días después de su floración. Además se observa que la

maduración de cada uno de los doce frutos es igualmente variable comparada con la tabla anterior

ya que algunos alcanzaron la maduración más rápido (color rojo) que otros; en cambio la relación

porcentual entre los diferentes capsaicinoides es más estable en ambas tablas.

En resúmen el contenido de capsaicinoides en los frutos de chile a partir de una misma especie,

cosecha y planta es variable ya que depende del grado de maduración por lo cual en las

extracciones por fluidos supercríticos se debe tener el mayor ciudado posible al momento de

seleccionar la materia prima.

Tabla 2.8 – Contenido de capsaicinoides a partir de tres diferentes plantas cosechadas 20-25 días

después de su floración.[48]

Planta Color del fruto Contenido de capsaicinoidesa

mg/kg fruto fresco % C % DC % NDC

1 Verde 285 48 37 15

Rojo 302 53 33 14

Rojo 383 51 36 13

Verde 427 53 36 11

2 Rojo 372 49 36 15

Verde 389 51 37 12

Rojo 402 53 34 13

Verde 606 54 34 12

3 Verde 269 37 41 22

Rojo 337 43 38 19

Verde 365 47 38 15

Rojo 435 48 35 17


2.4.1 – CAROTENOIDES Y CAPSAICINOIDES EN EL CHILE POBLANO

Una de las variedades de chile que es producida en mayor cantidad en México es el chile poblano

(Capsicum annuum). Mejia et al.[3] demostraron que esta variedad de chile contiene la mayor

cantidad de carotenoides seguido de otros tipos de chiles sembrados en México como el chile

serrano, jalapeño, manzano y caribe como se muestra en la tabla 2.9.

- 44 -

Tabla 2.9 – Contenido de carotenoides activos de la vitamina A.[3]

Tipo α-caroteno β-caroteno γ-caroteno β-criptoxantina

µg/100g de producto fresco

Verde 20.0 ± 7.9 170.1 ± 17.4 N.D. 1.6 ± 1.7

Serrano 16.7 ± 7.0 509.8 ± 79.6 N.D. 3.6 ± 0.9

Jalapeño 53.4 ± 11.3 375.9 ± 49.4 N.D. N. D.

Poblano 109.9 ± 42.1 599.4 ± 106.7 N.D. 7.0 ± 3.5

Caribe N.D. 13.1 ± 5.5 N.D. N.D.

N.D.: No detectable

Como se puede observar, el chile poblano presenta cantidades más altas de β-caroteno, esta

variedad se cultiva principalmente en el centro del país y se consume en forma fresca o seca;

tiene diversos tamaños, de forma cónica, paredes gruesas y a veces tiene una forma curva. Su

color es verde cuando no está maduro y rojo cuando ha madurado. En México, el chile poblano

en base seca (deshidratado) es conocido con el nombre de chile anc ho o mulato dependiendo de

la semilla y tiene un contenido de carotenoides de 0.06-0.07 g/kg de fruto.[49] Para el tipo puya el

contenido total es de 0.0125 g /kg del fruto.[50]

Por otra parte, la cantidad de capsaicinoides en el chile poblano no está repo rtada claramente en

la literatura; la información que se tiene es que tomando en cuenta que pertenece a la especie

Capsicum annuum se estima que la cantidad de capsaicinoides oscila entre 0.06 a 1.0 g/kg.

2.5 – EXTRACCIÓN DE CAROTENOIDES Y CAPSAICINOIDES

A escala industrial la obtención de colorantes y otros productos naturales se realiza con

disolventes que no son removidos totalmente del producto terminado. A continuación se

presentan algunos trabajos de extracción de capsaicinoides y carotenoides de algunas variedades

de chiles reportados en la literatura.

2.5.1 – EXTRACCIÓN DE CAROTENOIDES Y CAPSAICINOIDES CON

DISOLVENTES LÍQUIDOS

El chile guajillo tipo puya (Capsicum annuum L.) fue utilizado para obtener carotenoides y

capsaicinoides con etanol grado industrial (96%) como disolvente. Lo s resultados muestran que

el 80% de capsaicinoides y 73% de carotenoides fueron extraídos con respecto al contenido en las

- 45 -

muestras iniciales; de manera adicional, con un tratamiento del fruto con enzimas la extracción se

mejoro de 7% a 11% para capsaicinoides y carotenoides, respectivamente.[50] Por otra parte,

Amaya-Guerra et al.[51] utilizaron cuatro disolventes: etanol, acetona, etil-acetato y hexano para

la extracción de capsaicinoides y carotenoides a partir del chile guajillo; los autores encontraron

que la cantidad de pigmento extraído aumenta con la polaridad del disolvente, por lo que el etanol

logro extraer 82 % de capsaicinoides y 74 % de carotenoides con respecto a su contenido antes de

inciar la extracción.

2.5.2 – EXTRACCIÓN DE CAROTENOIDES Y CAPSAICINOIDES CON CO2

SUPERCRÍTICO

Uquiche et al.[52] reportan la extracción de pigmentos a partir del pimiento rojo (Capsicum

annuum L.) con CO2 supercrítico y hexano. Las concentraciones obtenidas a 313 K se presentan

en la tabla 2.10. En la tabla se puede observar que para el pimiento rojo, los carotenos que se

encuentra en mayor cantidad son la zeaxantina, seguido de la capsantina y el β-caroteno, este

último representa la mayor cantidad del total de pigmento amarillo.

Tabla 2.10 – Concentración de carotenoides en el pimiento rojo obtenidas con CO2 supercrítico y

por extracción “soxhlet” con hexano.[52]

Disolvente CO2 SC

Hexano 32 MPa 43 MPa 54 MPa

Análisis HPLC (g carotenoides / kg extracto)a

Pigmentos en la extracción 3.65 7.01 7.66 9.76

Pigmento rojo 2.66 5.53 6.08 6.89

Capsorrubina 0.21 0.89 1.10 1.14

Capsantina 0.75 0.84 0.91 1.07

5,6-epoxi-capsantina 0.39 1.33 1.04 1.24

Zeaxantina 0.94 2.08 2.41 2.61

Criptocapsina 0.37 0.39 0.62 0.83

Pigmento amarillo 0.99 1.48 1.58 2.87

β-criptoxantina 0.35 0.83 0.89 1.11

β-caroteno 0.64 0.65 0.69 1.76


- 46 -

Daood et al.[53] determinaron el contenido de carotenoides, tocoferoles y capsaicinoides a partir

de un pimiento (Capsicum annuum L.) pulverizado a un tamaño de partícula de 400 – 600 µm y

con 10-11% de agua. Las tablas 2.11 y 2.12 muestran las cantidades obtenidas de estos

compuestos con CO2 supercrítico y propano subcrítico. Los resultados de la extracción mostraron

un contenido de 2166 µg de carotenoides totales con β-caroteno como componente principal por

cada gramo de muestra.

La tabla 2.11 muestra que para el CO2 como disolvente, las mejores condiciones de extracción de

carotenoides son a 308 K y alta presión; sin embargo el mejor disolvente de extracción es el

propano líquido ya que se llegó a obtener en ese estudio hasta 4 veces más cantidad de

carotenoides comparado con el CO2.

Tabla 2.11 – Contenido de los principales carotenoides en un extracto de pimiento.[53]

Condiciones de extracción Contenido de carotenoides (µg/g extracto)

P / MPa T / K disolvente β-caroteno Cis-β-caroteno Diesteres Totalb

20 308.15 CO2 409 133 53 943 (3.4)

30 308.15 CO2 470 120 206 1470 (7.5)

40 308.15 CO2 791 252 479 3317 (17.5)

20 328.15 CO2 397 111 120 1312 (2.7)

30 328.15 CO2 403 131 559 2288 (11.6)

40 328.15 CO2 609 179 413 2587 (13.7)

20 298.15 CO2 485 152 168 1617 (8.1)

5 298.15 Propano 1981 589 6110 14376 (75.0)

8 298.15 Propano 1941 529 5681 13828 (71.2)

b: Los valores entre paréntesis indican la cantidad recuperada de carotenoides (%) con respecto a la materia prima.

La cantidad de capsaicinoides extraidos reportados en la tabla 2.12 muestran que el mejor

disolvente empleado en la extracción es el CO2. Las condiciones a las cuales se obtiene un

extracto más concentrado son a 308 K y 20 MPa; con respecto a la cantidad de capsaicinoides

obtenida por unidad de masa de fruto fresco es a 328 K y 40 MPa. El contenido de pungencia en

la muestra inicial (capsaicinoides) ascendió a 646 µg/g con la nor-dihidrocapsaicina, capsaicina y

dihidrocapsaicina.

- 47 -

Tabla 2.12 – Contenido de capsaicinoides en un extracto de pimiento.[53]

Condiciones de extracción Contenido de capsaicinoides (µg/g extracto) Capsaicinoides

(µg/g pimiento)b

P /MPa T / K disolvente NDC C DC Total

20 308.15 CO2 260 1373 1215 2850 315 (49)

30 308.15 CO2 252 1334 1151 2737 311 (48)

40 308.15 CO2 295 2020 1724 4039 451 (70)

20 308.15 CO2 568 3081 2754 6403 286 (44)

30 328.15 CO2 339 1852 1576 3783 428 (66)

40 328.15 CO2 450 2333 2208 4996 575 (89)

20 328.15 CO2 237 1303 1227 2767 299 (46)

5 298.15 CO2 28 306 304 645 71 (11)

8 298.15 Propano 31 335 323 698 75 (12)

b: Los valores entre paréntesis indican la cantidad recuperada de capsaicinoides (%) con respecto a la materia prima.

El mismo procedimiento fue utilizado por Gnayfeed et al.[54] con un pimiento (Capsicum annuum

L.) pulverizado a un tamaño de partícula de 400 – 600 µm. Para esta muestra encontraron que el

CO2 es ineficiente para extraer diésteres y xantofilas aún a 40 MPa y 298.15 K, mientras que los

capsaicinoides fueron fácilmente extraídos a estas condiciones. El propano fue mejor disolvente

para extraer carotenoides y tocoferoles, pero fue menos eficiente para extraer capsaicinoides

comparado con el CO2 a condiciones supercríticas.

Jaren-Galan et al.[55] reportan la extracción de pigmentos de un pimiento (Capsicum annuum),

por medio de fraccionamiento con CO2 SC y en mezclas con etanol y acetona al 1%. Con la

adición del co-disolvente obtuvieron la mejor extracción de pigmentos, a bajas presiones el

pigmento obtenido contenía en su mayoría β-caroteno y a presiones altas carotenoides rojos

(capsorrubina, capsantina, zeaxantina, β-criptoxantina) con pequeñas cantidades de β-caroteno. A

condiciones de 41.36 MPa se logra obtener 21.4 g de pigmento por kilogramo de pimiento

extraído.

Catchpole et al.[35] utilizaron acetona, CO2, propano y dimetil-éter, para obtener extractos de

pimiento negro y chile en polvo ; el nivel de pungencia de los extractos se determinó por

resonancia magnética nuclear y los resultados se presentan en la tabla 2.13.

- 48 -

Tabla 2.13 – Extracto total y contenido de capsaicina en extractos del chile en polvo.[35]

disolvente

Extracto obtenido

(g/kg chile)

Contenido de capsaicina

(g/kg extracto)

308 K 313 K 323 K 333 K 308 K 313 K 323 K 333 K

Acetona 160 20

CO2 (30 MPa) 131 19

Propano (4 MPa) 138 123 121 122 8 11 9 10

Dimetil-éter 154 189 158 188 19 14 15 14

De acuerdo a las condiciones estudiadas de la tabla anterior, la mayor cantidad de capsaicinoides

es obtenida con acetona y dimetil-éter con respecto a la materia prima. Para la cantidad extraída

de capsaicinoides en el extracto, los resultados obtenidos con dióxido de carbono a 313 K y 30

MPa son similares a los obtenidos con acetona y dimetil-éter. Por otra parte, el propano resultó

ser el disolvente con menor capacidad de extracción para estos compuestos.

- 49 -

C A P Í T U L O 3

APARATO Y METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

En cualquier experimento es necesario que los instrumentos de medición estén previamente

calibrados, ya que de esta manera podemos conocer el valor real de la variable de medición. En el

presente capítulo se describe la calibración de los instrumentos utilizados en este trabajo, así

como los equipos y su metodología para mediciones de solubilidad y extracciones con fluidos

supercríticos.

El estudio de solubilidad de sólidos en disolventes supercríticos se inició en los aparatos basados

en los métodos: estático – sintético y estático – sintético + DTV; debido a limitaciones técnicas

en los accesorios de medición de ambos aparatos, no se lograron obtener mediciones con

composiciones menores a 2y = 5.8 x 10-5 en fracción mol del sólido como se muestra en la tabla

3.1. Como consecuencia se desarrolló un aparato experimental basado en el método estático –

analítico con muestreo en línea que tuviera la capacidad de obtener datos de solubilidad de

sólidos en fluidos supercríticos poco solubles con composiciones de hasta 2y = 3.0 x 10-8. Con el

propósito de reducir los tiempos de medición, el aparato anterior se adaptó en forma dinámica

colocando una bomba de recirculación. Para este aparato se midieron solubilidades mayores que

5.9 x 10-5, sin embargo se considera que la capacidad de medición es equivalente al tercer aparato

2y = 3.0 x 10-8 ya que el equipo analítico es el mismo.

Tabla 3.1 – Límite inferior de medición de solubilidad para cada aparato experimental utilizado

en este trabajo.

Aparato Límite inferior de medición de solubilidad

2y (mol/mol)

1.- Estático – sintético = 6.8 x 10-5

2.- Estático – sintético + DTV = 5.8 x 10-5

3.- Estático – analítico = 3.0 x 10-8

4.- Dinámico – analítico = 5.9 x 10-5

- 50 -

3.1 – CALIBRACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

Los instrumentos de medición utilizados en este trabajo fueron:

• Termómetros de platino

• Transductores de presión

• Densímetro de tubo vibrante

• Balanza analítica

• Cromatógrafo de líquidos de alta eficiencia (HPLC)

3.1.1 – CALIBRACIÓN DE LOS TERMÓMETROS DE PLATINO

Para las mediciones de solubilidad por medio de los cuatro métodos experimentales, los

termómetros de platino (PT 100-O) de 2mm de diámetro fueron calibrados en el intervalo de 293

– 363 K con respecto a un patrón secundario de referencia ilustrado en la figura 3.1.

Este equipo consiste en un termómetro de platino PT 25-Ω conectado a un puente de resistencia

(marca Automatic Systems Laboratories, Modelo F300) computarizado, con una precisión de

+0.005 K respecto a la escala ITS-90 con una calibración trazable al estándar del NIST.

Figura 3.1 – Sistema para calibrar los termómetros de platino.

- 51 -

El procedimiento de calibración para los termómetros de medición es el siguiente:

Los termómetros son insertados dentro de termopozos de un cilindro hecho de una aleación de

cobre-aluminio; a su vez el cilindro es sumergido en un recirculador con agua (marca

Polyscience, modelo 9510) y se fija la temperatura inicial de 293 K. Una vez que la temperatura

del recirculador permanece estable (±0.01 K), durante un periodo aproximado de 3 horas, se

procede a registrar las temperaturas de los termómetros de platino PT 100-Ω y PT 25-Ω. Un

indicador de temperatura digital (marca Automatic Systems Laboratories, modelo F250) es

utilizado para observar los valores de temperatura de los termómetros PT 100-Ω. Posteriormente,

las lecturas se registran nuevamente cada 10 K hasta alcanzar el va lor de 363 K y después de

manera inversa, es decir disminuyendo cada 10 K la temperatura del recirculador.

Finalmente se correlacionan los valores de cada uno de los termómetros PT 100-Ω con los

valores del termómetro de referencia PT 25-Ω obteniéndose polinomios de segundo grado:

PTiiPTi2

iPTiPTi CTBTAT ++=

(3.1)

Donde PTiT , es la temperatura real de cada termómetro; iT , es la temperatura que registra el

indicador digital de temperatura y los parámetros PTiA , PTiB y PTiC se ajustan a los datos de

calibración generados para cada termómetro de platino, los cuales son presentados en la tabla 3.2.

Tabla 3.2 – Parámetros de calibración de los termómetros de platino .

PTi PTiA PTiB PTiC

PT1 1.21337 x 10-5 1.01787 0.01955

PT2 1.12084 x 10-5 1.01851 0.06226

Las diferencias entre los valores del termómetro de referencia PT 25-Ω y el real para los

termómetros PT1 y PT2 están representadas como residuales en las figuras 3.2 y 3.3. De

acuerdo a estas figuras la incertidumbre para ambos termómetros es de ±0.01 K en el intervalo de

293 – 363 K.

- 52 -

TPTref / K

280 300 320 340 360 380

TP

Tre

f -

TP

T1

/ K

-0.010

-0.005

0.000

0.005

0.010

Figura 3.2 – Residuales de la calibración para el termómetro PT1.

TPTref / K

280 300 320 340 360 380

TP

Tre

f -

TP

T2

/ K

-0.010

-0.005

0.000

0.005

0.010

Figura 3.3 – Residuales de la calibración para el termómetro PT2.

- 53 -

3.1.2 – CALIBRACIÓN DEL TRANSDUCTOR DE PRESIÓN

Para la medición de solubilidades de sólidos en disolventes supercríticos se utilizaron dos

transductores de presión para cada aparato como se muestra en la tabla 3.3.

Tabla 3.3 – Transductores de presión utilizados en los aparatos de medición de solubilidades.

Transductor de presión maxP

(MPa)

Aparato Incertidumbre

(MPa)

SEDEME, tipo Bourdon 25 Estático – sintético

Estático – sintético + DTV

± 0.004

± 0.008[184]

Druck, modelo PDCR 910-1756 30 Estático – analítico

Dinámico – analítico

± 0.01

± 0.01

Pmax: Presión máxima de operación

La calibración de ambos transductores de presión se realizó con respecto a un patrón primario de

referencia. El sistema de calibración del transductor de presión SEDEME se muestra en la figura

3.4. El patrón primario es una balanza de pesos muertos (marca Desgranges & Huo t Instruments,

modelo 5304), tiene una precisión de ±0.005% en su escala de medición de hasta 140 MPa y

utiliza aceite Sebacate™ en su interior como fluido de presurización. El transductor SEDEME

envía los valores de presión en miliVolts (mV) a un multímetro digital HP-34401A, la

temperatura del transductor y la presión atmosférica son monitoreadas por medio del indicador de

temperatura F250 y de un barómetro digital (marca DRUCK, modelo DPI-141), respectivamente.

Figura 3.4 – Sistema de calibración del transductor de presión SEDEME.

- 54 -

La calibración del transductor de presión SEDEME se realizó de 1 a 25 MPa. Durante las

mediciones de solubilidad el transductor está acoplado directamente a la celda y en consecuencia

también está expuesto a la temperatura del sistema; esto repercute en las mediciones de presión,

por lo tanto el transductor fue calibrado en el intervalo de 313 a 333 K cada 5 K.

La calibración del transductor SEDEME se realiza mediante el siguiente procedimiento:

El transductor de presión se conecta a una celda de medición, ambos se colocan dentro de un

baño de aire para regular la temperatura y a su vez se conectan a la balanza de pesos muertos por

medio de una tubería de acero inoxidable. A través de una bomba de vacío se procede a eliminar

el aire de este sistema.

La temperatura del sistema de calibración se estabiliza en un periodo de tiempo aproximadamente

de tres horas. Posteriormente se incrementa la presión del sistema agregando masas de 1 y 18.5

kg a la balanza de pesos muertos, equivalentes a 13.7 y 254.4 bar, respectivamente. Este proceso

se realiza 3 veces para que las partes mecánicas del transductor se ajus ten. Después, en la balanza

se colocan masas con incrementos y decrementos de 1 kg desde 1 hasta 18.5 kg y viceversa.

La presión se ajusta a un polinomio de orden cuadrático en función de la señal del transductor y

está representado por la siguiente ecuación:

TPiiTPi2

iTPiTPi CPBPAP ++= (3.2)

Donde TPiP es la presión real medida por el transductor de presión en MPa, iP es la señal del

transductor en mV, los parámetros ajustados TPiA , TPiB y TPiC son dependientes de la

temperatura del sistema y sus valores se encuentran en la tabla 3.4.

Tabla 3.4 – Parámetros de calibración del transductor de presión SEDEME.

T / K TPiA TPiB TPiC

313 5.16921 x 10-4 5.64373 -0.85327

318 5.42176 x 10-4 5.64404 -0.83031

323 5.48764 x 10-4 5.64493 -0.81451

328 5.48703 x 10-4 5.64610 -0.79496

333 5.85698 x 10-4 5.64728 -0.76415

- 55 -

La incertidumbre calculada del transductor de presión SEDEME fue ±0.005 MPa para las

mediciones de solubilidad con el aparato estático – sintético. En la figura 3.5 se muestra a manera

de ejemplo los residuales de las calibraciones a 328 K ya que a las otras temperaturas tienen el

mismo comportamiento.

PTPi / MPa

0 5 10 15 20 25 30

PT

Pi

- PB

PM

/ M

Pa

-0,006

-0,004

-0,002

0,000

0,002

0,004

0,006

Figura 3.5 – Residuales de la calibración del transductor de presión SEDEME a 328 K.

Es importante mencionar que para las mediciones de solubilidad en cada aparato experimental se

realizó la calib ración de los transductores; la incertidumbre estimada para cada uno se presenta en

la tabla 3.3. En el caso del transductor de presión Druck, la calibración se llevó a cabo

únicamente a temperatura ambiente debido a que en el aparato estático – analítico y dinámico –

analítico, el transductor de presión se encuentra colocado en la parte superior externa del horno.

3.1.3 – DETERMINACIÓN DE LAS CONSTANTES DEL DTV

Para la determinación de las densidades de las mezclas CO2 + sólidos mediante densímetría es

necesario determinar las constantes de DTV; para ello se utilizará el método clásico descrito por

Galicia-Luna et al.[185]. El procedimiento consiste en obtener los periodos de vibración de dos

fluidos de referencia de 313 a 333 K y de 1 a 25 MPa con incrementos de 5 K y 1 MPa,

respectivamente. Los fluidos de referencia son: agua grado HPLC (marca Aldrich) y nitrógeno

- 56 -

grado cromatográfico (marca Infra). La densidad de la mezcla en estudio en el DTV está

determinada por la siguiente ecuación:[58]

( ) ( )2OH

2mezOHmez 22

, ττρρ −+= kTP (3.3)

Donde la densidad de la mezcla en estudio mezρ es dependiente de la densidad del agua OH2ρ así

como de los periodos de vibración de la mezcla, mezτ y el agua, OH2τ . La constante k está

expresada por la ecuación:

2N

2OH

NOH

22

22

ττ

ρρ

−

−=k (3.4)

Donde 2Nρ y

2Nτ es la densidad y periodo de vibración del nitrógeno respectivamente. OH2ρ es

calculada con la ecuación de estado propuesta por Wagner y Pruß[56] y 2Nρ con la ecuación de

estado propuesta por Span et al.[57].

Para calcular la incertidumbre en la determinación de las densidades con el DTV se hizo uso de la

propagación de errores cuyo procedimiento fue presentado a detalle por Zúñiga-Moreno[58] y

estan presentadas en la sección A.1 del anexo A. La incertidumbre estándar de la densidad

experimental de las mezclas está definida por la ecuación:

2

2

mez

mez2

2

N

mez

2

2

OH

mez2

2

N

mez2

2

OH

mez2

mez2N

2

O2H

2

2N

2

O2H

2

mez

ττ

τρρ

στρ

στρ

στρ

σρρ

σρρ

σ

∂∂

+

∂∂

+

∂∂

+

∂∂

+

∂∂

=?

(3.5)

Las densidades son determinadas a temperatura y presión fija, por lo tanto sólo resultan ser

dependientes de la densidad del agua y nitrógeno y del periodo de vibración del agua, nitrógeno y

de la mezcla en estudio. La incertidumbre estimada en las mediciones de densidad de la s mezclas

en estudio fue ±0.2 kg/m3.

3.1.4 – CALIBRACIÓN DE LA BALANZA ANALÍTICA

Las composiciones de las mezclas binarias y ternarias utilizadas en el método estático – sintético

y estático – sintético + DTV fueron calculadas con las masas de cada componente dentro de la

celda (eliminando la masa de la celda), las cuales fueron medidas con una balanza analítica

(marca Sartorious, modelo MCA-1200). Para la calibración de la balanza se emplea un patrón

secundario, que es una masa de 1 kg de clase E1 y se realiza cada vez que se prepara una nueva

- 57 -

mezcla para evitar errores de defasamiento en la medición. La balanza tiene una precisión de

±0.0001 g. La incertidumbre en las composiciones de las mezclas binarias y ternarias se presenta

en la tabla 3.5, el cálculo de las incertidumbres está desarrollado en la sección A.2 del anexo A.

Tabla 3.5 – Incertidumbre en las composiciones de mezclas binarias y ternarias en el método

estático – sintético (+DTV).

Sistema Incertidumbre (fracción molar)

±1yσ ±

2yσ ±3yσ

CO2 (1) + capsaicina (2) 3 x 10-6 3 x 10-6

CO2 (1) + ácido palmítico (2) 5 x 10-6 5 x 10-6

CO2 (1) + ácido palmítico (2) + etanol (3) 1.3 x 10-5 5 x 10-6 1.3 x 10-5

CO2 (1) + ácido palmítico (2) + 2-propanol (3) 1.0 x 10-5 5 x 10-6 1.0 x 10-6

3.1.5 – CALIBRACIÓN DEL DETECTOR CROMATÓGRAFICO (DAD – HPLC) CON

REACTIVOS DE ALTA PUREZA

La determinación de solubilidades de sólidos en dióxido de carbono supercrítico por el método

estático – analítico utiliza un cromatógrafo de líquidos de alta eficiencia (HPLC) donde el sólido

es analizado para su cuantificación. El equipo analítico tiene los siguientes accesorios:

Equipo de análisis: marca HP, modelo HPLC 1100 series

Detector cromatográfico: DAD, 190-950 nm

Columna: Alltima C18, 5um, 250 x 4.6 mm

Precolumna: Alltima C18, 5um, 7.5 x 4.6 mm

Volumen de inyección: 20 µL

La calibración del detector de arreglo de diodos (DAD) se realizó utilizando capsaicina, ß-

caroteno y paracetamol; la pureza de estos compuestos se presenta en la tabla 3.6.

Para cada compuesto se realizaron diversas pruebas a diferentes condiciones cromatográficas

como: temperatura, fase móvil, flujo y longitud de onda basadas en los métodos HPLC

recomendados en la literatura. Como se mostrará mas adelante, las condiciones de operación del

cromatógrafo HPLC utilizadas en este trabajo para cada sólido son resultado de la modificación

de algunas condiciones cromatográficas reportadas anteriormente en la literatura.

- 58 -

Tabla 3.6 – Pureza de los reactivos utilizados.

Reactivo capsaicina β-caroteno paracetamol

Nombre

IUPAC

8-metil-N-vanillil-

trans-6-nonenamida

3,7,12,16-tetrametil-1,18-bis(2,6,6-

trimetil-1-ciclohexenil)-octadeca-

1,3,5,7,9,11,13,15,17-nonaeno

N-(4-hidroxifenil)-

etanamida

Marca Sigma Sigma Sigma-Aldrich

número CAS [404-86-4] [7235-40-7] [103-90-2]

No. catalogo M2028 C9750 A7085

Pureza 97% 98% 99.7%

La calibración del detector DAD consiste en preparar una concentración conocida del sólido en

un disolvente dentro de un matraz aforado. A partir de esta concentración de referencia se toman

muestras que son diluidas dentro de diferentes matraces para preparar soluciones de menor

concentración que la muestra de referencia. Después se inyectan 20 µL de cada concentración en

el HPLC teniendo como resultado valores de área; consecutivamente se correlaciona el área

cromatográfica – concentración de la solución para conocer la relación que existe entre el número

de moles del sólido y su resultado de área producto del análisis.

La concentración se ajusta a un polinomio de primer orden en función del área de cada

compuesto :

BSAS += sólidosólido ' (3.6)

Donde la concentración del sólido sólidoS es dependiente de l área cromatográfica sólido'S . Debido a

errores inherentes durante las calibraciones del detector que pueden ser a causa del operador,

jeringas de inyección, cromatógrafo HPLC, matraces y pipetas entre otros, las correlaciones tiene

un valor de ordenada al origen ≠B 0.

a) Identificación y calibración del detector DAD con capsaicina: Con base en el resumen

presentado en la tabla 2.5 se determinaron las condiciones cromatográficas más apropiadas

para identificación de capsaicina referidas a las características del pico. Las concentraciones

de capsaicina fueron preparadas con etanol grado HPLC (marca: J. T. Baker). Dentro de las

- 59 -

condiciones analíticas probadas en este trabajo, a continuación se mencionan las más

adeacuadas:

Análisis I : Metanol/Agua – 60/40 (%vol), ? = 280 nm de absorbancia, a 298 y 318 K de 1.0 a

1.5 mL/min: En resúmen el tiempo de retención de capsaicina es de 15 min.

Análisis II: Metanol/Agua con un gradiente de disolventes en el intervalo de 78 – 60 %vol de

metanol, con flujo de 1.7 a 1.5 mL/min: En este análisis se logró reducir el tiempo

de retención de capsaicina a 10 min.

Análisis III: La relación acetonitrilo/agua se realizó de manera isocrática en el intervalo 50 –

90 %vol del disolvente (A) con flujo de 1.0 a 1.5 mL/min. Dentro de estas

condiciones la más adecuada es la siguiente:

Acetonitrilo/agua : 70/30 (%vol) Flujo: 1.0 mL/min

Temperatura: 298 K Long. onda: 280 nm, DAD

En el análisis III el tiempo de retención de capsaicina es 6 minutos, menor a los análisis

anteriores como se mues tra en la figura 3.6. Cabe señalar que los disolventes utilizados como

fase móvil son grado HPLC de la marca Tecnolab.

min0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

mAU

0

200

400

600

800

1000

DAD1 A, Sig=280,4 Ref=off (FEB08\CAPS0003.D)

5.5

53

Figura 3.6 – Condición III: Análisis HPLC de capsaicina 97% pureza.

En la figura 3.7 se muestra la curva de calibración del detector DAD con capsaicina la cual es

utilizada para cuantificar el sólido saturado en CO2 con los métodos estático (y dinámico) –

analítico.

- 60 -

y = 0.08949115 x - 1.038334

Area0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Sca

psai

cina

/ (m

g/L)

0

200

400

600

800

1000

1200

Figura 3.7 – Calibración del detector DAD con capsaicina.

b) Identificación y calibración del detector DAD con paracetamol:

El reactivo de alta pureza de paracetamol se disolvió en diferentes disolventes dependiendo

de la condición cromatográfica. Las condiciones cromatográficas óptimas para los análisis de

paracetamol con el cromatógrafo HPLC son:

Análisis IV: Fase móvil: metanol/0.05M KH2PO4 en agua ajustado a pH: 2 con H2PO4,

17/83 (%vol)

flujo: 1.0 ml/min, temperatura: 298 K, Detector DAD (?): 280 nm

min0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

mAU

0

200

400

600

800

1000

1200

DAD1 C, Sig=254,4 Ref=off (ENE08\PARA0005.D)

6.9

07

Figura 3.8 – Condición IV: Análisis HPLC de paracetamol 99.7% pureza.

- 61 -

Un cromatograma de este reactivo, bajo las condiciones mencionadas anteriormente, se

muestra en la figura 3.8. El difosfato de potasio monobásico (KH2PO4) y el ácido fosfórico

(H2PO4) son marca Tecsiquim grado reactivo ACS con una pureza de 99% y 85%,

respectivamente.

Los resultados de la calibración del detector DAD con el estándar de paracetamol se presenta

en la figura 3.9.

y = 0.0143727 x - 0.9148817

Area0 10000 20000 30000 40000

Spa

race

tam

ol /

(mg/

L)

0

100

200

300

400

500

600

Figura 3.9 – Calibración del detector DAD con paracetamol.

c) Identificación y calibración del detector DAD con β-caroteno:

El reactivo β-caroteno de alta pureza fue diluido en los disolventes de cada fase móvil

probada a determinada composición. Las condiciones cromatográficas para la identificación

del reactivo fueron dos:

Análisis V VI

Detector DAD 450 nm 450 nm

Temperatura (K) 308 298

Flujo (ml/ min) 1.0 1.5

Fase móvil (%vol) 39 : acetonitrilo 52 : 2-propanol 5 : metanol 4 : agua

50 : acetonitrilo 15 : etil-acetato 35 : 2-propanol

- 62 -

Los cromatogramas de los análisis V y VI se presentan en la figura 3.10.

min0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5

4.109

4.252

4.397 4.6

82

5.285

5.539

6.0

02

6.526

6.774

7.3

94

7.681

8.525

8.916

9.915

13.33

4

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5

< 3

.500

< 3

.500

< 3

.500

< 6

.600

< 6

.600

< 6

.600

6.6

41

Figura 3.10 – Análisis HPLC de β-caroteno 98% pureza con las condiciones V y VI.

Para el análisis VI de β-caroteno, al finalizar el pico del reactivo puro, la señal del detector

tarda en llegar a la línea base y es más notable cuando la concentración del β-caroteno

disminuye. Para el análisis V, la forma del pico de β-caroteno es mejorada comparado con el

análisis VI y los sobresaltos de área que aparecen antes del minuto 9 son impurezas que

existen en el reactivo, esto concuerda con lo reportado por Mendes et al.[24] Un ejemplo de la

calibración del DAD con este compuesto utilizando las condiciones del análisis V se

V

VI

- 63 -

encuentra en la figura 3.11, dicha calibración será utilizada para cuantificar el sólido en las

mediciones de solubilidad.

y = 8.178169E-3 x + 0.0912574

Area200 400 600 800 1000 1200 1400

Sβ−

caro

teno

/ (m

g/L)

0

2

4

6

8

10

12

Figura 3.11 – Calibración del detector DAD con β-caroteno con la condición V.

La incertidumbre en la concentración producto de las calibraciones del detector DAD con dada

reactivo de alta pureza se presentan en la siguiente tabla. El procedimiento de cálculo de las

calibraciones está desarrollado en la sección A.3 del anexo A.

Tabla 3.7 – Desviación estándar en la concentración de las calibraciones del detector DAD.

Reactivo ± sólido'Sσ A B ± Aσ ± Bσ ± sólidoSσ

Capsaicina 6.5 0.08949 -1.03833 4.609 x 10-5 0.3295 0.9

Paracetamol 72.4 0.01437 -0.91488 2.805 x 10-5 0.5430 1.5

ß-caroteno 3.2 8.178 x 10-3 0.09126 4.615 x 10-5 0.0407 0.08

3.2 – MÉTODOS EXPERIMENTALES PARA DETERMINAR SOLUBILIDADES

A continuación se mencionan los aparatos empleados para la obtención de datos experimentales

en este trabajo, así como la descripción del procedimiento experimental.

- 64 -

Para la determinación de solubilidad de sólidos en CO2 supercrítico, se utilizaran cuatro aparatos

experimentales que están basados en dos métodos:

Aparato Método

1.- Celda de equilibrio visual de volumen variable Estático – sintético visual

2.- Celda de equilibrio + densímetro de tubo vibrante Estático – sintético visual + DTV

3.- Celda de equilibrio acoplada a un cromatógrafo HPLC Estático – analítico

4.- Celda de equilibrio acoplada a un cromatógrafo HPLC Dinámico – analítico

La solubilidad de sólidos en disolventes supercríticos está relacionada con el equilibrio de fases

del sistema en estudio por lo que experimentalmente se pueden utilizar los mismos métodos

empleados en sistemas líquido – vapor. Sin embargo no todos los métodos están comprobados

que puedan dar resultados congruentes y esto se debe a que las técnicas de medición presentan

algunos problemas como son: el muestreo de la fase en estudio, la cantidad de muestra tomada y

la técnica analítica qie depende de las características del sólido. A continuación se presenta una

breve descripción del método estático – sintético y método estático – analítico.[20]

3.2.1 – M ÉTODO ESTÁTICO – SINTÉTICO[20,59]

Conocido también como método estático no-analítico. Tomando como ejemplo un sistema sólido

+ gas, la mezcla de composición conocida es previamente preparada dentro de una celda,

posteriormente la celda es presurizada a una temperatura constante hasta que la mezc la forma una

sola fase. La temperatura o bien la presión se varía hasta que se observa la formación de una

nueva fase. Las fracciones molares en la mezcla se pueden determinar a partir de la cantidad

alimentada de cada componente de la mezcla, el volumen de la muestra se puede expandir o

disminuir por medio de un pistón después que se estabiliza la temperatura y presión. Cuando la

mezcla homogénea se comienza a separar en fases coexistentes (sólido-gas) se registra la

temperatura y presión, entonces una discontinuidad (punto de solubilidad) se observa en la

relación isotérmica presión-volumen. La aparición de una nueva fase también se puede detectar

observando una turbidez o meniscos en la celda en caso de tener ventanas.

3.2.2 – M ÉTODO ESTÁTICO – ANALÍTICO[20,33,60]

- 65 -

En una celda de equilibrio se colocan sólido y gas, la temperatura se regula en un medio de

calentamiento y la presión es suministrada por la fase gaseosa, ambas fases son agitadas dentro

de la celda con la finalidad de alcanzar el equilibrio entre las fases involucradas en menor tiempo;

cuando se alcanza el equilibrio , la temperatura y presión del sistema son monitoreadas.

Posteriormente, se toma una muestra representativa de la fase rica en CO2 para conocer su

composición por medio de un método de análisis apropiado como cromatografía de gases o

espectrometría de masas; en este trabajo se utilizó la cromatografía HPLC. Para asegurar que el

sistema continúa en equilibrio, después de tomar las muestras necesarias, se verifica que la

temperatura y presión sean constantes.

Cuando las mediciones se hacen isotérmicamente en celdas a volumen variable, la presión se

ajusta por el movimiento de un pistón aumentando o disminuyendo el volumen de la muestra, lo

que implica un mayor control del método. En celdas a volumen constante, la presión aumenta o

disminuye agregando o retirando el componente más ligero del sistema en estudio.

3.3 – APARATO Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

A continuación se describirán los aparatos mencionados en la sección anterior y procedimiento

experimental desarrollado en cada equipo para la obtención de datos experimentales en este

trabajo.

3.3.1 – CELDA DE EQUILIBRIO VISUAL A VOLUMEN VARIABLE

Basado en el método estático – sintético, este aparato consiste básicamente de una celda que

contiene un tubo de zafiro mostrada en la figura 3.12 y una cámara enfocada a un horno donde

será colocada la celda en el experimento, la cámara amplifica la imagen del fenómeno de

solubilidad mostrado en un monitor.

- 66 -

Figura 3.12 – Celda de equilibrio visual de volumen variable.

Este equipo fue utilizado para la determinación de la solubilidad de capsaicina en CO2

supercrítico de 298 a 333 K. Uno de los componentes principales de la celda es un tubo

transparente de zafiro. Ésta celda permite la determinación visual de las fases presentes en el

equilibrio donde la temperatura y presión dentro de la celda deben mantenerse constantes. Para

homogeneizar la mezcla se emplea un sistema de agitación. La mezcla se puede comprimir a la

presión deseada por medio de un pistón móvil, las lecturas de presión de la celda se obtienen de

un transductor de presión colocado en el interior del horno (marca Sedeme, tipo Bourdon de 25

MPa) y conectado a un multímetro digital (marca HP, modelo 34401A). La celda está conectada

en su brida inferior con una tubería que suministra nitrógeno presurizado con una bomba (marca

HiP, modelo 37-6-30), el cual impulsa al pistón por la parte inferior dentro de la celda para hacer

cambios de presión en el sistema. La presión es proporcionada por un generador de presión y el

gas proviene de un tanque de almacenamiento. La celda opera a presión máxima de 25 MPa y

hasta 363 K en temperatura.

El procedimiento de medición de solubilidad de sólidos en fluidos supercríticos está ampliamente

discutida por Camacho-Camacho [61] y consiste brevemente en 2 secciones:

a) preparación de las mezclas binarias sólido + CO2 y ternarias sólido + CO2 + co-disolvente:

La celda es colocada en un horno (marca Spame) y se elimina el aire con una bomba de vacío.

La válvula de carga de la celda es cerrada y la celda se pesa con la balanza analítica Sartorius

- 67 -

(modelo MCA 1200), con lo cual se tiene am (masa de la celda vacía). A continuación se

agrega la cantidad aproximada de capsaicina deseada y se desgasifica el sistema para conocer

bm (masa sólido + celda vacía). Con estos dos valores, se calcula la masa de sólido agregado

a la celda, 2m

ab2 mmm −= (3.7)

En caso de la adición de un co-disolvente al sistema sólido + disolvente, que para este estudio

se trató de etanol y 2-propanol, este es agregado a la celda y es nuevamente degasada y

pesada en la balanza para conocer la masa de la celda vacía + sólido + co-disolvente conocida

como cm y con la ecuación:

bc3 mmm −= (3.8)

Se conoce la caltidad del co-disolvente agregado 3m .

Por medio de una bomba de presurización (marca ISCO, modelo 100 DM) se alimenta CO2 a

la celda de zafiro abriendo la válvula de carga. El circuito de alimentación es previamente

degasado. Después de que se agrega la cantidad de CO2 requerida se cierra la válvula de carga

y se pesa la celda vacía + sólido + co-disolvente (si es un sistema ternario) + CO2

comprimido y ésta masa se conoce como dm . Por diferencia de masas se conoce la masa de

CO2 en la celda 1m , de acuerdo con la siguiente ecuación:

cd1 mmm −= (3.9)

La composición molar de cada componente en mezclas binarias o ternarias se determina por:

∑=

C

ii

ii

n

nx (3.10)

Donde: i

ii PM

mn =

b) establecer las condiciones experimentales y determinación del punto de solubilidad:

Conocida la composición de la mezcla sólido (2) + CO2 (1), el circuito de presurización con

nitrógeno es degasado y se fija la temperatura del horno y se deja estabilizar por un periodo

de 2 hrs. Acto seguido, se incrementa la presión del sistema lentamente hasta 25 MPa para

que el sólido se disuelva completamente en el disolvente, el sistema de agitación de la celda

facilita la disolución del sólido. Cuando el sólido está completamente disuelto en CO2 sólo se

- 68 -

debe observar una sola fase dentro de la celda, en ocasiones es necesario esperar hasta 4 horas

para la disolución. Posteriormente se disminuye lentamente la presión de la mezcla hasta que

exista precipitación de sólidos de tal forma que hay dos fases en la celda (sólida y fase rica en

CO2 supercrítico). Ésta condición de temperatura y presión donde el sólido aparece

(precipitación) es registrado y es el punto de solubilidad a la composición previamente

preparada de la mezcla. De esta manera, se conoce la presión de saturación de la mezcla a esa

composición. El siguiente paso es establecer una nueva temperatura para la siguiente

medición y se repiten los pasos anteriores a partir de la presurización de la mezcla.

3.3.2 – CELDA DE EQUILIBRIO VISUAL A VOLUMEN VARIABLE + D TV

Este aparato es una modificación de la celda de equilibrio visual de volumen variable, además de

los accesorios antes mencionados, un densímetro de tubo vibrante (DTV) está conectado a la

celda para obtener simultáneamente datos de solubilidad de sólido en CO2 supercrítico y

densidades de las mismas mezclas. En la figura 3.13 se muestra el diagrama del equipo con sus

componentes principales.

Figura 3.13 – Celda de equilibrio visual de volumen variable + DTV.

Este aparato está basado igualmente en el método estático – sintético, su metodología ha sido

desarrollada y presentada por Zúñiga-Moreno et al.[59] Este equipo tiene la principal ventaja de

obtener mediciones simultáneas de solubilidad y densidades de mezclas sólido + disolvente. Al

- 69 -

igual que el equipo descrito en la sección 3.3.1, se utiliza una celda (CE) que contiene un tubo de

zafiro. La celda está acoplada al densímetro de tubo vibrante (DTV, marca Anton Paar, modelo

512 P) a través de una válvula de carga (FV). El DTV tiene forma de U con volumen de

almacenamiento de muestra de 1 cm3 elaborado de hastelloy C-276. Las lecturas del periodo de

vibración del DTV son tomadas en un contador universal (marca HP, modelo 53131A) y la

temperatura es regulada por medio de l recirculador (LB, marca Polyscience, modelo 9510) que

utiliza agua destilada como medio de transferencia de calor.

La metodología consiste en preparar la compos ición de la mezcla binaria o ternaria de la misma

manera que en la sección anterior, las temperaturas de la celda y del densímetro son establecidas

a las mismas condiciones y están reguladas por el horno (AB) y recirculador (LB),

respectivamente. La presión es incrementada lentamente hasta 25 MPa y el sistema de agitación

MR es activado para que el sólido se disuelva completamente en el CO2 observándose una sola

fase dentro de la CE. La válvula FV se abre para alimentar al DTV la mezcla CO2 + sólido en

fase homogénea previamente degasado con la bomba de vacío, esto provoca una disminución en

la presión del sistema; por lo tanto la presión es nuevamente incrementada a 25 MPa

comprimiendo la mezcla con el pistón impulsado por nitrógeno a través del circuito PC como se

describió en la sección anterior. Una vez que las condiciones de temperatura y presión

permanecen estables, la presión de la celda es disminuida lentamente en intervalos de 1 MPa

hasta 0.1 MPa en la región cercana al punto de solubilidad registrando los valores de temperatura,

presión y periodo de vibración en cada intervalo. Con ayuda de la cámara enfocada a la celda de

medición se puede observar la precipitación del sólido, en ese momento se registran las

condiciones de la densidad de saturación y punto de solubilidad. Nuevamente se establece otra

temperatura para la siguiente medición y se reinicia el procedimiento anterior.

3.3.3 – APARATO ESTÁTICO – ANALÍTICO

La configuración de este aparato, optimización y la metodología seguida para la obtención de

datos de solub ilidad fue desarrollada en esta tesis. Inicialmente se obtuvieron datos de solubilidad

de capsaicina en CO2 supercrítico con una configuración del aparato basada en el método estático

– analítico. El método analítico utilizado para cuantificar la cantidad de sólido en la fase gaseosa

fue un cromatógrafo (HPLC) acoplado directamente a la celda de equilibrio .

A continuación se describe brevemente el uso del HPLC: El procedimiento de análisis de

muestras dentro del cromatógrafo de líquidos de alta eficiencia (marca Agilent, modelo HPLC

- 70 -

1100 series) consiste en utilizar una mezcla de disolventes como fase móvil afines al sólido en

estudio. La fase móvil pasa por un degasificador y es enviada con una bomba cuaternaria a un

inyector manual que contiene un dispositivo de inyección de 20 µL (marca Rheodyne, modelo

7725i). La muestra por analizar es inyectada y la fase móvil disuelve y arrastra la muestra hacia

una columna cromatográfica para separar cada componente de la muestra; columna Alltima C18,

5 µm, 250 mm longitud x 4.6 mm de diámetro y una pre-columna de la misma marca de 7.5 mm

x 4.6 mm. Los componentes separados son analizado en un detector de arreglo de diodos (DAD)

que permite analizar muestras en un campo de luz visible y ultraviole ta desde 190 a 950 nm de

longitud de onda. El resultado de los análisis, principalmente área de cada componente presente

en la muestra; es utilizado para correlacionar la relación área – concentración de la muestra a

través de un polinomio de primer orden. De esta manera se puede calcular el número de moles

del sólido.

Los principales componentes de éste aparato se muestran en la figura 3.14; consiste de una celda

de equilibrio (CE) que opera hasta 25 MPa y 423.15 K, un sistema de agitación magnética (A)

que permite alcanzar el equilibrio en menor tiempo, una válvula de 6 vías para tomar las muestras

de la fase rica en CO2 y enviarlas al cromatógrafo HPLC para su análisis.

Figura 3.14 – Aparato estático – analítico en línea

La celda CE, elaborada de acero inoxidable con volumen interno aproximadamente de 50 ml,

contiene dos ventanas de zafiro colocadas en la parte frontal y anterior de la celda que permite

- 71 -

observar el fenómeno físico y las fases coexistentes en el equilibrio, una válvula accionada

manualmente permite el paso del disolvente, además en su interior tiene un agitador magnético

que es accionado por el sistema de agitación A. La válvula de 6 vías (marca Valco, modelo C-

2006E) opera en 2 posiciones, almacenamiento y envío de muestra al HPLC, 2 sondas de

temperatura PT-100-Ω (PT1 y PT2) colocadas en termopozos laterales de la celda son utilizadas

para registrar la temperatura en un indicador digital (marca Hart Scientific, modelo 1529), la cual

es regulada por el horno de AB. Las sondas de temperatura fueron previamente calibradas por la

empresa INYMET, S. A. de C. V. con una incertidumbre reportada de ±0.016 K cuya calibración

es trazable a los estándares del NIST y CENAM.

La presión de la celda es registrada por el transductor de presión (P, marca Druck, modelo PDCR

910-1756) el cual está conectado a la CE en la parte superior de la brida y a un indicador de

presión (marca Druck, modelo DPI 145).

El procedimiento para medir solubilidad de sólidos en fluidos supercríticos se inicia agregando

aproximadamente 0.5 g del sólido en la celda de equilibrio. Los accesorios del aparato de

medición son conectados para hacer el degasado y confirmar que el sistema no tenga fugas. La

temperatura es establecida por medio de los controladores de l AB y el sistema es presurizado

agregando dióxido de carbono por medio de una bomba (marca ISCO, modelo 100 DM) y a su

vez es mezclado con el sólido activando el sistema de agitación magnética. Cuando el sistema

alcanza el equilibrio, es decir, tanto temperatura como presió n permanecen constantes después de

8 horas aproximadamente, se procede a tomar muestras en la celda. A determinadas condiciones

de temperatura y presión en la celda, una muestra de la fase rica en CO2 (fase fluida) es

almacenada en un volumen de inyección de 20 µl de la válvula de 6 vías que se encuentra en

posición de carga y con su actuador manual es inyectada al HPLC para su análisis. El resultado

de área del sólido reportado en el cromatograma es registrado para determinar la solubilidad del

sólido en dióxido de carbono supercrítico 2y y está expresada en fracción molar bajo la siguiente

formula:[60]

SCOFFS

COLCFF2

2

2 CVA

PMVAy

ρ= (3.11)

donde FFA y SA son las 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

- 72 -

es el volumen de la muestra en fase fluida, el peso molecular del dióxido de carbono está

expresado por 2COPM ,

2COρ es la densidad del dióxido de carbono. SC es la concentración de la

capsaicina empleada para la calibración.

Para obtener la fracción molar del sólido es necesario muestrear la fase fluida al menos 5 veces

cada 3 horas a las mismas condiciones de temperatura y presión hasta que la fracción molar sea

estable; normalmente alcanza una reproducibilidad menor 10%. Las mediciones de solubilidad se

llevaron a cabo de manera isotérmica variando la presión de la celda a condiciones menores de 25

MPa. Las condiciones cromatográficas para el análisis de los sólidos disueltos en la fase fluida

fueron las mismas que se utilizaron en la calibración descrita previamente en la sección 3.1.5.

3.3.4 – APARATO DINÁMICO-ANALÍTICO

Otra posibilidad de obtener datos experimentales de solubilidad de sólidos en dióxido de carbono

supercrítico es por medio de un método dinámico; por lo tanto el aparato anterior se modificó

adicionando una bomba de recirculación de la fase fluida como se muestra en la figura 3.15.

Figura 3.15 – Aparato dinámico – analítico en línea

Al igual que el aparato anterior, los componentes son la celda de equilibrio (CE), sistema de

agitación (A), válvula de 6 vías y el equipo analítico HPLC para cuantificar las muestras. Una

bomba de engranes (marca micropump, modelo GAH) colocada entre la celda y la válvula de 6

vías permite la recirculación de la fase fluida para reducir el tiempo de disolución del sólido en el

- 73 -

fluido. Con el objetivo de evitar la entrada de sólidos no disueltos en la bomba y de acuerdo a la

especificación del fabricante, se debe utilizar un filtro de acero inoxidable de 7 µm (marca

swagelok, modelo SS-2F-7) fue colocado en la entrada de la bomba.

En promedio 0.5 g de sólido son pesados en la balanza analítica y se colocan en la celda de

equilibrio. Por medio de una bomba de vacío se elimina el aire de la celda, líneas de

presurización y muestreo. La temperatura de la celda es regulada por el horno de calent amiento y

por medio de las sondas PT1 y PT2 conectadas a un indicador de temperatura marca Hart

Scientific (modelo 1529) con una incertidumbre reportada de ±0.016 K (calibración realizada por

la empresa INYMET, S. A. de C. V. ). El sistema es presurizado a las condiciones de operación

agregando dióxido de carbono con la bomba Isco. Cuando el CO2 entra en contacto con el sólido

en la celda, el sistema de agitación magnética y la bomba de recirculación son activados para

reducir el periodo de saturación del sólido en la fase fluida.

Después de un periodo de estabilización de temperatura y presión aproximadamente de 8 horas,

se toman muestras de la fase fluida en la celda y son enviadas al HPLC para la cuantificación del

sólido. Las muestras son tomadas en periodos de 2 horas con una reproducibilidad en la

solubilidad del sólido en CO2 supercrítico menor al 10% en las últimas 5 muestras. La solubilidad

del sólido en dióxido de carbono supercrítico a condiciones de temperatura y presión en términos

de fracción molar es calculada con la ecuación 3.10. Una vez que se obtiene la fracción molar de

ambos componentes, se incrementa la presión del sistema y después de un tiempo de estabilidad

nuevamente se toman muestras de la fase fluida. La presión de la celda no debe exceder la

presión máxima de operación de la celda 25 MPa. La temperatura del sistema se cambia cuando

se han terminado las mediciones en el intervalo de presión de la celda para obtener datos de

solubilidad.

3.3.5 – EQUIPO DE EXTRACCIÓN POR FLUIDOS SUPERCRÍTICOS

La obtención de extractos con la tecnología desarrollada por fluidos supercríticos se puede

realizar en un equipo de extracción a escala de laboratorio. En el trabajo que aquí se presenta, la

extracción de capsaicinoides con dióxido de carbono supercrítico a partir de muestras de chile

poblano verde (Capsicum annuum L.) se llevó a cabo en una planta de extracción marca Thar

Tecnologies (modelo SFE-500), el diagrama del equipo se muestra en la figura 3.16.

- 74 -

Figura 3.16 – Diagrama de equipo de extracción por fluidos supercríticos

El equipo de extracción está formado por 2 bombas de suministro de disolvente y co-disolvente,

BS y BCS, respectivamente. Dos intercambiadores de calor, uno para enfriamiento del disolvente

(ICE) colocado a la entrada de la bomba y el otro es un calentador (ICC) colocado a la salida del

mezclador (MX). El mezclador MX permite la combinación de una mezcla disolvente + co-

disolvente cuando es requerido en la extracción. Un recirculador (marca Polyscience, modelo

9506) con una mezcla etanol/agua permite el enfriamiento del intercambiador ICE y la bomba

BS. La cantidad y densidad del dióxido de carbono utilizada durante la extracción es cuantificada

por medio de un medidor de flujo tipo “coriolis” que indica el resultado en unidades de masa.

Dos recipientes de extracción (E) y separación (S) contienen en su línea de salida un regulador de

presión inversa RAPI y RMPI, respectivamente. Los recipientes E y S están cubiertos con una

chaqueta de calentamiento que regula su temperatura y cada uno está provisto de un manómetro

que indica la presión en cada recipiente. A través de una interfase, el equipo SFE-500 se

comunica a una computadora donde éste es controlado y operado con el software Process Suite™.

El procedimiento de extracción con CO2 supercrítico se inicia preparando la muestra a extraer;

tres chiles poblanos verdes frescos sin rabo (tallo) son lavados con agua y secados con aire

comprimido. Los chiles son picados en trozos pequeños, se pesan en la balanza analítica y se

depositan dentro del cilindro de extracción, E, del SFE-500 por la parte superior.

Los chiles poblanos fueron comprados en un mercado de la Ciudad de México cada semana con

un solo proveedor ya que no se disponía de un recipiente para almacenar a condiciones de 253 K

a vacío un solo lote de chiles poblanos. El contenido de agua en las muestras oscila entre (91-

93)% y se determinó eliminando el contenido de agua por calentamiento dentro de un horno de

CO2

ICE ICC BS

BCS

MX

RAPI RMPI

IPE IPS

E S

- 75 -

convexión forzada aproximadamente durante 2 días hasta obtener un peso constante como lo

describen Collins et al.[186] y Contreras-Padilla y Yahia[41]. Para la determinación del contenido

de capsaicinoides en las muestras de chile poblano, las muestras de Capsicum annuum L. fueron

cortadas en trozos y disueltas en etanol con agitación constante durante 1 hora. Finalmente las

muestras fueron analizadas en el cromatógrafo HPLC.

El software y cada componente del SFE-500 son activados para controlar desde la computadora

el proceso de extracción. El RAPI es regulado a la presión de operación del extractor.

El dióxido de carbono , alimentado al SFE-500 aproximadamente a 5.7 MPa y 3 g/min, es

comprimido a 276 K en un enfriador (ICE) y en la bomba BS; con esto se permite una buena

operación de la bomba. El dióxido de carbono entra al extractor E a condiciones de fluido

supercrítico; estas condiciones se obtienen con un previo calentamiento del fluido en ICC y la

presión es obtenida con la regulación del RAPI. La chaqueta de calentamiento en E permite

conservar la temperatura superior a la crítica del fluido. El dióxido de carbono entra en contacto

con las muestras de chile poblano y se satura de sólidos disueltos. El sólido que es arrastrado por

la mezcla de disolventes sufre una drástica disminución de presión hasta 0.1 MPa dentro del

separador ciclónico a 293 K; como consecuencia, el soluto disuelto en el disolvente es

precipitado (extracto) y queda impregnado en las paredes y fondo del separador. Finalmente el

disolvente sale por la parte superior del separador y es enviado a una válvula de venteo.

Al final del proceso, el extracto depositado en el separador es recolectado lavando el recipiente

con metanol grado HPLC y posteriormente se evapora para determinar la cantidad de extracto. El

extracto es disuelto en etanol grado HPLC dentro de un matraz, la mezcla se coloca en un

sonicador durante un periodo de 30 minutos y se filtra a vacío en acrodiscos de 0.45 µm de

tamaño de poro. El extracto filtrado es depositado en un vial color ámbar con tapón de tefló n.

Posteriormente la muestra contenida en el vial es inyectada en el HPLC para cuantificar la

cantidad de capsaicina en el extracto.

- 76 -

C A P Í T U L O 4

R E S U L T A D O S Y A N A L I S I S

En este capítulo se presentan los resultados obtenidos en esta tesis y su análisis para cada aparato

de medición. Este capítulo los resultados se divides en dos secciones: la solubilidad de sólidos en

disolventes supercríticos y las extracciones desarrolladas en una planta de extracción por fluidos

supercríticos.

La solubilidad de capsaicina en CO2 fue determinada experimentalmente en la celda visual de

volumen variable (estático – sintético) a temperaturas de 298 a 328 K. Un densímetro de tubo

vibrante fue acoplado a este aparato (estático sintético + DTV) por lo que se obtivueron

resultados de solubilidad y densidad de las mezclas CO2 + capsaicina y CO2 + ácido palmítico

incluyendo las densidades de saturación a diferentes composiciones. La influencia de un alcohol

como co-disolvente en la solubilidad del ácido palmítico en CO2 fue estudiada a 313 K con una

composición de (3 y 6) %molar. Los alcoholes utilizados fueron etanol y 2-propanol.

Posteriormente se menciona el nuevo aparato estático – analítico con muestreo en línea y su

metodología desarrollada en este trabajo para medición de solubilidades. Los sistemas estudiados

fueron: solubilidad de capsaicina, β-caroteno y paracetamol en CO2 de manera separada. El nevo

aparato fue modificado para una operación en modo dinámico – analítico, su confiabilidad en la

medición de solubilidades fue determinado a partir del sistema capsaicina en CO2.

En cada aparato de medición se muestra la comparación de sus resultados con respecto datos

disponibles en la literatura, así como la consistencia interna de cada sistema binario y ternario

con las correlaciones propuestas por Mendez-Santiago y Teja. [Fluid Phase Equilib. 158-160

(1999) 501-510], [Ind. Eng. Chem. Res. 39 (2000) 4767-4771]

Al final de este capítulo se presentan los resultados de las extracciones de capsaicinoides del chile

poblano (Capsicum annuum L.) con dióxido de carbono supercrítico a diferentes condiciones de

temperatura y presión.

Los sistemas estudiados fueron los siguientes:

- 77 -

Tabla 4.1 – Sistemas estudiados en la determinación de solubilidad.

Aparato Sistema

1.- estático – sintético: Solubilidad de capsaicina en CO2

2.- estático – sintético + DTV: Solubilidad de capsaicina en CO2

Solubilidad de ácido palmítico en CO2

Solubilidad de ácido palmítico en mezclas CO2 + etanol

Solubilidad de ácido palmítico en mezclas CO2 + 2-propanol

3.- estático – analítico: Solubilidad de capsaicina en CO2

Solubilidad de β-caroteno en CO2

Solubilidad de paracetamol en CO2

4.- dinámico – analítico: Solubilidad de capsaicina en CO2

4.1 - SOLUBILIDAD DE CAPSAICINA EN CO2 DETERMINADA EN LA CELDA

VISUAL A VOLUMEN VARIABLE

Como parte inicial de este trabajo se determinaron datos de solubilidad de capsaicina en dióxido

de carbono de 298 a 328 K preparando la mezcla de manera sintética en una celda con tubo de

zafiro a volumen variable. El procedimiento experimental está descrito en el capítulo anterior. Es

importante señalar que a ∼25 MPa la mezcla capsaicina + dióxido de carbono forma una fase

homogénea y la presión a la cual se forma la segunda fase (punto de solubilidad) depende de la

composición de la mezcla. El reactivo utilizado fue capsaicina natural que contiene una pureza de

65%, marca Aldrich Chemical Co., número de catalogo 36,037-6, CAS [404-86-4]. Los

resultados experimentales de solubilidad de capsaicina en CO2 se muestran en la tabla 4.1; la

pureza del reactivo fue considerada para reportar la cantidad total de capsaicina en términos de

fracción molar. El error asociado con respecto a las masas de los componentes en estudio es ±1 x

10-4 g. Para las fracciones molares el error asociado está determinado por la siguiente expresión

( )421

2

2

221

2

1

122

22

nn

PMn

PMn mm

y+

+

=

σσ

σ (4.1)

El desarrollo de esta expresión se encuentra en el anexo A.

- 78 -

Por lo tanto, la incertidumbre experimental para la solubilidad de capsaicina en dióxido de

carbono es 2yσ = ±3 x 10-6 en fracción molar, ±0.01 MPa y ±0.03 K en presión y temperatura

respectivamente.[59,62]

Tabla 4.1 – Solubilidad de capsaicina en CO2 por el método estático-sintético

P / MPa 2y (capsaicina) P / Mpa 2y (capsaicina) P / MPa 2y (capsaicina)

T = 298.40 K T = 307.80 K T = 312.85 K

8.88 6.8 x 10-5 9.06 6.8 x 10-5 14.03 11.1 x 10-5

15.50 9.8 x 10-5 12.04 9.8 x 10-5 17.76 14.9 x 10-5

19.21 11.3 x 10-5 14.13 11.3 x 10-5 18.63 15.4 x 10-5

20.79 16.5 x 10-5

T = 317.93 K T = 322.93 K T = 327.87 K

13.34 11.1 x 10-5 13.15 11.1 x 10-5 12.71 11.09 x 10-5

17.03 14.9 x 10-5 15.19 14.9 x 10-5 15.63 14.91 x 10-5

Los resultados obtenidos están de acuerdo a las tendencias reportadas en la literatura y dentro de

la incertidumbre experimental como se muestra en las figuras 4.1 y 4.2 a 298 y 313 K,

respectivamente.

P / MPa

5 10 15 20 25

y 2 (c

apsa

icin

a)

4.0e-5

6.0e-5

8.0e-5

1.0e-4

1.2e-4

1.4e-4298.15 K Knez y Steiner[32] 298.00 K de la Fuente et al.[33] 298.40 K Este trabajo

Figura 4.1 – Solubilidad de capsaicina en CO2 a 298 K con la celda de volumen variable

- 79 -

P / MPa

5 10 15 20 25

y 2 (c

apsa

icin

a)

0

5e-5

1e-4

2e-4

2e-4

313.15 K Knez y Steiner[32]

313.00 K de la Fuente et al. [33]

312.75 K Este trabajo

Figura 4.2 – Solubilidad de capsaicina en CO2 a 313 K con la celda de volumen variable

Diversos modelos en función de la densidad del disolvente supercrítico pueden ser utilizados para

correlacionar los datos de solubilidad; sin embargo en ocasiones no se dispone de la presión de

sublimación del sólido. Por lo tanto los datos de solubilidad de capsaicina en dióxido de carbono

fueron correlacionados con el modelo propuesto por Méndez-Santiago y Teja (MS-T):[63]

( ) TCBAPyT ´´ln 12 ++= ρ (4.2)

Los parámetros ajustables Á , ´B y Ć son independientes de la temperatura y presión. La

ecuación (4.2) considera que la cantidad de sólido disuelto en el disolvente 2y es demasiado

baja, en consecuencia el efecto de sólido en la densidad de la mezcla mρ es poco y por lo tanto

se puede reemplazar en esta ecuación por la densidad del disolvente 1ρ . La densidad del

disolvente fue calculada con la ecuación propuesta por Span y Wagner.[64]

- 80 -

ρ1 / kg/m3200 400 600 800 1000

T ln

(y2

P) -

C' T

-9000

-8500

-8000

-7500

-7000

-6500

ρr1 = ρ1 / ρc

1

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Correlación MS-TKnez y Steiner[32]

de la Fuente y colab.[33]

Este trabajo

Figura 4.3 – Correlación de datos de solubilidad de capsaicina en CO2 con el modelo MS-T.

Como resultado de la correlación de estos datos de solubilidad con la ecuación (4.2), los

parámetros ajustados fueron Á = -9161 K, ´B = 2.55 m3 K/ kg, Ć = 16.666. En la figura 4.3 se

muestra el ajuste de 60 datos de solubilidad de capsaicina en CO2 obtenidos en este trabajo con la

celda visible de volumen variable de 298 a 327 K, los datos reportados por Knez y Steiner[32] y

por de la Fuente et al.[33] a 298 y 313 K. Como se puede observar los datos de solubilidad

reportados a diferente temperatura se agrupan en una sola línea, con esto se puede considerar que

dichos parámetros sin independientes de la temperatura.

La consistencia interna de los datos está determinada por la desviación absoluta relativa (AAD):

exp

calexp*100(%)y

yyAAD

−= (4.3)

La desviación (AAD) en solubilidad entre el conjunto de datos de la figura 4.3 y aquellos

calculados con el modelo MS-T es 12.2%. Cinco datos de solubilidad tuvieron que ser

descartados para obtener los parámetros más adecuados de la ecuación (4.2) ya que presentaban

una desviación mayor al 50%, entre ellos se encuentran tres reportados por de la Fuente et al.[33] a

313 K y dos reportados por Knez y Steiner[32] a 298 y 313 K. La baja desviación obtenida en la

- 81 -

correlación sugiere que el conjunto de datos de solubilidad de capsaicina en CO2 son consistentes

internamente.

4.2 - SOLUBILIDAD DE SÓLIDOS EN CO2 SUPERCRITICO DETERMINADA EN LA

CELDA VISUAL A VOLUMEN VARIABLE + DTV

Después de comprobar la capacidad del aparato anterior para determinar experimentalmente

solubilidades de sólido en CO2, la celda visual de volumen variable fue conectada a un

densímetro de tubo vibrante (DTV) para determinar de manera simultánea solubilidad ( 2y ) y

densidades de las mezclas:

• CO2 (1) + capsaicina (2): el sólido con número de CAS [404-86-4] tiene una pureza

certificada de 98% y el proveedor fue Sigma con número de

catálogo M2028.

• CO2 (1) + ácido palmítico (2): el ácido palmitico tiene una pureza certificada de 99%

(CAS [57-10-3]) con número de catálogo P5585 de la marca Sigma.

• CO2 (1) + ácido palmítico (2) + etanol (3): con una pureza del co-disolvente (3) mayor a

99.8% de la marca Merck.

La incertidumbre reportada es de:

• sondas de temperatura: ±0.03 K (293 a 363 K).

• transductor de presión: ±0.01 MPa (1 a 25 MPa).

• Densidad: ±0.2 kg/m3.

• masa: ±1 x 10-4 g.

4.2.1 - SOLUBILIDAD DE CAPSAICINA EN CO2

Después de comprobar la capacidad del aparato anterior para determinar experimentalmente, las

solubilidades de capsaicina en CO2 utilizando la celda a volumen variable + DTV fueron

determinadas a 312.86, 317.82, 322.91, 328.01 y 332.92 K y se encuentran reportadas en la tabla

4.2. La incertidumbre reportada para este sistema es de ±3 x 10-6.

Los resultados presentados en la tabla anterior fueron comparados con los datos reportados en la

literatura. Como se observa en la figura 4.4, los datos de solubilidad medidos con este método

concuerdan con los datos reportados por Knez y Steiner[32] y de la Fuente et al.[33] a 313 K. Sin

embargo una ligera desviación se presenta a baja presión con respecto a lo s datos reportados por

Knez y Steiner.[32]

- 82 -

Tabla 4.2 - Solubilidad de capsaicina en CO2 por el método estático-sintético + DTV

P / MPa 2y (capsaicina) P / MPa 2y (capsaicina) P / MPa 2y (capsaicina)

T = 312.86 K T = 317.82 K T = 322.91 K

11.51 5.8 x 10-5 10.87 5.8 x 10-5 10.68 5.8 x 10-5

13.77 8.2 x 10-5 11.96 8.2 x 10-5 13.51 8.2 x 10-5

13.43 9.7 x 10-5 12.03 9.7 x 10-5 13.72 9.7 x 10-5

13.83 9.7 x 10-5 12.54 9.7 x 10-5 15.70 13.3 x 10-5

15.20 10.2 x 10-5 12.93 10.2 x 10-5 17.56 16.4 x 10-5

17.89 13.3 x 10-5 16.21 13.3 x 10-5 18.04 17.2 x 10-5

19.13 15.4 x 10-5 17.88 16.4 x 10-5 18.23 18.2 x 10-5

19.79 16.4 x 10-5 18.22 17.2 x 10-5 18.40 20.2 x 10-5

19.93 16.5 x 10-5 19.30 18.2 x 10-5

21.23 17.2 x 10-5 20.20 20.2 x 10-5

22.91 18.2 x 10-5

T = 328.01 K T = 332.92 K

10.44 5.8 x 10-5 10.79 5.8 x 10-5

14.52 9.7 x 10-5 16.42 9.7 x 10-5

15.26 13.3 x 10-5 15.93 13.3 x 10-5

16.84 16.4 x 10-5 17.67 16.4 x 10-5

17.22 17.2 x 10-5 15.81 17.2 x 10-5

17.62 18.2 x 10-5 17.01 18.2 x 10-5

16.81 20.2 x 10-5 15.60 20.2 x 10-5

- 83 -

P / MPa5 10 15 20 25 30

y 2 (c

apsa

icin

a)

0.0

5.0e-5

1.0e-4

1.5e-4

2.0e-4

2.5e-4


312.86 K Este trabajo313.00 K de la Fuente et al.[33]

Figura 4.4 – Solubilidad de capsaicina en CO2 a 313 K con la celda de volumen variable + DTV

Los datos reportados a 318 K, están dentro de la isoterma de solubilidad reportado por de la

Fuente et al.[57] Grandes diferencias se pueden observar con respecto a los datos reportados por

Hansen et al.[12] de aproximadamente 1x10-4 a presión mayor a 15 MPa. El mismo caso se

presenta al comparar los resultados de este trabajo con los datos de Hansen et al.[12] a 328 K pero

con una diferencia menor a 5x10-5.

P / MPa

5 10 15 20 25 30

y 2 (c

apsa

icin

a)

0.0

1.0e-4

2.0e-4

3.0e-4

4.0e-4

5.0e-4318.15 K Hansen et al.[12]

317.82 K Este trabajo318.00 K de la Fuente et al.[33]

Figura 4.5 – Solubilidad de capsaicina en CO2 a 318 K con la celda de volumen variable + DTV

- 84 -

Finalmente los resultados obtenidos a 323 K fueron comparados con aquellos datos publicados

por Knez y Steiner[32] sin embargo no se puede establecer una criterio de comparación en la zona

de 15 a 25 MPa ya que no existe una buena tendencia para ambos conjuntos de datos.

Densidades del sistema CO2 (1) + capsaicina (2) a las diferentes composiciones reportadas en la

tabla 4.2 fueron obtenidas simultáneamente con el densímetro de tubo vibrante (DTV) con

decrementos de presión de 25 MPa hasta la presión de saturación de cada mezcla en el intervalo

de temperatura de 313 a 333 K. La incertidumbre experimental en las mediciones de densidad

para este sistema fue calculada en ± 0.2 kg/m3; los valores de densidad de la mezcla mρ están

reportados en las tablas B-1 a B-10 del anexo B.

Las densidades de saturación de la mezcla mρ se presentan en la figura 4.6. Como se puede

observar, la densidad disminuye a medida que la temperatura disminuye a presión constante. En

cada isoterma la densidad de saturación es proporcional a los cambios de presión.

P / MPa10 12 14 16 18 20 22

ρ m

/ kg

/m3

300

400

500

600

700

800

900

313.08 K318.02 K323.04 K328.01 K332.92 K

Figura 4.6 – Densidades de saturación de la mezcla capsaicina + CO2

Debido a que se cuenta con las densidades de cada mezcla, la correlación MS-T puede ser

utilizada como:

( ) TCBAPyT m ´´ln 2 ++= ρ (4.4)

- 85 -

Los datos de solubilidad de capsaicina en CO2 obtenidos con este aparato experimental fueron

correlacionados con las ecuaciones (4.2) y (4.4) para revisar el efecto que tiene el uso de la

densidad de la mezcla mρ y la densidad del disolvente CO2ρ . Los resultados de la correlación se

presentan a continuación:

Tabla 4.3. Correlación MS-T para solubilidades de capsaicina en CO2 usando mρ y CO2ρ .

Parámetro Correlación MS-T, ecuación (4.1)

CO2ρ (kg/m3) mρ (kg/m3)

Á (K) -10015 -10010

´B (m3 K/ kg) 2.849 2.875

Ć 18.567 18.485

AAD (%) 15.8 15.6

Aunque la diferencia entre la densidad de saturación de la mezcla y la densidad del disolvente es

mayor de 5 kg/m3, no se encontró una diferencia significativa en el uso de la densidad de la

mezcla o la densidad del disolvente. Por lo tanto se puede asumir que en el intervalo de

solubilidad estudiado (y2 = 5.8 – 20.1 x 10-5) el sólido disuelto en el disolvente tiene muy poco

efecto en la densidad de la mezcla que es posible utilizar la densidad del disolvente en lugar de la

densidad de la mezcla al utilizar modelos basados en la densidad de la mezcla.

Finalmente los datos de solubilidad de capsaicina en CO2 publicados en la literatura y los

obtenidos experimentalmente fueron correlacionados con el modelo MS-T de la ecuación (4.2).

Como resultado de la correlación los valores de los parámetros ajustados fueron A = -9335 K,

´B = 2.63 m3 K/ kg, Ć = 17.05 cuya gráfica se presenta en la figura 4.7. En general, los valores

presentan una desviación de AAD: 19.2%. Los valores reportados por Hansen et al. [12] a 318 y

328 K son los que más se desvían de la línea producto de la correlación de todos los datos. En el

caso de los datos reportados por Knez y Steiner[32] las mayores desviaciones se presentan en la

isoterma reportada a 313 K. Por el contrario los valores que mejor se ajustan a la línea recta son

los datos de solubilidad reportados por de la Fuente et al.[33] con una desviación AAD en

promedio de 12%. En el caso de los datos obtenidos por el presente método experimental, seis

puntos de solubilidad se encuentran alejados de la tendencia lineal en mayor proporción a

diferente temperatura en el intervalo de 10 MPa a 16 MPa, aunque en promedio el conjunto de

datos para todas las isotermas tienen un AAD = 16.9%. A excepción de los datos con desviación

- 86 -

alta y en particular para los datos reportados por de la Fuente et al.[33] y en este trabajo se pude

asumir que los datos son consistentes internamente.

ρ1 / kg/m3

200 400 600 800 1000

T ln

(y 2

P)

- C

' T

-9000

-8500

-8000

-7500

-7000

-6500

ρr1 = ρ1 / ρc

1

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0


de la Fuente et al.[33]

Hansen et al. [12]

Este trabajo (DTV)

Figura 4.7 – Correlación de las isotermas de solubilidad de capsaicina en CO2 con el modelo MS-T

4.2.2 - SOLUBILIDAD DE ACIDO PALMITICO EN CO2

Como parte complementaria y además para demostrar que el aparato estático-sintético acoplado a

un densímetro de tubo vibrante es adecuado para la medición experimental de solubilidad de

sólidos en disolventes supercríticos, se determinaron las solubilidades de ácido palmitico en CO2.

La razón por la cual se eligió este sistema es porque tiene un intervalo de solubilidad ( 2y ) un

poco mayor que la mezcla capsaicina en CO2 y además de que el punto de fusión es de alrededor

335 K muy semejante al punto de fusión de la capsaicina (335-338 K) aunque con estructuras

moleculares diferentes.

En la tabla 4.4 se presentan los resultados de solubilidad de ácido palmitico en CO2 de 313 a 328

K obtenidos con la celda visual de volumen variable la cual estuvo acoplada al DTV. Es

importante mencionar que a 323 y 328 K se observaron tres fases durante la medición de

densidades y solubilidades. La incertidumbre reportada para los datos de solubilidad de este

sistema es de ±5 x 10-6

- 87 -

Tabla 4.4 - Solubilidad de ácido palmítico (1) en CO2 (2)

T = 312.99 K T = 317.97 K T = 322.95 K* T = 327.88 K*

P / MPa 2y x 10-4 P / MPa 2y x 10-4 P / MPa 2y x 10-4 P / MPa 2y x 10-4

11.04 3.53 10.14 1.44 13.92 8.00 15.21 9.79

11.80 3.91 12.52 6.08 15.72 11.16 21.18 21.18

13.57 4.97 13.67 8.40 22.59 26.49

14.99 5.62 16.80 14.56

16.54 6.30 23.92 21.12

18.65 7.92

22.93 8.98 * presencia de tres fases

La isoterma de solubilidad reportada en la tabla 4.4 a 313 K fue comparada con los datos

reportados en literatura.[65-67] La comparación presentada en la figura 4.8 muestran que los cuatro

conjuntos de datos tienen la misma tendencia y que en el intervalo de presión de 10-15 MPa los

datos obtenidos en este trabajo concuerdan con los datos reportados por Ohgaki et al.[66]

P / MPa

5 10 15 20 25

y 2 (ac

. pal

miti

co)

0.0

2.0e-4

4.0e-4

6.0e-4

8.0e-4

1.0e-3

1.2e-3

Bamberger et al.[65]

Ohgaki et al.[66]

Cho et al.[67]

Este trabajo

Figura 4.8 – Solubilidad de ácido palmítico en CO2 a 313 K

- 88 -

Con respecto a los datos de solubilidad reportados a 318 y 328 K, se puede observar que en las

isotermas de cada autor la solubilidad aumenta con respecto a un incremento de temperatura; sin

embargo existen grandes diferencias entre cada conjunto de datos para la misma temperatura,

esto puede ser observado en la figura 4.9. La pureza del ácido palmitico utilizado por Kramer y

Thodos[68] fue de 95% mientras que la pureza del reactivo utilizado por Gordillo et al.[69] es igual

a la utilizada en este trabajo (99%). Diversos factores influyen en las desviaciones en solubilidad

que se presentan en cada isoterma, una de ellas puede ser la pureza del reactivo ya que Kramer y

Thodos[68] utilizaron una pureza inferior (95%) comparada con la pureza empleada por Gordillo

et al.[69] y en este trabajo (99%). Por otra parte en ambas referencias[68,69] utilizaron un aparato

experimental dinámico que contiene una celda de acero inoxidable que no permite observar que

ocurría durante el desarrollo de las mediciones. En nuestro caso debido a la ventaja de tener una

celda visible se pudo observar que a 328 K se presentaron tres fases.

P / MPa5 10 15 20 25 30 35

y 2 / (

ác. p

alm

itico

)

0.0

2.0e-3

4.0e-3

6.0e-3

8.0e-3

1.0e-2

318 K Kramer y Thodos [68]

328 K Kramer y Thodos [68]

318 K Gordillo et al.[69]

328 K Gordillo et al.[69]

318 K Este trabajo328 K Este trabajo

Figura 4.9 – Solubilidad de ácido palmítico en CO2 a 318 y 328 K

La consistencia interna de los datos de solubilidad de ácido palmítico en CO2 fue revisada

utilizando la correlación MS-T. Los parámetros obtenidos fueron: A = -16490 K, ´B = 3.58 m3

K/ kg, Ć = 39.21. La recta producto de ajuste se presenta en el figura 4.10 al igual que los datos

experimentales reportados en literatura.

- 89 -

ρ1 / kg/m3200 400 600 800 1000

T ln

(y2 P

) -

C' T

-16000

-15500

-15000

-14500

-14000

-13500

-13000

-12500

Correlación MS-TKramer y Thodos [68]

Bamberger et al.[65]

Ohgaki et al.[66]

Cho et al.[67]

Gordillo et al.[69]

Este trabajo

Figura 4.10 – Correlación de la solubilidad de ácido palmítico en CO2 con el modelo MS-T

Las mayores desviaciones se presentan en los datos reportados por Kramer y Thodos[68] y por

Gordillo et al.[69] Por otra parte, los resultados obtenidos en este trabajo se encuentran más

cercanos a la línea recta y tienen un AAD = 22%. En general la desviación de los seis conjuntos

de datos presentados en la figura 4.10 es aproximadamente de 47%.

Por otra parte, los resultados de la medición simultánea de solubilidad de la mezcla CO2 (1) +

ácido palmitico (2) con el DTV están presentados en las tablas A.11 – A.13 a temperaturas de

313, 318 y 328 K. Al igual que en el sistema CO2 + capsaicina, el uso de la densidad de la mezcla

en lugar de la densidad del disolvente puro, no modificó la correlación de los datos de solubilidad

con el modelo MS-T.

Además se estudió la influencia de un co-disolvente (3) en la solubilidad del ácido palmitico (2)

en CO2 (1) supercrítico a 313 K. El co-disolvente utilizado fue etanol y 2-propanol de manera

separada cada uno a composiciones de 3% y 6% molar con respecto al la composición del

disolvente.

- 90 -

4.2.3 - SOLUBILIDAD DE ACIDO PALMITICO EN CO2 + CO-DISOLVENTE

El procedimiento experimental descrito en la sección 3.3.1 para la preparación por pesadas

sucesivas de la mezcla CO2 (1) + ácido palmitico (2) + alcohol (3) fue modificado. Después de

haber agregado y conocido la cantidad de ácido palmitico, el alcohol fue agregado al sistema con

una jeringa y nuevamente la celda fue degasada; finalmente el CO2 es agregado a la celda y de

esta manera se conocen las masas y por ende la composición de la mezcla con las ecuaciones

(3.7) – (3.10).

Las solubilidades experimentales de ácido palmítico (2) en mezclas CO2 (1) + alcohol (3)

(disolvente + co-disolvente) a 313 K se presentan en la tabla 4.5. La incertidumbre experimental

para la solubilidad del ácido palmítico en mezclas de CO2 + alcohol se mencionan en la siguiente

tabla, el desarrollo de las ecuaciones para calcular la incertidumbre de estos sistemas ternarios se

presenta en el anexo A.

Tabla 4.5 - Solubilidad de ácido palmítico (1) en mezclas CO2 (2) + alcohol (3)

T = 313.44 K

3x (etanol) = 0.03 3x (etanol) = 0.06

P / MPa 2y x 10-3 P / MPa 2y x 10-3

8.21 1.011 ± 0.002 10.41 5.810 ± 0.003

9.04 2.073 ± 0.003 12.73 8.272 ± 0.004

12.03 3.448 ± 0.003 15.13 10.914 ± 0.004

14.07 4.263 ± 0.003 17.19 13.479 ± 0.004

18.32 5.695 ± 0.003 22.76 15.699 ± 0.005

24.61 5.898 ± 0.003

3x (2-propanol) = 0.03 3x (2-propanol) = 0.06

P / MPa 2y x 10-3 P / MPa 2y x 10-3

11.28 3.511 ± 0.003 10.90 8.055 ± 0.004

12.98 4.298 ± 0.003 12.87 10.612 ± 0.004

17.86 5.541 ± 0.003 15.02 13.716 ± 0.005

18.35 6.100 ± 0.003 20.69 16.209 ± 0.005

18.76 6.224 ± 0.003

- 91 -

Como se puede observar en la gráfica 4.11 la solubilidad de ácido palmitico en CO2 aumenta

con la presencia de un co-disolvente. No se encontró una diferencia notable en el

mejoramiento de la solubilidad del sólido al utilizar etanol o 2-propanol a composición de

3%molar. Además la solubilidad aumenta conforme se incrementa la cantidad del alcohol. A

composición de 6% mol de alcohol, se observa que la solubilidad del ácido palmitico es

mucho mejor en la mezcla CO2 + 2-propanol alrededor de 0.02 fracción molar.

P / MPa5 10 15 20 25

y 2 / (

ácid

o pa

lmíti

co)

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

0.018

3%mol etanol 3%mol 2-propanol 6%mol etanol 6%mol 2-propanol CO2 puro

Figura 4.11 – Comparación de la solubilidad de ácido palmítico en CO2 en presencia de un co-

disolvente

Los datos de solubilidad de ácido palmitico en CO2 con la presencia de etanol o 2-propanol

fueron correlacionados con el modelo propuesto por Mendez-Santiago y Teja[70] basado en la

densidad del disolvente al igual que en las ecuaciones (4.2) y (4.4). Por lo tanto la ecuación que

considera en uso de co-disolvente (mezclas ternarias) está expresado como:

31 ´´´ln xJHGET ++= ρ (4.5)

donde

subppy

E2

2= (4.6)

- 92 -

los parámetros ´G , ´H y ´J son independientes de la temperatura T , E es el factor de

mejoramiento, el cual incluye la solubilidad en fracción mol del sólido 2y , la presión de sistema

P y la presión de sublimación subP2 que es calculada con la ecuación de Antoine. 1ρ es la

densidad del disolvente y 3x es la fracción molar del co-disolvente agregado al sistema. Como

resultado de la correlación, los parámetros obtenidos fueron: ´G = 3475, ´H = 2.879 y ´J =

8545.7. Los valores correlacionados están representados en líneas dependientes de cada alcohol y

de su respectiva composición en la figura 4.12.

ρ1 / kg/m3

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

T ln

E

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

x3= 0.03 etanol

x3= 0.03 2-propanol

x3= 0.06 etanol

x3= 0.06 2-propanol

MS-T ec.(4.4)

Figura 4.12 – Correlación de la solubilidad de ácido palmítico en CO2 + alcohol

De acuerdo a la figura 4.12, los datos de solubilidad determinados a 313 K tienen una tendencia

lineal y la diferencia entre los resultados experimentales y los datos de solubilidad calculados con

la ecuación (4.5) tienen una desviación AAD de 8.5%.

En las tablas A.14 y A.15 del anexo A se presentan los resultados experimentales de solubilidad

de las mezclas CO2 + ácido palmitico + etanol a composición de 0.03 y 0.06 en fracción mol de

etanol, respectivamente. En las tablas A.16 y A.17 se encuentran los resultados de solubilidad del

sistema CO2 + ácido palmítico + 2-propanol igualmente obtenidos a composición de 0.03 y 0.06

en fracción mol. Al igual que las variaciones de densidad con respecto a la composición de la

mezcla, la densidad de la mezcla ternaria es mayor cuando se utiliza una composición de 0.06

fracción mol, ya sea con etanol o 2-propanol. No se presentaron diferencias considerables entre la

- 93 -

densidad de la mezcla ternar ia utilizando etanol y 2-propanol a la misma composición la densidad

de las mezclas ternarias es siempre mayor con respecto a la densidad del disolvente puro ya que

se está agregando componentes con densidades altas.

4.3 - SOLUBILIDAD DE SÓLIDOS EN CO2 POR EL METODO ESTÁTICO –

ANALÍTICO EN LÍNEA

Para la obtención de datos experimentales de solubilidad de sólido (capsaicina o paracetamol) en

CO2 por medio del método estático-analítico es necesario tener desarrollada la técnica analítica

para la identificación de los compuestos en estudio y la respectiva curva de calibración del

detector DAD.

En esta sección, describe la manera en que se obtuvieron las condiciones cromatográficas para la

identificación de cada reactivo. Además se incluyen las curvas de calibración del detector DAD

con capsaicina y paracetamol. Estas curvas de calibración fueron utilizadas para poder cuantificar

la solubilidad del sólido en dióxido de carbono expresada en términos de fracción molar. Los

resultados de solubilidad de capsaicina en CO2 y paracetamol en el mismo disolvente son

comparados con los datos reportados en la literatura. Otro objetivo que se tenía con este equipo

era la determinación de datos de solubilidad de β-caroteno en CO2; para este caso se obtuvieron

las condiciones cromatográficas y la curva de calibración del sólido, sin embargo no se lograron

obtener datos de solubilidad confiables debido a que los picos de β-caroteno provenientes de

muestras de la celda de equilibrio se deformaron como se mostrará mas adelante.

4.3.2 - SOLUBILIDAD DE CAPSAICINA EN CO2

La solubilidad de capsaicina en dióxido de carbono supercrítico fue determinada

experimentalmente por el método estático-analítico, las muestras fueron tomadas en línea, el

procedimiento de medición y equipo experimental está descrito en la sección 3.3.3. Las

temperaturas a las cuales se midieron estos datos de manera isotérmica fueron 298, 313 y 328 K

en el intervalo de 7 a 25 MPa. Los resultados de solubilidad se encuentran en la tabla 4.7.

La incertidumbre en temperatura y presión es de ±0.03 K y ±0.01 MPa, respectivamente, además

la incertidumbre experimental de los valores de solubilidad de capsaicina en CO2 también se

encuentran reportados en la tabla 4.7 para cada valor.

- 94 -

Tabla 4.7 – Solubilidad de capsaicina en CO2 por el método estático-analítico en línea.

T = 298.18 K T = 313.54 K T = 328.31 K

P / MPa 2y x 10-5 P / MPa 2y x 10-5 P / MPa 2y x 10-5

7.95 6.00 ± 0.05 7.81 0.58 ± 0.07 8.16 1.20 ± 0.08

8.32 6.90 ± 0.09 8.54 1.26 ± 0.05 8.37 1.55 ± 0.09

9.42 7.04 ± 0.06 9.72 3.77 ± 0.06 10.24 5.18 ± 0.06

9.63 7.32 ± 0.09 9.83 4.17 ± 0.06 10.53 6.15 ± 0.05

10.69 7.90 ± 0.07 10.32 4.99 ± 0.07 12.92 8.39 ± 0.06

12.34 8.34 ± 0.08 10.55 5.55 ± 0.07 12.98 8.27 ± 0.07

13.13 9.00 ± 0.09 11.57 7.28 ± 0.08 14.72 9.77 ± 0.08

13.51 8.97 ± 0.09 12.00 7.54 ± 0.09 15.54 9.93 ± 0.09

15.41 9.29 ± 0.08 13.09 9.67 ± 0.09 15.94 11.30 ± 0.13

15.69 9.43 ± 0.09 13.21 9.41 ± 0.09 17.41 14.86 ± 0.18

15.79 9.35 ± 0.09 13.60 10.53 ± 0.11 18.28 16.88 ± 0.20

17.75 10.14 ± 0.09 15.55 12.72 ± 0.15 18.63 16.22 ± 0.20

20.42 10.76 ± 0.10 16.42 14.33 ± 0.17 19.32 19.62 ± 0.23

20.77 10.90 ± 0.12 16.58 14.62 ± 0.17 19.98 20.35 ± 0.24

21.07 11.05 ± 0.10 17.43 14.89 ± 0.18 20.85 22.68 ± 0.27

21.34 11.07 ± 0.10 18.08 15.66 ± 0.18 21.01 22.66 ± 0.27

22.62 11.82 ± 0.11 19.54 17.44 ± 0.21 21.20 23.72 ± 0.28

23.09 12.26 ± 0.11 20.27 17.50 ± 0.21 22.16 27.25 ± 0.32

24.65 12.25 ± 0.11 21.59 19.44 ± 0.23 23.25 27.83 ± 0.33

24.92 12.67 ± 0.11 22.43 20.41 ± 0.24 23.33 27.41 ± 0.32

24.98 12.62 ± 0.11 23.36 21.48 ± 0.25 23.59 27.72 ± 0.33

24.29 22.31 ± 0.26 24.19 30.01 ± 0.35

24.66 22.68 ± 0.27 24.34 30.21 ± 0.35

25.49 22.97 ± 0.27 24.76 30.79 ± 0.36

24.85 32.47 ± 0.38

25.62 32.68 ± 0.38

- 95 -

Los resultados de solubilidad de capsaicina se compararon con los datos de literatura. En la figura

4.18 se muestra la comparación de estos datos a 298 y 313. Para la isoterma de solubilidad a 298

K, la comparación realizada con respecto a los datos reportados por Knez y Steiner[32] y de la

Fuente et al.[33] muestran una buena concordancia en todo en intervalo de medición de este

trabajo. La comparación hecha de los resultados obtenidos a 313 K con respecto a los publicados

por de la Fuente et al.[33] muestran buena tendencia, sin embargo a presión mayor que 22 MPa los

resultados de solubilidad son mayores comparados con la referencia [33]. Las desviaciones más

notables son con respecto a los publicados por Knez y Steiner[32] . Sus datos parecen tener una

tendencia que se sitúa entre las isotermas de 298 y 313 K, además las desviaciones se encuentran

en baja y alta presión (7 y 25 MPa) con diferencias de hasta 4 x 10-5 en fracción molar.

P / MPa5 10 15 20 25 30

y 2 (c

apsa

icin

a)

0.0

5.0e-5

1.0e-4

1.5e-4

2.0e-4

2.5e-4298.18 K Este trabajo298.00 K de la Fuente et al.[33]


313.54 K Este trabajo 313.00 K de la Fuente et al.[33]


Figura 4.19 – Comparación de la solubilidad de capsaicina en CO2 con datos de literatura a 298 y

313 K

En la figura 4.20 se muestra la comparación de los datos de solubilidad reportados a 328 K

utilizando el método estático-analítico en línea, el método estático-sintético + DTV y los

reportados por Hansen et al.[12] En esta figura se puede observar que los datos reportados por el

método estático-analítico no coinciden con los reportados por Hansen et al.[12] y la diferencia

entre estos dos conjuntos de datos se hace cada vez más notable a medida que la presión aumenta

hasta llegar a una diferencia aproximada de 1.7 x 10-4 a 25 MPa. Sin embargo al comparar los dos

- 96 -

métodos de medición de solubilidad de esta tesis se nota que los datos resultados obtenidos con el

método estático-sintético + DTV están cercanos a la tendencia que se obtuvo con los resultados

del método estático-analítico en línea con una diferencia máxima aproximada de 3 x 10-5 en

fracción mol a condiciones de ~16 MPa.

P / MPa5 10 15 20 25 30

y 2 (c

apsa

icin

a)

0,0

1,0e-4

2,0e-4

3,0e-4

4,0e-4

5,0e-4

6,0e-4328.31 K Este trabajo (estatico-analitico)328.15 K Hansen et al.[12]

328.01 K Este trabajo (DTV)

Figura 4.20 - Solubilidad de capsaicina en CO2 obtenidas en este trabajo y reportados en la

literatura a 328 K

Es importante mencionar que los resultados de solubilidad de capsaicina en CO2 reportados por

Hansen et al.[12] también son diferentes a los reportados por de la Fuente et al.[33] a 318 K y de la

misma manera que a 328 K, los valores de solubilidad de dicha referencia son mayores que otros

autores. En el aspecto de la correlación de los valores de solubilidad con el modelo MS-T los

valores de los parámetros para el ajuste de los datos a una línea recta fueron: A = -9172 K, ´B =

2.6 m3 K/ kg, Ć = 16.63 con una desviación de los datos experimentales del 20% respecto al

AAD. La figura 4.21 muestra que los valores reportados principalmente por Hansen et al.[12]

específicamente a 318 y 328 K se encuentran desviados de la línea recta ajustada, con esto se

puede asumir que estos datos no son consistentes internamente. En contraste los valores

reportados por de la Fuente et al.[33] se ajusta mejor a la recta con una desviación de 14%,

seguido por los obtenidos en este trabajo con 17%.

- 97 -

ρ1 / kg/m3

200 400 600 800 1000

T ln

(y2

P) -

C' T

-9000

-8500

-8000

-7500

-7000

-6500

-6000

ρr1 = ρ1 / ρc

1

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0


de la Fuente et al.[33]

Hansen et al.[12]

Este trabajo (estatico-analitico)

Figura 4.21 – Correlación de la solubilidad de capsaicina en CO2 con el modelo MS-T.

- 98 -

4.3.3 - SOLUBILIDAD DE β -CAROTENO EN CO2.

Los resultados obtenidos por el método estático-analítico en línea para la solubilidad de β-

caroteno en CO2 a 298.30 y 313.43 K se presentan en la tabla 4.8 en el intervalo de medición de 8

a 25 MPa.

Tabla 4.8 – Solubilidad de β-caroteno en CO2 por el método estático-analítico en línea.

T = 298.30 K T = 313.43 K

P / MPa 2y x 10-7 P / MPa 2y x 10-7 P / MPa 2y x 10-7 P / MPa 2y x 10-7

8.47 0.76 ± 0.02 20.45 1.99 ± 0.04 10.35 0.30 ± 0.02 16.64 2.35 ± 0.04

10.58 0.99 ± 0.02 22.29 2.05 ± 0.04 10.80 0.36 ± 0.02 17.37 2.60 ± 0.05

10.82 1.12 ± 0.03 22.83 2.01 ± 0.04 10.87 0.33 ± 0.02 19.10 3.07 ± 0.05

12.88 1.42 ± 0.03 22.86 2.01 ± 0.04 11.58 0.41 ± 0.02 19.14 3.00 ± 0.05

14.71 1.59 ± 0.03 22.91 2.03 ± 0.04 11.68 0.41 ± 0.02 20.09 3.22 ± 0.06

15.21 1.67 ± 0.03 24.85 2.09 ± 0.04 12.05 0.47 ± 0.02 21.52 3.85 ± 0.07

17.57 1.72 ± 0.03 24.88 2.09 ± 0.04 13.26 0.87 ± 0.02 21.70 3.90 ± 0.07

20.00 1.85 ± 0.04 25.34 2.16 ± 0.04 13.36 0.87 ± 0.02 22.00 4.08 ± 0.07

20.14 1.91 ± 0.04 14.37 1.18 ± 0.03 22.89 4.33 ± 0.08

14.42 1.15 ± 0.03 23.77 4.56 ± 0.08

15.54 1.80 ± 0.04 23.84 4.61 ± 0.08

15.65 1.89 ± 0.04 24.56 4.71 ± 0.08

15.65 1.80 ± 0.04 24.60 4.68 ± 0.08

16.64 2.43 ± 0.04 24.61 4.72 ± 0.08

El procedimiento experimental para la obtención de datos de solubilidad de sólidos en CO2 está

descrito en la sección 3.3.3. Las muestras de la fase rica en CO2 saturada de β-caroteno (fase

fluida) son enviadas desde la celda de equilibrio al HPLC para el análisis del sólido a las mismas

condiciones de calibración y el cálculo de 2y se determina con la ecuación (3.10). Sin embargo

durante el análisis HPLC de β-caroteno, los picos de dicho componente se deforman aún más y

los sobresaltos de área debido a la impureza y/o degradación del reactivo antes del minuto 10 son

más grandes en comparación con la figura 4.17; además en algunos casos el pico del reactivo se

llegaba a partir como se puede observar en la figura 4.2.

- 99 -

Figura 4.22 – Análisis HPLC de una muestra de β-caroteno + CO2 enviada desde la celda de

equilibrio .

Debido a lo anterior no se logró obtener una buena reproducibilidad de los datos a presión y

temperatura constantes, además una de las condiciones para tener resultados confiables con éste

método es que no exista deformación en los picos. La deformación de los picos probablemente se

debe a la oxidación del reactivo causado durante el procedimiento de carga en la celda de

equilibrio, degradación de la muestra por luz visible ya la celda consta de dos ventanas de zafiro

y por último el alto periodo de residencia del reactivo durante el experimento.

P / MPa5 10 15 20 25 30

y 2 (

β -ca

rote

no)

6.0e-8

8.0e-8

1.0e-7

1.2e-7

1.4e-7

1.6e-7

1.8e-7

2.0e-7

2.2e-7

2.4e-7

Este trabajo Skerget et al.[29]

Figura 4.23 – Comparación de la solubilidad de β-caroteno en CO2 con datos de literatura a 298 K

min0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

mAU

0

20

40

60

80

100

120

DAD1 B, Sig=450,4 Ref=off (CAPSAIC\HPLC0032.D)

13.

915

14.

959

- 100 -

Los resultados obtenidos fueron comparados con los datos de la literatura. La isoterma de

solubilidad a 298 K fue comparada con los datos publicados por Knez y Steiner[32] presentada en

la figura 4.23. Los datos presentados en este trabajo presentan una tendencia a aumentar el valor

de solubilidad en el intervalo de 2y = 7 x 10-8 a 2 x 10-7 (β-caroteno). Sin embargo los datos de la

referencia [56] no presentan tendencia alguna y se encuentran muy dispersos en un intervalo de

1.3 a 2.3 x10-7 en fracción molar. No obstante en la figura anterior se puede observar que ambos

resultados coinciden en el intervalo de 15 a 25 MPa a excepción de los puntos de solubilidad

reportados aproximadamente a 21 y 24 MPa.

En general los datos de solubilidad de β-caroteno en CO2 reportados en literatura tienen

diferencias notables incluso al comparar los datos entre diferentes autores a la misma

temperatura. En la figura 4.24 se comparan los datos obtenidos en este trabajo con los datos

publicados en la literatura a 313 K. En la figura se puede observar que la solubilidad de β-

caroteno en CO2 determinada por el método estático-analítico en línea muestran una tendencia a

aumentar con respecto a los incrementos de presión; sin embargo no son congruentes con ningún

conjunto de datos. Los datos de este trabajo se aproximan más a los datos reportados por Skerget

et al.[29] a medida que se incrementa la presión. A presión menor a 15 MPa son más congruentes

con los datos publicados en las referencias [22,29,30].

P / MPa5 10 15 20 25 30

y 2 (

β -ca

rote

no)

0.0

1.0e-7

2.0e-7

3.0e-7

4.0e-7

5.0e-7Este trabajo Sovová et al.[30]

Mendes et al.[24]

Skerget et al.[29]

Sakaki[22]

Figura 4.24 – Comparación de la solubilidad de β-caroteno en CO2 con datos reportados en la

literatura a 313 K

- 101 -

Aunque las diferencias entre los datos de solubilidad reportados en literatura llegan a ser

aproximadamente de 3 x 10-7 a 313 K, no se puede asumir que nuestros datos son completamente

confiables debido al problema que se tiene en la técnica analítica.

Por lo tanto es necesario utilizar otro sólido ya estudiado que tenga el mismo orden de magnitud

de solubilidad del β-caroteno y de esta manera asumir que el método experimental es adecuado

en ese intervalo. Debido a sus propiedades químicas como oxidación a temperatura ambiente

mencionadas en el capítulo 1 es un compuesto difícil de utilizar durante las mediciones de

solubilidad y por ende esta puede ser una de las razones por las que no se lograron obtener datos

de solubilidad completamente confiables con respecto a la literatura. Por otra parte,

4.3.4 - SOLUBILIDAD DE PARACETAMOL EN CO2 SUPERCRITICO.

La solubilidad del paracetamol (acetaminofen) en dióxido de carbono supercrítico fue

determinada a 313.25 K por el método estático-analítico en línea. Los resultados obtenidos de

solubilidad y su respectiva incertidumbre para cada presión están presentados en la tabla 4.9.

Tabla 4.9 – Solubilidad de paracetamol en CO2 supercrítico por el método estático-analítico.

T = 313.25 K

P / MPa 2y x 10-7

11.14 4.3 ± 0.2

13.57 7.3 ± 0.3

13.98 8.0 ± 0.3

15.93 9.1 ± 0.4

17.89 9.8 ± 0.4

18.45 10.1 ± 0.4

21.04 12.8 ± 0.5

21.98 13.8 ± 0.5

25.02 15.8 ± 0.5

Estos resultados fueron comparados con los datos publicados en la literatura.[71,72] En la figura

4.25 se observa que los datos prácticamente coinciden en una sola tendencia y que la diferencia

más notable es con respecto a los datos publicados por Bristow y Shekunov[71] a 25 MPa de ± 2 x

10-5 en fracción molar.

- 102 -

Los datos de solubilidad de paracetamol en CO2 fueron correlacionados utilizando el modelo MS-

T. La línea recta con los parámetros de ajuste Á = -1127 K, ´B = 3.1 m3 K/ kg, Ć = -15.28 de

la figura 4.26 muestran que los datos de solubilidad coinciden en una sola línea con una

desviación AAD de los datos experimentales de 10%, por lo que se considera que los datos

reportados por Bristol y Shekunov,[71] Chang[72] y en este trabajo a 313 K son consistentes

internamente.

P / MPa8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

y 2 (p

arac

etam

ol)

2.0e-7

4.0e-7

6.0e-7

8.0e-7

1.0e-6

1.2e-6

1.4e-6

1.6e-6

1.8e-6

2.0e-6313.25 K Este trabajo estatico-analitico313.00 K Bristow y Shekunov (off-line)[71] 313.00 K Bristow y Shekunov (on-line)[71]

313.00 K Chang[72]

Figura 4.25 - Comparación de la solubilidad de paracetamol en CO2 a 313 K

ρ1 / kg/m3

200 400 600 800 1000

T ln

(y 2

P) -

C' T

-500

0

500

1000

1500

2000

Correlacion MS-TBristow y Shekunov[71]

Chang[72]

Este trabajo estático-analítico

- 103 -

Figura 4.26 – Correlación de la solubilidad de paracetamol en CO2 con el modelo MS-T.

4.4 - SOLUBILIDAD DE CAPSAICINA EN CO2 POR EL METODO DINÁMICO-

ANALÍTICO

Adicionalmente, datos experimentales de solubilidad de capsaicina en dióxido de carbono se

obtuvieron por medio del aparato basado en el método dinámico-analítico en línea, derivado de

una modificación de aparato estático descrito en el capítulo anterior.

El procedimiento experimental está descrito en la sección 3.3.4. La diferencia con respecto al

aparato estático es la recirculación de la fase fluida con una bomba de tipo engranes. Un filtro a la

entrada de la bomba es colocado para evitar que los sólidos no diluidos entren a la bomba.

Después de que el aparato dinámico analítico se estabilizó y con una recirculación de la fase

fluida aproximadamente de 27 ml/min, varias muestras fueron enviadas en línea al cromatógrafo

HPLC para el análisis de la capsaicina.

En la tabla 4.10 se muestran los resultados obtenidos de solubilidad de capsaicina en CO2 con

este aparato a 298.51 K en el intervalo de presión de 8 a 25 MPa.

Tabla 4.10 – Solubilidad de capsaicina en CO2 por el método dinámico-analítico en línea.

T = 298.51 K

P / MPa 2y x 10-5 P / MPa 2y x 10-5

8.14 5.92 ± 0.06 14.60 9.07 ± 0.09

8.18 5.90 ± 0.06 14.98 9.31 ± 0.09

8.81 6.54 ± 0.07 16.36 10.23 ± 0.10

8.84 6.56 ± 0.07 16.98 10.44 ± 0.10

10.64 7.84 ± 0.07 21.95 11.43 ± 0.11

10.86 7.89 ± 0.07 22.50 11.90 ± 0.12

10.86 7.81 ± 0.08 23.38 12.02 ± 0.13

10.88 7.94 ± 0.08 23.33 12.15 ± 0.13

11.71 8.16 ± 0.08 22.48 12.47 ± 0.14

11.77 8.09 ± 0.08 25.03 12.22 ± 0.13

11.95 8.27 ± 0.09 25.18 12.23 ± 0.13

13.70 9.00 ± 0.09

- 104 -

Los resultados presentados en la tabla 4.10 fueron comparados con aquellos datos publicados por

Knez y Steiner[32] y de la Fuente et al.[33] a ~298 K. Una sola tendencia se puede observar para los

tres conjuntos de datos. Por lo que se puede decir que la utilización del aparato en modo

dinámico también se puede obtener datos confiables de solubilidad de sólidos en CO2.

P / MPa5 10 15 20 25 30

y 2 (c

apsa

icin

a)

4.0e-5

6.0e-5

8.0e-5

1.0e-4

1.2e-4

1.4e-4298.18 K Este trabajo298.00 K de la Fuente et al.[33]


Figura 4.27 - Comparación de la solubilidad de capsaicina en CO2 a 298 K

- 105 -

4.5 – EXTRACCION DE CAPSAICINOIDES CON CO2 SUPERCRÍTICO A PARTIR

DEL CHILE POBLANO

A continuación se presentaran los resultados de las extracciones de capsaicinoides con CO2

supercrítico a partir de muestras de chile poblano. Las condiciones a las cuales se llevaron a cabo

las extracciones fueron a 308, 318 y 328 K y con flujo constante de 3 g/min de CO2 el cual tiene

una incertidumbre de ±1.1% en el flujo de masa. En cada temperatura las extracciones se

realizaron a 10.0, 20.0 y 27.5 MPa de presión y con tiempos de extracción de 3, 6, 8 y 10 horas.

Durante las extracciones, entiéndase por capsaicinoides a los dos compuestos capsaicina y

dihidrocapsaicina, ya que representan aproximadamente entre el 90 y 95% del total de

capsaicinoides presentes en los frutos de chile.

Tabla 4.11 – Extracción de capsaicinoides con CO2 supercrítico a 308 K.

Condiciones de extracción Contenido de capsaicinoides en el extracto (mg / kg chile poblano)

mQ / g/min τ / horas P / MPa Capsaicina Dihidrocapsaicina

3.0 10 27.5 1.84 0.41

3.0 10 20.0 1.57 0.39

3.0 10 10.0 1.00 0.12

3.0 8 27.5 3.68 0.92

3.0 8 20.0 2.68 0.57

3.0 8 10.0 1.74 0.43

3.0 6 27.5 3.62 0.87

3.0 6 20.0 1.84 0.47

3.0 6 10.0 1.26 0.38

3.0 3 27.5 2.05 0.35

3.0 3 20.0 0.75 0.17

3.0 3 10.0 0.26 0.06

En la tabla 4.11 se presentan los resultados de las extracciones realizadas a 308 K. En esta tabla

se puede observar que la cantidad de capsaicina extraída por kilogramo de chile poblano de

materia prima aumenta con incrementos de presión con tiempo de extracción constante.

- 106 -

Por otra parte, a presión constante, la cantidad de capsaicina extraída aumenta a medida que el

tiempo de extracción es incrementado en el intervalo de 3 a 8 horas; sin embargo si el tiempo de

extracción aumenta a 10 horas, la cantidad de capsaicina sufre un decremento.

El mismo comportamiento se tiene para la dihidrocapsaicina ya sea a tiempo o presión de

extracción constante.

Los resultados de las extracciones realizadas a 318 K se presentan en la tabla 4.12. A tiempo de

extracción constante, las cantidades de capsaicinoides obtenidos aumentan con respecto a

incrementos de presión.




3.0 10 27.5 7.82 2.14

3.0 10 20.0 6.12 1.76

3.0 10 10.0 4.04 1.15

3.0 8 30.0 15.91 4.32

3.0 8 27.5 9.26 2.95

3.0 8 20.0 4.78 1.58

3.0 8 10.0 1.33 0.52

3.0 6 27.5 6.12 1.99

3.0 6 20.0 2.87 0.99

3.0 6 20.0 2.72 0.83

3.0 6 10.0 1.04 0.36

3.0 3 27.5 2.49 0.24

3.0 3 20.0 1.35 0.09

3.0 3 10.0 0.15 N. D.

N.D.: No Detectable

La cantidad máxima obtenida se determinó a 8 horas y 30 MPa; sin embargo a 3 horas y 10 MPa,

la cantidad de dihidrocapsaicina obtenida no pudo ser determinada en el detector DAD del HPLC

debido a la baja cantidad de este compuesto. Por otra parte se muestra también que la extracción

a 6 horas y 20 MPa fue repetida dos veces, donde se puede observar que hay variaciones de 0.15

- 107 -

y 0.16 mg/ kg chile de capsaicina y dihidrocapsaicina, respectivamente. Esto puede ser debido a

que existen variaciones en la cantidad de capsaicinoides en el chile poblano utilizado en cada

experimento.

Finalmente los resultados obtenidos a 328 K con variaciones de presión y tiempo de extracción se

presentan en la tabla 4.13.




3.0 10 27.5 2.03 1.16

3.0 10 20.0 0.44 0.41

3.0 10 10.0 0.06 0.03

3.0 8 27.5 4.59 1.11

3.0 8 20.0 1.56 0.33

3.0 8 10.0 0.18 0.02

3.0 6 27.5 1.67 0.37

3.0 6 20.0 0.56 0.12

3.0 6 10.0 0.05 N. D.

3.0 3 27.5 0.88 0.24

3.0 3 20.0 0.31 0.06

3.0 3 10.0 0.05 N. D.

N.D.: No Detectable

La cantidad de capsaicinoides obtenida en el extracto a tiempo constante tiene el mismo

comportamiento que las isotermas anteriores. A presión constante, se obtiene mayor cantidad de

capsaicinoides a medida que aumenta el tiempo de contacto con la muestra de chile poblano en el

intervalo de 3 a 8 horas, mientras que a 10 horas la cantidad de éstos compuestos sufre una

disminución notable como se observa en la tabla 4.13. Con tiempos de contacto de 3 y 6 horas de

CO2 con la material prima y 10 MPa de presión, no hubo presencia de dihidrocapsaicina en el

extracto.

- 108 -

En resumen la mejor isoterma de extracción de capsaicinoides de muestras de chile poblano con

CO2 supercrítico se encontró a 318 K. En la figura 4.28 se muestra la cantidad de capsaicina

extraída por kilogramo de chile poblano en función de la densidad del CO2. En la gráfica se

puede observar que la cantidad máxima obtenida es cuando la densidad del disolvente es mayor

~890 kg/m3, es decir a alta presión (30 MPa) y con tiempo de extracción de 8 horas. Esto

confirma la teoría acerca de los fluidos supercríticos la cual menciona que la solubilidad del

sólido en el disolvente supercrítico es mejorada si la densidad del disolvente es cercana a la

densidad de un líquido (por ejemplo agua). Mediciones adicionales a la misma presión y

diferentes periodos de extracción no se obtuvieron debido a que se sitúa en el límite de la presión

máxima del RAPI.

El mismo caso se presenta para la dihidrocapsaicina obtenida en la extracción a 318 K, en la cual

a una densidad de disolvente de ~890 kg/m3 se tiene una cantidad máxima de 4.32 mg/kg de chile

poblano a 8 hrs. Este comportamiento se muestra en la figura 4.29.

ρCO2 / Kg/m3

400 500 600 700 800 900 1000

mg

caps

aici

na /

Kg

chile

pob

lano

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

10 horas8 horas6 horas3 horas

Figura 4.28 – Extracción de capsaicina con CO2 supercrítico a 318 K

- 109 -

ρCO2 / Kg/m3

400 500 600 700 800 900 1000

mg

dihi

droc

apsa

icin

a / K

g ch

ile p

obla

no

0

1

2

3

4

5

10 horas8 horas6 horas3 horas

Figura 4.29 – Extracción de dihidrocapsaicina con CO2 supercrítico a 318 K

Es importante mencionar que para las muestras de chile poblano al inicio de las extracciones el

contenido de dihidrocapsaicina es mayor que la cantidad de capsaicina en promedio de 4 a 5

veces. Por lo que es necesario determinar cual es la función que desempeña el disolvente

supercrítico para establecer cómo esta relación se conserva o varía al final del proceso de

extracción. La variable que nos pude ayudar a determinar esta variación es la eficiencia, la cual es

un parámetro muy importante en un proceso químico o físico y está definida para capsaicina

%100x(%)1capsaicina

2capsaicinacapsaicina m

m=η (4.7)

y para dihidrocapsaicina

%100x(%)1saicinadihidrocap

2saicinadihidrocapsaicinadihidrocap m

m=η (4.8)

donde la variable m es la masa de cada componente; los subíndices 1 y 2 representan la cantidad

del compuesto en la materia prima y en la obtenida en la extracción, respectivamente.

La figura 4.30 y 4.31 muestra la eficiencia obtenida a 27.5 MPa para capsaicina y

dihidrocapsaicina, respectivamente. En la grafica se puede observar que a determinada cantidad

de CO2 utilizada, la eficiencia de la extracción es mayor a 318 K comparada con los resultados

- 110 -

obtenidos a 318 K, sin embargo la eficiencia en la extracción a 328 K tiene nuevamente un

decremento a las mismas cantidades de masa del disolvente.

mCO2 / kg

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

η caps

aici

na /

%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18328 K318 K308 K

Figura 4.30 – Eficiencia en la extracción de capsaicina con CO2 supercrítico a 27.5 MPa

mCO2 / kg

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

η dihi

droc

apsa

icin

a / %

0

1

2

3

4

5328 K318 K308 K

Figura 4.31 – Eficiencia en la extracción de dihidrocapsaicina con CO2 supercrítico a 27.5 MPa

- 111 -

Comparando los resultados a temperatura constante, las mas altas eficiencias son alcanzadas a

318 K. En las figuras 4.32 y 4.33 se reportan los resultados obtenidos a esta temperatura con

diferentes condiciones de presión para capsaicina y dihidrocapsaicina, respectivamente.

En ambas graficas se puede observar que a presión constante de 10 y 20 MPa, la mayor eficiencia

es obtenida cuando el consumo de CO2 es mayor a 2 kg. A presiones de 27.5 y 30 Mpa, la

eficiencia en la extracción es mayor cuando la cantidad de CO2 en contacto con las muestras de

chile poblano fue de aproximadamente 1.5 kg, obteniendo la mayor eficiencia para capsaicina =

28.3% y dihidrocapsaicina = 6.7% a 30 MPa y 1.5 kg CO2.

mCO2 / kg

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

η caps

aici

na /

%

0

5

10

15

20

25

3030.0 MPa27.5 MPa20.0 MPa10.0 MPa

Figura 4.32 – Eficiencia en la extracción de capsaicina con CO2 supercrítico a 318 K

- 112 -

mCO2 / kg

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

η dihi

droc

apsa

icin

a / %

0

1

2

3

4

5

6

730.0 MPa25.0 MPa20.0 MPa10.0 MPa

Figura 4.33 – Eficiencia en la extracción de dihidrocapsaicina con CO2 supercrítico a 318 K

- 113 -

C O N C L U S I O N E S En este trabajo de tesis se determinaron datos de solubilidad de capsaicina y ácido palmítico en

dióxido de carbono a diferentes condiciones de temperatura y presión con el aparato estático-

sintético. La comparación de los datos de solubilidad obtenidos con respecto a los datos

publicados en la literatura muestras buena concordancia, a excepción de las isotermas reportadas

a 333 y 298 K para el sistema CO2 + capsaicina. Por lo tanto el aparato puede ser aplicado para

determinar solubilidades de sólidos con composiciones mayores de 2y = 8 x 10-5 en fracción

molar. El aparato estático-sintético acoplado al DTV permitió la obtención simultánea de

densidades de estos dos sistemas a las composiciones estudiadas incluyendo las densidades de

saturación de cada mezcla ; los datos de densidad de estas mezclas no se encuentran reportados en

la literatura previa a este trabajo.

Con el aparato estático sintético + DTV se confirmó que la solubilidad del ácido palmítico en

CO2 con presencia de un co-disolvente es mejorada. El co-disolvente utilizado fue etanol y 2-

propanol a 3 y 6% molar, siendo el 2-propanol a 6% molar donde se encuentra la mejor

solubilidad del ácido palmítico. Para estos sistemas también fueron determinadas las densidades

de saturación.

En este trabajo se desarrolló un aparato y metodología para determinar solubilidades de sólidos

en disolventes supercríticos basado tanto en el método estático-analítico y dinámico-analítico. La

ventaja de ambas configuraciones es la realización del muestreo “en línea” de la fase fluida

saturada del sólido lo que evita errores manuales de manipulación de las muestras. Para ambas

configuraciones de este aparato se demostró que tiene buena confiabilidad en la determinación de

solubilidades de acuerdo a la comparación de los resultados obtenidos con respecto a los

publicados en la literatura. Los sistemas estudiados fueron capsaicina, β-caroteno y paracetamol

en CO2; en el sistema β-caroteno en CO2 se encontraron problemas de deformación del pico en la

cuantificación analítica del sólido, aunque los resultados obtenidos están en el intervalo de

solubilidad reportado en la literatura para cada temperatura. En consecuencia el aparato con

ambas configuraciones puede ser aplicado para determinar solubilidad de sólidos en disolventes

supercríticos en un intervalo de composiciones 2y = 2 x 10-7 - 3 x 10-4.

- 114 -

La correlación propuesta por Mendez Santiago y Teja basada en la densidad del disolvente fue

aplicada en las isotermas de solubilidad para cada sistema con el objetivo de analizar la

consistencia interna de los datos. Buenos resultados fueron encontrados para la solubilidad de los

sistemas estudiados. Para el sistema capsaicina en CO2 se muestra que los datos publicados por

Hansen et al.[12] principalmente a 318 y 328 K están más alejados de la línea correlacionada con

la ecuación MS-T.[63]

Extracciones de capsaicinoides con CO2 supercrítico a partir de muestras de chile poblano fueron

realizadas de 308 a 328 K en el intervalo de presión de 10 – 27.5 MPa con flujo constante del

disolvente a 3 g/min. De acuerdo a los resultados obtenidos se encontró que las mejores

condiciones de extracción fueron obtenidas a 318 K y la mayor eficienc ia para la capsaicina fue

de 28.3% a 30 MPa y 313 K.

⇒ Desarrollo del aparato y metodología experimental basado en el método estático-

analítico y dinámico-analítico, para determinación solubilidades de sólidos en

disolventes supercríticos.

⇒ Determinación de solubilidades de mezcla sólidos en disolventes supercríticos a bajas

composiciones ( 2y x10-7 en fracción molar).

⇒ El método estático-sintético permitió obtener datos de solubilidad sin la necesidad de

emplear equipos analíticos, lo que reduce el costo del aparato experimental. Este

aparato acoplado a un densímetro de tubo vibrante permitió la obtención simultánea

de solubilidades y densidades de las mezclas en estudio.

⇒ Con el método estático-analítico y dinámico-analítico en línea se obtuvieron datos

confiables de solubilidad a concentraciones bajas de soluto ( 2y ≤ 1 x 10-4 fracción

molar), donde las muestras son analizadas directamente en el cromatógrafo de

líquidos. Esto representa una ventaja con respecto a los métodos donde la muestra

tiene que ser recolectada manualmente.

⇒ Extracción de capsaicinoides con CO2 supercrítico a partir de muestras de chile

poblano fresco (Capsicum annuum L.). La extracción de estos compuestos se realizó

con una planta de extracción por fluidos supercríticos.

- 115 -

R E C O M E N D A C I O N E S

En el aparato estático-sintético, mediciones de solubilidad de sólidos en disolventes supercríticos

se pueden realizar a composiciones menores de 2y = 8 x 10-5 siempre y cuando en la preparación

sintética de la mezcla se utilice otra balanza analítica con capacidad de medicines de masa menor

a 1x10-7 kg o en su defecto utilizar una celda de medición más grande. Hasta el momento el

criterio de medición de solubilidades ha dado buenos resultados; no obstante la incertidumbre

causada por este criterio de medición puede ser mejorado utilizando por ejemplo un aparato

óptico como un haz de luz.

Los problemas de deformación del pico en el análisis HPLC para solubilidades de β-caroteno en

CO2 por medio del aparato estático-analítico hacen que los datos de solubilidad no sean muy

confiables, no obstante los resultados de solubilidad se encuentran en el mismo intervalo que los

publicados en la literatura para cada temperatura. Una posible solución a este problema es la

utilización de un espectroscopio en lugar del equipo HPLC con esto se evitaría tener un tiempo

grande de retención de la muestra en el análisis.

El aparato dinámico analítico permite obtener datos de solubilidad en menor tiempo (5 horas)

para alcanzar el equilibrio y tambien se reduce el tiempo entre cada muestreo de 3 a 1 horas para

que el sistema alcalce nuevamente la estabilidad en temperatura y presión.

Para las extracciones de capsaicinoides con CO2 supercrítico, principalmente a temperaturas

menores de 318 K, se recomienda colocar un aislante al recipiente de extracción. Además el

sistema de recirculación de disolvente en la planta SFE-500 es necesario para reducir los gastos

de CO2.

Un estudio de la factibilidad en la extracción de algunos carotenoides como β-caroteno y

capsantina a partir del chile poblano es potencialmente importante debido a sus aplicaciones

principalmente como colorantes.

- 116 -

B I B L I O G R A F I A

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- 124 -

ANEXO A

Incertidumbre en las mediciones

experimentales:

A.1 – Densidades con el DTV

A.2 – Solubilidad por el método estático – sintético (+ DTV).

A.3 – Calibración del detector DAD – HPLC.

A.4 – Solubilidad por el método estático – analítico.

A.5 – Solubilidad por el método dinámico – analítico.

- 125 -

A.1 – INCERTIDUMBRE EN LA DETERMINACION DE DENSIDADES

CON EL DTV Las densidades experimentales de las mezclas estudiadas en este trabajo fueron determinadas en

un densímetro de tubo vibrante (DTV). La determinación de las constentes del DTV se

realizaron utilizando agua y nitrógeno como fluidos de referencia.

Por lo tanto la densidad de la mezcla se calcula con:[58]

( ) ( )2OH

2mezOHmez 22

, ττρρ −+= kTP (A.1)

Donde la densidad de la mezcla en estudio mezρ está en función de la densidad del agua OH2ρ y

los periodos de vibración de la mezcla y el agua mezτ y OH2τ , respectivamente. La constante k

esta expresada por la ecuación:[58]

2N

2OH

NOH

22

22

ττ

ρρ

−

−=k (A.2)

Donde 2Nρ y

2Nτ es la densidad y periodo de vibración del nitrógeno.

Debido a que las densidades son determinadas a temperatura y presión fija, sólo resultan ser

dependientes de la densidad del agua y nitrógeno a las mismas condiciones y del periodo de

vibración del agua, nitrógeno y la mezcla en estudio.

Haciendo uso del método de propagación de errores, la incertidumbre de las mediciones de

densidad se calcula por medio de la siguiente ecuación:

2

2

mez

mez

2

N

mez2

2

OH

mez2

2

N

mez2

2

OH

mez2

mez

2N

2

O2H

2

2N

2

O2H

2

mez

τ

ττρρρ

στρ

στρ

στρ

σρρ

σρρ

σ

∂∂

+

∂∂

+

∂∂

+

∂∂

+

∂∂

=

(A.3)

Donde cada una de las variables de la ecuación (A.3) están determinados por:

2

2

2N

2OH

2OH

2mez2

2

OH

mezO2H

22

2

O2H

2

1 ρρ σττ

ττσ

ρρ

−−

+=

∂∂ (A.4)

2

2

2N

2OH

2OH

2mez2

2

N

mez2N

22

2

2N

2

ρρ σττ

ττσ

ρρ

−−

−=

∂∂ (A.5)

2

2

2N

2OH

2N

2mez

2N

2OH

NOHOH

2

2

OH

mezO2H

22

2

22

22

2O2H

2

2 ττ σττ

ττ

ττ

ρρτσ

τρ

−

−

−

−−=

∂∂ (A.6)

- 126 -

2

2

2N

2OH

NOH2N

2OH

2OH

2mez

N

2

N

mez

2N

22

22

22

2

22N

2

2 ττ σττ

ρρ

ττ

τττσ

τρ

−

−

−

−=

∂∂ (A.7)

2

2

2N

2OH

NOHmez

2

2

mez

mezmez

22

22

mez2 ττ σ

ττρρ

τστρ

−−

=

∂∂ (A.8)

La desviación estándar estimada para las densidades de los fluidos de referencia agua y nitrógeno

a partir de las ecuaciones propuesta por Wagner y Pruß[56] y por Span et al.[57] respectivamente,

es la siguiente:

O2Hρσ = 0.02 kg/m3

2Nρσ = 0.24 kg/m3

El error asociado respecto al periodo de vibración para los tres componentes en el contador

universal de acuerdo a su especificación tienen una desviación estándar de:

O2Hτσ = 2Nτσ =

mezτσ = ±5 x 10-6

Sustituyendo estos valores en las ecuaciones (A.4) – (A.8) se calcula la incertidumbre de las

densidades con la ecuación (A.3) cuyo valor máximo es de =mezρσ ±0.2 kg/m3.

- 127 -

A.2 – INCERTIDUMBRE EN LA DETERMINACIÓN DE SOLUBILIDADES

POR EL MÉTODO ESTÁTICO – SINTÉTICO (+ DTV) En el método estático – sintético la mezcla es preparada por pesadas sucesivas de la celda visual

de volumen variable. Las masas de cada componente para un sistema binario como CO2 (1) +

sólido (2) están determinadas por las siguientes expresiones. La masa del sólido 2m es:

ab2 mmm −= (A.9)

Donde: am = celda vacía

bm = celda vacía + sólido

y la masa del dióxido de carbono (disolvente) 1m se calcula con:

bc1 mmm −= (A.10)

Donde: cm = celda vacía + sólido + disolvente

La composición de la mezcla CO2 (1) + sólido (2) está determinada en fracción molar para el

sólido:

2

2

1

1

2

2

solido2

PMm

PMm

PMm

yy+

== (A.11)

Donde iPM es el peso molecular de cada componente.

y el disolvente:

2CO1 12

yyy −==

Haciendo uso del método de propagación de errores y considerando que la fracción molar de cada

componente sólo está en función del número de moles, la incertidumbre en la composición molar

de la mezcla está desarrollada por la ecuación:

∑=

∂∂

=N

1i

2

2

i

22i2 ny n

yσσ (A.12)

Para un sistema de dos componentes CO2 (1) + sólido (2) la ecuación anterior se convierte en:

2

2

1

22

2

2

22122 nny n

yny σσσ

∂∂+

∂∂= (A.13)

- 128 -

Resolviendo las derivadas parciales y la desviación estándar de cada término de la ecuación

(A.13):

( )( ) ( )2

21

12

21

221

2

21

2

2

2

nnn

nnnnn

nnn

n

ny

+=

+−+

=∂

+

∂=

∂∂ (A.14)

( )221

2

1

21

2

1

2

nn

nn

nnn

ny

+

−=

∂

+

∂=

∂∂

(A.15)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2222

2

2

22

1mm

PMm

mn PMmmn

σσσσ

=

∂

∂=

∂∂

= (A.16)

2

2

1

2

2

1

2

2

1

1211

1

1

11

1mm

PMm

mn PMmmn

σσσσ

=

∂

∂=

∂∂

= (A.17)

Sustituyendo la solución de términos (A.14) – (A.17) en la ecuación (A.13)

( ) ( )2

2

1

2

221

22

2

2

2

221

12122

11mmy PMnn

nPMnn

n σσσ

+−+

+=

Finalmente la incertidumbre en la composición de las mezclas para un sistema binario CO2 (1) +

sólido (2) está expresada por las ecuaciones (A.18) y (A.19).

Para el sólido:

( )421

2

2

21

2

1

22

2

21

2 nn

PMn

PMn mm

y +

+

=

σσ

σ (A.18)

Para el CO2:

( )421

2

1

22

2

2

21

2

12

1 nn

PMn

PMn mm

y+

+

=

σσ

σ (A.19)

Donde el error asociado en la medición de las masas de los componentes en estudio en la balanza

analítica imσ = ±0.0001 g. Por lo que la incertidumbre en fracción molar del sistema CO2 +

capsaicina está estimada en 2yσ = ±3 x 10-6 utilizando las ecuaciones (A.18) y (A.19); en el caso

del sistema CO2 + ácido palmitico la desviación estándar es de 2yσ = ±5 x 10-6.

- 129 -

El desarrollo de la ecuación (A.12) para el cálculo de la incertidumbre experimental del sistema

ternario CO2 (1) + ácido palmítico (2) + alcohol (3) está determinado por

2

2

3

22

2

2

22

2

1

223212 nnny n

yny

ny σσσσ

∂∂+

∂∂+

∂∂= (A.20)

Resolviendo las derivadas parciales y la desviación estándar de cada término de la ecuación

(A.13):

( )2321

2

1

321

2

1

2

nnn

nn

nnnn

ny

++

−=

∂

++

∂=

∂∂

(A.21)

( )( ) ( )2

321

312

321

2321

2

321

2

2

2

nnnnn

nnnnnnn

nnnn

n

ny

+++

=++

−++=

∂

++

∂=

∂∂ (A.22)

( )2321

2

3

321

2

3

2

nnn

nn

nnnn

ny

++

−=

∂

++

∂=

∂∂

(A.23)

2

2

3

2

2

3

2

2

3

3233

3

3

33

1mm

PMm

mn PMmmn

σσσσ

=

∂

∂=

∂∂

= (A.24)

Sustituyendo la solución de términos (A.16), (A.17) y (A.21) – (A.24), en la ecuación (A.20)

( ) ( ) ( )

++−

+

+++

+

++−

= 23

22

2321

222

22

2321

3121

22

2321

22 321

2 PMnnnn

PMnnnnn

PMnnnn mmm

y

σσσσ

Finalmente la incertidumbre en la composición de las mezclas para el sistema ternario CO2 (1) +

ácido palmítico (2) + alcohol (3) está expresada por las siguientes ecuaciones:

Para ácido palmítico (2):

( )

( )4321

23

2222

2

22

3121

222

2

321

2 nnn

PMn

PMnn

PMn mmm

y ++

+

++

=

σσσ

σ (A.25)

Para el CO2 (1) la incertidumbre en la fracción molar 1y se desarrolla a partir de la ecuación

(A.12) de la misma manera que la ecuación (A.20). Resolviendo los componentes de esa

ecuación la incertidumbre en la composición del disolvente:

- 130 -

( )

( )4321

23

2212

2

2212

1

22

32

2

321

1 nnn

PMn

PMn

PMnn mmm

y ++

+

+

+

=

σσσ

σ (A.26)

El mismo procedimiento se realiza para el co-disolvente (alcohol), la incertidumbre para la

fracción molar del alcohol (3) es:

( )

( )4321

23

22

2122

2232

1

223

2

321

3 nnn

PMnn

PMn

PMn mmm

y ++

++

+

=

σσσ

σ (A.27)

Para los dos sistemas ternarios estudiados en este trabajo, la incertidumbre en las composiciones

se presenta en la tabla A.1.

Tabla A.1 – Incertidumbre en la determinación de solubilidades por el método estático – analítico

+ DTV para sistemas ternarios.

Sistema Incertidumbre (fracción molar)

1yσ 2yσ

3yσ

CO2 (1) + ácido palmítico (2) + etanol (3) 1.3 x 10-5 5 x 10-6 1.3 x 10-5

CO2 (1) + ácido palmítico (2) + 2-propanol (3) 1.0 x 10-5 5 x 10-6 1.0 x 10-6

- 131 -

A.3 – INCERTIDUMBRE EN LA CALIBRACIÓN DEL DETECTOR DAD –

HPLC La calibración del detector DAD en el cromatógrafo HPLC se realizó con cada uno de los sólidos

de alta pureza mencionados en la tabla 3.6; posteriormente la concentración del sólido se ajusta a

su correspondiente área con un polinomio de primer orden:

BSAS += sólidosólido ' (A.28)

Donde sólidoS es la concentración del sólido, la cual es dependiente del área cromatográfica

expresado como sólido'S y B es la ordenada al origen.

Utilizando la ley de propagación de errores en la ecuación (A.28), la incertidumbre en las

calibraciones del detector DAD se desarrolla a partir de la siguiente ecuación:

22

sólido2'

2

sólido

sólido22

sólido2sólidosólido ' BSAS B

SSS

AS

σσσσ

∂∂

+

∂∂

+

∂∂

= (A.29)

Resolviendo cada término de la ecuación anterior:

sólidosólido 'SA

S=

∂∂

ASS

=∂∂

sólido

sólido

'

1sólido =∂

∂B

S

La desviación estándar para los términos de la ecuación (A.29) se presentan el la tabla A.2 para

cada sólido.

Sustituyendo la solución de las derivadas parciales en la ecuación (A.29), la incertidumbre en la

concentración de las calibraciones del detector DAD está determinada por:

22'

222sólido

2sólidosólido

' BSAS AS σσσσ ++= (A.30)

La siguiente tabla presenta la desviación estándar en la concentración sólidoSσ para cada reactivo:

- 132 -

Tabla A.2 – Desviación estándar de las concentraciones en las calibraciones del detector DAD.

Reactivo ± sólido'Sσ

A B ± Aσ ± Bσ ± sólidoSσ

Capsaicina 6.5 0.08949 -1.03833 4.609 x 10-5 0.3295 0.9

Paracetamol 72.4 0.01437 -0.91488 2.805 x 10-5 0.5430 1.5

ß-caroteno 3.2 8.178 x 10-3 0.09126 4.615 x 10-5 0.0407 0.08

- 133 -

A.4 – INCERTIDUMBRE EN LA DETERMINACIÓN DE LA

SOLUBILIDAD POR EL MÉTODO ESTÁTICO – ANALÍTICO

La solubilidad de un sólido (2) en CO2 (1) reportada en fracción molar 2y utilizando el método

estático – analítico con muestreo en línea se determina con la siguiente expresión:[33]

SCOFFS

COLCFF2

2

2 CVA

PMVAy

ρ= (A.31)

donde FFA y SA son las áreas cromatográficas del sólido en la muestra de la fase fluida e

inyección del reactivo estándar en la calibración respectivamente, LCV es el volumen interno del

muestreador HPLC y es igual a 20 µL, FFV es el volumen de la muestra en fase fluida, el peso

molecular y la densidad del dióxido de carbono están expresados por 2COPM y

2COρ ,

respectivamente. SC es la concentración de la solución empleada para la calibración.

Utilizando la ley de propagación de errores en la ecuación (A.31), la incertidumbre de la

solubilidad en fracción molar para un sistema de dos componentes CO2 (1) + sólido (2), se

determina a partir de la ecuación:

( ) ( )2

2

CO

22/

2

SS

22

2

FF

22

2CO

2

SSFF2 / ρσρ

σσσ

∂∂

+

∂

∂+

∂∂

=y

ACy

Ay

ACAy (A.32)

Resolviendo las derivadas parciales de cada término de la ecuación (A.32):

SCOFFS

COLC

FF

2

2

2 CVA

PMV

Ay

ρ=

∂∂ (A.33)

( )2

2

COFF

COLCFF

SS

2

/ ρVPMVA

ACy =

∂∂ (A.34)

S2COFFS

COLCFF

CO

2

2

2

2

CVA

PMVAyρρ

−=∂

∂ (A.35)

Sustituyendo la solución de las derivadas parciales (A.33) – (A.35) en la ecuación (A.32) se

tiene:

( )2

2

S2COFFS

COLCFF2/

2

COFF

COLCFF2

2

SCOFFS

COLC2

2CO

2

2

SS

2

2

FF

2

2

2 ρσρ

σρ

σρ

σ

−+

+

= C

VAPMVA

VPMVA

CVA

PMVACAy

- 134 -

Finalmente:

2

2

2COFFS

SCOLCFF2/

2

COFF

COLCFF2

2

COFFS

SCOLC2

2CO

2

2

SS

2

2

FF

2

2

2 ρσρ

σρ

σρ

σ

+

+

=

VA

CPMVA

V

PMVA

VA

CPMVACAy (A.36)

Los coeficientes sensitivos para cada sistema de solubilidad de sólido en CO2 supercrítico

determinado experimentalmente en el aparato estático – analítico en línea se presenta a

continuación, así como la incertidumbre en la solubilidad expresada en desviación estándar con la

ecuación anterior.

Tabla A.2 – Desviación estándar de las concentraciones en las calibraciones del detector DAD.

Sistema ±

FFAσ

(UA)

± ( )SS / ACσ

(kmol/L UA)

±2COρσ

(%)

±2yσ

(mol/mol)

Capsaicina (2) en CO2 (1) 15.8 3.35 x 10-12 0.03 (0.5 – 3.8) x 10-6

β-caroteno (2) en CO2 (1) 2.0 2.54 x 10-13 0.03 (2.0 – 8.0) x 10-9

Paracetamol (2) en CO2 (1) 3.0 3.75 x 10-12 0.03 (2.0 – 5.0) x 10-8

Para los sistemas de solubilidad de capsaicina en CO2 y β-caroteno en CO2, la incertidumbre en

el cálculo de las solubilidades es variable para cada punto de solubilidad a determinada presión

como se muestra en la tabla anterior.

- 135 -

A.5 – INCERTIDUMBRE EN LA DETERMINACIÓN DE LA

SOLUBILIDAD POR EL METODO DINÁMICO – ANALÍTICO El aparato estático – analítico fue modificado para que el sistema funcionara en modo dinámico

por medio de una bomba de recirculación. El sistema estudiado fue la solubilidad de capsaicina

en CO2. La forma de calcular la solubilidad de la capsaicina se realiza de la misma manera que en

el aparato anterior con la ecuación (A.32). Por consiguiente, la expresión utilizada para el cálculo

de la incertidumbre es por medio de la ecuación (A.36) ya que en este estudio, la recirculación de

la fase fluida fue a flujo constante y no se considera su posible efecto.

Los coeficientes sensitivos para la solubilidad de capsaicina (2) en CO2 (1) son:

FFAσ = ±9.8 UA

( )SS / ACσ = ±3.221 x 10-12 (kmol/L UA)

2COρσ = ±0.03 %

Sustituyendo los valores de cada coeficiente sensitivo en la ecuación (A.33), la incertidumbre en

la composición para este sistema es variable en el intervalo de presión estudiado 2yσ = ±(0.6 –

1.3) x 10-6.

- 136 -

ANEXO B

Densidades de la mezcla:

dióxido de carbono + capsaicina

dióxido de carbono + ácido palmitico

dióxido de carbono + ácido palmitico + alcohol (co-disolvente)

- 137 -

Tabla B.1 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + capsaicina (2) a 2y = 5.8 x 10-5

P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3

T = 313.07 K T = 318.01 K T = 323.04 K T = 328.01 K T = 332.93 K

11.51 706.6* 10.87 603.0* 10.68 481.3* 10.44 372.3* 10.79 349.2*

11.60 709.5 10.94 608.7 10.79 493.8 10.58 384.9 10.86 354.9

11.69 712.3 11.03 614.1 10.93 509.2 10.68 395.1 11.04 370.1

11.81 716.0 11.24 627.5 11.28 540.7 10.86 412.1 12.07 448.6

12.01 721.9 11.54 643.6 11.88 585.6 11.00 427.8 13.05 516.7

12.23 727.6 12.00 663.4 13.00 642.0 12.01 515.1 14.02 568.1

12.53 735.0 13.04 698.6 13.99 675.8 13.02 579.7 15.00 608.8

13.00 745.8 14.02 724.3 15.02 703.6 14.07 627.2 16.03 642.6

14.07 766.9 15.02 745.0 16.00 724.4 15.05 658.9 17.00 667.6

15.01 782.4 16.00 762.1 17.01 743.1 16.01 684.9 18.02 689.9

15.89 795.3 17.02 777.6 18.00 759.1 17.00 706.9 19.10 710.2

17.03 809.9 18.03 791.3 19.01 773.4 18.03 725.9 20.01 725.6

18.03 821.1 19.04 803.4 20.00 785.7 19.00 741.8 21.02 740.2

19.02 831.6 20.05 814.64 21.03 797.8 20.00 755.9 22.00 753.3

19.99 841.1 21.02 824.33 22.04 808.4 20.96 768.5 23.11 766.8

21.63 855.1 22.01 833.63 23.12 818.6 21.96 780.6

23.16 843.50 23.16 793.4

* densidad de saturación

- 138 -


P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3

T = 313.06 K T = 318.01 K T = 323.04 K

13.77 762.0* 11.96 662.5* 13.51 660.9*

13.91 764.4 12.36 676.6 13.60 663.9

14.06 767.1 12.53 682.1 13.77 669.5

14.26 770.6 13.04 699.4 13.87 672.9

14.55 775.5 13.53 712.7 14.04 678.1

15.02 783.0 14.03 725.0 15.03 704.0

16.00 797.1 14.53 735.6 16.02 725.4

17.03 810.1 15.03 745.7 17.01 743.5

18.07 822.0 16.01 763.2 18.15 761.5

19.14 833.1 17.01 778.4 19.04 773.8

19.97 841.0 18.17 793.6 19.99 785.9

21.10 850.7 19.04 803.9 21.11 797.4

21.83 857.2 20.07 815.1 22.05 808.7

21.08 825.3 23.31 820.7

22.00 833.8

23.29 845.0

* Densidad de saturación

- 139 -

Tabla B.3 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + capsaicina (2) a diferente composición

P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3

2y = 9.7 x 10-5 2y = 10.2 x 10-5

T = 313.12 K T = 318.06 K T = 313.08 K T = 318.02 K

13.43 753.6* 12.03 662.7* 15.20 785.0* 12.93 695.5*

13.70 758.9 13.05 697.4 15.40 788.0 13.22 704.0

13.90 762.7 14.07 724.0 15.62 791.1 13.53 711.9

14.01 764.4 15.00 743.3 15.81 794.5 13.89 721.0

14.21 768.2 16.05 762.0 16.20 799.2 14.18 727.6

14.44 772.1 17.02 777.0 16.61 804.4 14.51 734.6

14.61 775.0 18.09 791.4 17.00 809.2 14.81 740.7

14.83 778.5 19.07 803.2 18.01 820.8 15.02 744.7

15.05 781.9 20.00 813.5 18.99 831.1 16.00 762.1

15.23 784.7 21.05 824.0 20.00 840.9 17.02 777.5

15.41 787.4 22.07 833.6 21.01 849.9 18.02 791.1

15.62 790.4 23.03 842.0 22.01 858.2 19.03 803.2

15.82 793.2 23.84 848.7 23.00 865.9 20.03 814.2

16.03 796.2 25.00 856.7 24.13 874.2 21.02 824.3

16.28 799.5 24.39 876.0 21.94 832.8

16.64 804.1 23.03 842.4

16.98 808.3 23.88 849.4

17.56 815.1 24.42 853.6

18.02 820.4

19.06 831.3

20.00 840.4

21.13 850.4

22.04 858.1

23.12 866.4

23.95 872.6

24.52 876.6


- 140 -



T = 313.07 K T = 318.01 K T = 323.05 K T = 328.01 K T = 332.90 K

13.83 762.3* 12.54 683.0* 13.72 667.3* 14.52 641.9* 16.42 652.6*

13.93 764.3 12.63 685.9 13.83 670.5 14.70 646.6 16.62 658.0

14.04 766.2 12.75 688.8 13.96 674.6 14.81 652.2 16.84 663.4

14.53 774.7 12.88 693.9 14.07 678.7 14.92 654.5 17.03 668.0

15.03 782.7 13.03 698.4 15.00 698.6 15.03 658.4 18.03 690.2

16.03 796.9 13.49 711.0 16.00 724.5 16.01 684.4 19.03 709.1

17.03 809.7 14.03 724.1 17.03 743.4 17.00 706.1 20.04 725.9

18.02 821.0 14.54 735.2 18.04 759.5 18.01 725.0 21.04 740.7

19.03 831.5 15.08 745.9 19.00 773.1 19.02 741.7 22.03 754.0

20.03 841.2 16.01 762.1 20.09 786.9 20.04 756.5 23.02 766.0

21.04 850.2 17.03 777.7 21.08 798.1 20.99 768.9 23.32 769.4

21.99 858.1 18.06 791.6 22.02 808.0 21.98 780.8

23.00 866.0 19.05 803.6 23.06 818.0 23.06 792.5

23.85 872.2 20.04 814.5 23.56 822.6 23.66 798.6

21.03 824.3

22.08 834.2

23.05 842.6

23.70 847.9


- 141 -



T = 313.07 K T = 318.02 K T = 323.04 K T = 328.00 K T = 332.93 K

17.89 819.4* 16.21 765.2* 15.70 718.2* 15.26 664.6* 15.93 639.2*

18.08 821.5 16.42 768.5 15.87 721.7 15.38 668.0 16.11 644.2

18.23 823.1 16.67 772.3 15.96 724.8 15.48 670.9 16.29 649.3

18.45 825.4 16.88 775.4 17.04 743.5 16.00 673.8 16.47 654.3

18.68 827.8 17.05 777.8 18.04 759.4 15.76 678.0 16.62 658.2

18.86 829.6 17.23 780.3 19.03 773.3 15.89 681.2 16.78 662.2

19.00 831.2 17.46 783.5 20.03 786.0 16.05 685.1 16.90 665.2

20.05 841.2 18.00 790.6 20.99 797.1 16.98 705.8 17.00 667.7

21.04 850.1 19.01 802.9 22.01 807.8 17.96 724.6 18.04 690.6

22.02 858.2 20.00 813.7 23.00 817.4 19.03 742.0 18.97 708.5

22.97 865.6 21.03 824.2 24.16 823.0 20.03 756.4 19.98 725.4

24.23 874.9 22.00 833.3 21.01 769.5 21.01 740.8

23.07 842.6 22.02 781.5 21.98 753.8

24.51 854.2 22.99 792.1 22.95 765.7

23.96 801.8 23.96 777.0


- 142 -



T = 313.07 K T = 318.01 K T = 323.03 K T = 328.01 K T = 332.92 K

19.79 838.5* 17.88 789.5* 17.56 752.5* 16.84 703.2* 17.67 683.5*

19.84 839.1 17.95 790.4 17.72 755.4 16.90 704.6 17.83 687.3

19.90 834.0 18.03 791.4 17.96 758.7 17.01 706.8 17.92 689.2

20.02 841.4 18.20 793.7 18.01 759.5 18.03 726.1 18.03 691.0

21.00 849.8 18.61 798.6 19.02 773.5 19.03 742.4 19.01 709.6

22.18 859.7 19.00 803.3 20.03 786.3 20.04 757.1 20.03 726.6

19.99 814.1 21.00 797.6 21.03 770.0 21.02 741.3

20.98 824.1 22.01 808.2 22.02 781.8 21.95 753.8

22.04 834.1 22.99 817.8 23.02 792.7 23.01 766.6

22.99 842.3 24.24 829.1 24.00 802.6 23.86 776.3

24.29 852.9


- 143 -



T = 313.08 K T = 318.01 K T = 323.05 K T = 328.00 K T = 332.91 K

21.23 851.7* 18.22 793.5* 18.04 759.4* 17.22 710.6* 15.81 635.7*

21.43 853.5 18.45 796.4 18.27 761.9 17.40 714.3 16.01 641.6

21.57 854.6 19.00 802.9 18.50 766.2 17.60 717.9 16.20 647.1

21.80 856.5 19.49 808.5 18.99 772.9 17.79 721.4 16.41 652.6

22.05 858.5 19.99 813.8 19.49 779.3 18.03 725.7 16.61 658.1

22.55 862.2 20.50 819.1 20.02 785.9 18.51 733.8 16.80 662.9

23.15 867.2 21.52 829.0 20.47 791.2 19.02 742.1 17.03 668.5

23.63 870.4 22.51 838.0 21.05 797.8 19.99 756.2 17.19 672.3

24.24 874.9 23.51 846.4 22.03 808.1 20.98 769.1 17.41 677.3

24.28 852.6 23.00 817.5 22.04 781.9 17.60 681.5

23.99 826.6 23.16 793.9 17.81 686.0

24.21 804.3 18.02 690.3

18.20 694.0

18.63 702.1

19.00 709.1

19.52 718.1

20.02 725.9

21.05 741.2

22.06 754.7

22.99 766.2

24.13 778.8


- 144 -



T = 313.06 K T = 318.00 K T = 323.03 K T = 328.00 K T = 332.91 K

20.00 840.8* 19.30 806.2* 18.23 762.2* 17.62 718.1* 17.01 668.5*

21.08 850.4 19.53 808.7 18.42 764.8 17.85 722.2 17.19 672.3

21.52 854.0 19.73 810.9 18.63 767.8 18.02 725.4 17.41 677.3

22.058 858.4 19.91 812.8 19.04 773.6 19.03 741.9 17.60 681.5

22.36 860.9 20.12 815.0 20.05 786.4 20.03 756.5 17.81 686.0

22.66 863.5 20.41 818.0 21.02 797.4 21.02 769.6 18.02 690.3

22.91 864.9 20.82 822.1 22.03 808.1 22.03 781.6 18.20 694.0

23.03 865.9 21.29 826.7 23.12 818.7 23.16 793.9 18.41 698.0

23.57 869.2 21.88 832.2 24.61 831.9 24.49 807.0 18.63 702.1

24.01 871.3 22.41 837.0 18.82 705.8

22.89 841.1 19.00 709.1

23.43 845.7 19.52 718.1

23.96 849.9 20.02 725.9

24.38 853.2 21.05 741.2

22.06 754.7

22.99 766.2

24.13 778.8


- 145 -



T = 318.04 K T = 323.07 K T = 328.03 K T = 332.97 K

20.20 816.4* 18.40 765.0* 16.81 702.6* 15.60 628.8*

20.40 818.4 18.71 769.3 16.98 706.1 15.92 638.5

20.61 820.5 19.01 773.3 17.21 710.6 16.24 647.7

20.89 823.3 19.29 777.0 17.40 714.4 16.50 654.8

21.13 825.6 19.63 781.4 17.60 717.8 16.82 662.9

21.36 827.8 20.09 787.0 17.80 721.7 17.10 669.7

21.59 830.0 20.51 791.8 18.01 725.4 17.42 677.2

21.82 832.1 20.92 796.6 18.40 732.2 17.69 683.1

22.01 833.8 21.29 800.6 18.79 738.6 18.00 689.5

22.96 842.2 21.78 805.9 19.23 745.4 18.50 699.5

22.24 810.6 19.65 751.4 19.01 708.7

22.53 813.1 20.00 756.4 19.53 717.8

23.03 819.0 20.49 763.0 20.01 725.5

23.53 824.0 20.97 769.2 20.99 740.2

24.01 827.7 21.50 775.6 22.02 754.1

24.53 831.6 21.99 781.3 22.98 765.7

22.52 787.2 24.10 778.2

23.18 794.2

24.16 804.0


- 146 -

Tabla B.10 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + capsaicina a 2y = 26.3 x 10-5

P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3

T = 323.07 K T = 328.02 K T = 332.94 K

11.61 566.2 12.72 564.8 13.44 537.5

12.99 641.0 13.96 622.1 15.04 610.1

13.99 675.7 15.05 659.2 16.06 643.4

15.00 702.7 16.03 685.0 17.04 668.6

16.10 726.4 17.04 707.3 18.00 690.1

17.01 743.1 18.03 725.8 18.99 708.8

18.04 759.5 18.96 741.1 20.00 725.8

18.96 772.6 19.99 756.2 21.00 740.6

20.01 785.7 20.99 769.3 22.05 754.7

20.95 796.6 21.99 781.2 23.02 766.6

22.07 808.5 23.04 792.7 24.13 779.0

23.03 817.9 24.28 805.2

23.74 824.3

24.41 830.2

- 147 -

Tabla B.11 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + ácido palmítico (2) a 313 K


2y = 6.35 x 10-4 2y = 7.92 x 10-4

2y = 8.68 x 10-4 2y = 8.98 x 10-4

13.05 748.7 18.65 829.2* 15.93 794.6 22.93 864.8*

14.03 767.1 18.83 830.8 16.99 808.5 23.28 867.3

14.31 771.9 19.13 833.8 17.81 818.2 23.57 869.5

14.40 773.3 19.33 835.8 18.02 820.4 23.81 871.1

14.51 775.2 19.57 837.9 18.19 822.1 24.00 872.6

14.59 776.5 19.68 839.0 18.41 824.8 24.78 877.9

14.71 778.3 19.90 841.0 18.61 826.7

14.79 779.6 20.12 843.0 18.79 828.3

14.91 781.4 20.30 844.6 19.02 830.7

15.00 782.8 20.54 846.7 19.19 832.2

15.54 790.7 20.74 848.5 19.38 834.2

16.06 797.8 20.94 850.2 19.60 836.4

16.26 800.5 21.12 851.7 19.80 838.3

16.43 802.6 21.30 853.3 20.05 840.6

16.60 804.7 21.52 855.0 20.19 841.9

16.74 806.5 21.71 856.7 20.52 844.8

16.90 808.4 21.97 858.7 20.85 848.0

17.01 809.8 22.23 860.8 21.14 850.5

17.41 814.5 22.65 864.0 21.39 852.3

17.61 816.9 22.91 865.9 21.70 855.0

17.81 819.0 23.52 868.9 22.02 857.3

18.00 821.0 24.02 871.6 22.47 861.0

18.18 823.1 23.07 865.7

18.30 824.3 23.55 869.1

18.40 825.2 24.04 872.7

18.60 827.4 24.46 875.8

18.79 829.4

19.07 832.2

20.09 841.8

21.01 849.8

22.02 858.2


- 148 -

Continuación


2y = 6.30 x 10-4 2y = 5.36 x 10-4

2y = 4.97 x 10-4 2y = 3.53 x 10-4

16.54 802.8* 13.02 745.3 13.57 756.7* 11.04 690.4*

16.65 804.1 14.94 780.5 13.71 759.4 11.13 693.8

16.84 806.3 16.02 795.7 13.81 761.4 11.32 700.3

17.06 809.1 16.23 798.5 13.92 763.5 11.51 706.7

17.50 814.3 16.43 801.3 13.99 764.7 11.77 714.7

17.97 819.5 16.61 803.4 14.96 780.9 11.98 721.0

18.99 830.2 16.82 806.0 15.97 795.6 12.15 725.8

19.99 839.7 17.03 808.5 17.12 810.0 12.36 731.2

21.00 848.7 18.07 820.0 17.62 815.9 12.53 735.3

22.05 857.5 19.07 830.9 18.05 820.6 12.77 741.0

23.00 864.9 20.06 840.4 19.00 830.5 12.93 744.7

24.00 872.3 21.06 849.1 19.96 839.8 13.15 749.3

24.74 877.4 22.03 857.3 21.02 849.3 13.33 753.0

23.03 865.1 22.02 857.5 13.68 759.8

23.99 872.2 22.79 863.5 13.94 764.4

24.64 876.7 24.01 872.7 14.12 767.7

25.03 879.6 14.41 772.7

14.65 776.6

15.03 782.7

15.57 790.5

16.05 797.0

17.04 810.1

18.03 821.3

19.039 831.84

20.045 841.39

21.036 850.28

21.975 857.97

22.993 866.00

24.045 873.71


- 149 -



2y = 1.44 x 10-4 2y = 21.18 x 10-4

2y = 18.28 x 10-4 2y = 14.56 x 10-4

10.14 535.9* 23.92 849.9* 21.15 826.0 16.80 773.7*

10.29 551.9 24.05 850.9 21.44 828.8 17.12 778.1

10.55 577.8 24.10 851.3 21.72 831.3 17.41 782.1

10.89 604.2 24.28 852.6 22.00 833.9 17.72 786.3

11.23 626.2 24.43 853.8 22.51 838.4 18.08 790.9

11.52 641.2 24.51 854.5 23.01 842.7 18.97 801.7

11.87 657.3 24.62 855.3 23.52 846.9 20.00 813.0

12.19 670.6 24.78 856.4 24.05 851.0 20.95 822.6

12.48 680.9 24.94 857.5 24.56 854.7 22.02 832.7

12.82 692.0 25.05 858.4 22.96 840.8

13.11 700.3 24.00 849.4

13.39 708.3 25.02 857.2

13.73 716.8

14.03 724.0

14.52 734.8

14.99 744.0

16.05 762.8

17.01 777.4

17.69 786.8

18.08 791.8

19.00 802.8

19.75 811.4


- 150 -


P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3

2y = 9.79 x 10-4 2y = 40.31 x 10-4

15.21 666.1* 11.22 448.3

15.45 673.0 12.57 548.1

15.52 674.9 13.79 615.0

15.60 676.5 14.81 651.7

15.61 677.2 15.82 679.8

15.72 680.0 16.70 700.4

15.84 682.9 17.79 721.5

16.06 687.7 18.54 734.8

16.06 688.4 19.70 755.6

16.51 698.6 20.78 766.8

16.97 708.2 21.78 778.9

18.01 727.3 22.75 789.7

19.03 744.1 23.84 801.0

20.02 758.1 24.79 810.0

21.01 770.8

22.02 782.8

23.02 793.5

24.08 804.1


- 151 -

Tabla B.14 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + ácido palmítico (2) con 3 mol% de etanol (3) a

313 K.

P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3 P / MPa ρ / kg/m3

2y = 1.011x10-3 2y = 2.073x10-3

2y = 3.448x10-3 2y = 4.263x10-3

2y = 5.695x10-3 2y = 5.898x10-3

8.21 618.4* 9.04 662.0* 12.03 755.7* 14.07 791.5* 18.32 832.8* 24.61 881.2*

8.70 657.4 10.10 709.8 12.25 759.8 15.06 803.9 18.76 838.1 24.75 882.2

9.58 710.9 11.01 735.2 12.47 763.7 16.12 815.7 19.08 842.7 24.90 883.3

10.54 721.4 12.02 756.9 12.69 767.7 17.01 824.7 19.46 847.1 25.07 884.1

11.56 730.1 13.06 774.9 12.94 771.7 18.05 834.3 19.95 849.8

12.58 746.5 14.08 789.6 13.53 780.9 18.93 841.9 20.95 857.3

13.61 759.3 15.02 801.8 14.08 788.9 20.04 850.7 21.54 861.7

14.63 773.3 16.07 813.8 14.99 800.7 21.02 858.1 22.11 865.5

15.57 784.8 17.01 823.5 16.10 813.5 22.02 865.1 22.62 869.1

16.56 809.2 17.98 832.7 17.01 823.1 22.96 871.6 23.62 875.5

17.47 826.8 18.95 841.2 18.05 833.3 24.03 878.2 23.86 877.0

18.12 833.1 20.04 850.1 18.97 841.1 25.06 884.4 24.10 878.5

18.54 836.7 21.03 857.6 20.02 849.7 24.38 880.2

18.72 838.2 22.04 864.8 20.97 857.1 24.69 882.0

18.95 840.2 23.01 871.4 22.00 864.4 24.98 883.7

19.15 841.9 23.99 877.7 23.00 871.4

19.35 843.6 25.04 884.1 24.01 877.8

19.55 845.4 24.89 883.1

19.74 846.9

19.94 848.5

20.13 850.0

20.29 851.2

20.44 852.7

20.63 853.8

20.80 855.2

20.98 856.6

21.15 857.8

21.28 858.7

21.62 861.2

22.49 867.7

23.04 871.0

23.95 877.1

25.04 883.6


- 152 -

Tabla B.15 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + ácido palmitico (2) con 6 mol% de etanol (3) a

313 K.


2y = 5.810x10-3 2y = 8.272x10-3

2y = 10.914x10-3 2y = 13.479x10-3

2y = 15.699x10-3

10.41 748.8* 12.73 792.1* 15.13 820.7* 17.19 838.2* 22.76 874.3*

11.05 766.0 12.87 794.0 15.24 821.7 17.31 839.3 22.99 875.4

12.05 781.9 13.05 796.3 15.38 823.2 17.48 840.6 23.52 878.5

13.02 794.8 13.50 801.8 15.64 825.4 17.95 844.1 24.50 883.8

14.04 806.5 13.99 807.3 15.86 827.5 18.46 848.0 24.73 884.9

15.03 816.8 15.02 818.0 16.04 828.9 18.96 851.5 24.91 886.0

16.06 826.3 16.05 827.4 16.52 833.1 19.46 854.9 25.07 886.6

16.99 834.4 17.01 835.5 17.02 837.2 20.02 858.7

18.04 842.6 18.06 844.1 18.06 845.3 20.97 864.8

19.02 850.0 19.03 850.8 19.00 852.0 22.10 871.5

20.00 856.7 19.99 853.5 20.01 858.7 22.98 876.5

21.10 863.9 20.96 863.9 20.97 864.9 23.99 882.3

22.02 869.6 22.01 870.3 22.10 871.6 25.09 888.0

23.01 875.5 23.01 876.1 22.97 876.7

24.00 881.1 23.98 881.6 24.00 882.4

25.11 887.0 25.00 887.1 25.03 887.8


- 153 -

Tabla B.16 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + ácido palmítico (2) con 3 mol% de 2-propanol

(3) a 313 K.


2y = 3.511x10-3 2y = 4.298x10-3

2y = 5.541x10-3 2y = 6.100x10-3

2y = 6.224x10-3

11.28 744.1* 12.98 775.3* 17.86 831.0* 18.35 834.8* 18.76 836.0*

11.49 748.6 13.15 777.6 18.04 833.0 18.48 835.9 18.99 837.9

11.62 751.3 13.32 780.2 18.52 837.1 18.64 837.1 19.50 842.4

11.80 754.7 13.51 782.9 18.97 840.7 18.99 840.2 20.01 846.3

12.03 758.9 14.03 790.1 19.44 844.8 19.51 844.4 20.50 850.2

12.98 774.7 14.39 794.6 20.07 849.4 20.01 848.3 21.00 853.9

14.02 789.4 14.96 801.5 20.53 852.9 20.45 851.6 21.50 857.6

14.96 801.1 15.55 808.1 21.02 856.5 20.97 855.5 22.01 861.2

15.94 812.3 16.02 813.2 21.56 860.3 21.49 859.2 22.48 864.5

17.03 823.0 17.04 823.4 22.00 863.4 22.01 862.8 22.97 867.8

18.05 832.4 18.03 832.5 22.58 867.1 22.50 866.0 23.49 871.1

19.06 841.0 19.05 841.2 22.78 868.6 22.97 869.2 23.93 873.8

20.06 848.9 20.08 849.2 22.96 869.6 23.49 872.4 24.50 877.4

20.93 855.3 20.99 856.0 23.02 870.3 23.97 875.4 25.14 881.3

22.00 862.9 21.99 862.9 23.14 870.7 24.50 878.6

23.02 869.5 23.01 869.7 23.28 871.7 25.14 882.2

24.02 875.9 24.00 875.7 23.48 872.9

25.00 881.9 24.96 881.7 23.65 874.1

23.82 874.9

23.96 875.8

24.01 876.1

24.50 878.8

24.98 882.2

25.03 882.2


154

Tabla B.17 - Densidades de la mezcla CO2 (1) + ácido palmitico (2) con 6 mol% de 2-propanol

(3) a 313 K.


2y = 8.055x10-3 2y = 10.612x10-3

2y = 13.716x10-3 2y = 16.209x10-3

10.90 764.8* 12.87 792.6* 15.02 820.5* 20.69 863.3*

11.05 767.2 12.97 793.9 15.19 821.5 20.81 863.9

11.22 769.8 13.26 797.0 15.31 822.6 20.93 864.6

11.53 774.4 13.50 800.0 15.53 824.4 21.21 866.2

11.85 778.9 14.00 805.4 16.06 828.8 21.50 867.7

12.03 781.3 14.49 810.3 16.52 832.5 22.05 870.9

12.53 787.9 15.05 815.8 17.02 836.3 22.97 875.9

13.05 794.1 16.08 825.2 18.04 843.7 23.94 880.9

13.99 804.6 17.05 833.3 18.98 850.1 25.08 886.5

15.04 815.2 18.02 840.8 20.04 856.9

16.06 824.5 18.95 851.5 20.96 862.4

17.03 832.5 20.03 854.8 22.03 868.6

18.04 840.4 21.01 861.1 22.97 873.7

18.94 846.8 22.05 867.4 24.06 879.4

19.99 854.1 23.01 872.9 25.09 884.6

20.97 860.4 24.06 878.7

22.01 866.8 25.09 884.0

23.02 872.7

24.01 878.3

25.08 883.9


155

ANEXO C Productos obtenidos: Publicaciones internacionales: ü Solubilities and densities of capsaicin in supercritical carbon dioxide at temperatures from

313 to 333 K. O. Elizalde -Solis, L.A. Galicia-Luna, Ind. Eng. Chem. Res. 45 (2006) 5404-5410.

ü Solubility and Density measurements of Palmitic Acid in Supercritical Carbon Dioxide +

Alcohol Mixtures, O. Elizalde -Solis, L. Brandt, L.A. Galicia-Luna, J. Gmelhing. A ser enviado a la revista Fluid Phase Equilibria. En revision por el asesor de tesis.

ü Supercrítical carbon dioxide extraction of capsaicinoids from poblano pepper (Capsicum

annuum L.). O. Elizalde-Solis , L.A. Galicia-Luna. Manuscrito en preparación.

Trabajos presentados en congresos internacionales: ü Solubilities and Densities of Capsaicin in Supercritical Carbon Dioxide; O. Elizalde-

Solis, L.A. Galicia-Luna, F.F. Betancourt-Cardenas; 16th Symp. on Thermophysical Properties (NIST), Jul-Aug 2006, Boulder CO, U.S.A.

ü New apparatus for the determination of solid solubilities in supercritical solvents; O.

Elizalde -Solis, L.A. Galicia-Luna; EQUIFASE, Oct-2006, Morelia, México.

ü Supercritical Carbon Dioxide Extraction of Capsaicinoids from Poblano Pepper (Capsicum Annuum L.) Using A Dynamic Method; O. Elizalde-Solis, L.A. Galicia-Luna; AIChE, Nov-2007, Salt Lake Utah, U.S.A.

ü Solubilities And Compressed Liquid Densities Of Palmitic Acid In Supercritical Carbon

Dioxide; Lars Brandt, O. Elizalde -Solis, L.A. Galicia-Luna, Jürgen Gmehling; AIChE, Nov-2007, Salt Lake Utah, U.S.A.

ü Solubilities Of β-Carotene In Supercritical Carbon Dioxide Using An Online Static-

Analytic Apparatus; O. Elizalde -Solis, L.A. Galicia-Luna; AIChE, Nov-2007, Salt Lake Utah, U.S.A.

Solubilities and Densities of Capsaicin in Supercritical Carbon Dioxide atTemperatures from 313 to 333 K

Octavio Elizalde-Solis and Luis A. Galicia-Luna*

Instituto Politecnico Nacional, ESIQIE, Laboratorio de Termodina´mica, UPALM Zacatenco, Edif. Z, Secc. 6,1ER piso, LindaVista, C. P. 07738, Me´xico, D. F., Mexico

Solubilities of capsaicin in supercritical carbon dioxide were measured at 313, 318, 323, 328, and 333 K inthe range of (5-20) × 10-5 (mole fraction of capsaicin). Measurements were performed in an apparatusbased on the static-synthetic method. Good agreement was found between the obtained experimental dataand those available in the literature, except for at 333 K. Volumetric properties for the carbon dioxide+capsaicin system were also obtained via a vibrating tube densitometer coupled to the measurement cell in thesame range of temperatures and at pressures up to 25 MPa. Densities for this system have not been previouslyreported. The solubilities of capsaicin in carbon dioxide were correlated with the density-based model proposedby Mendez-Santiago and Teja (Fluid Phase Equilib.1999, 158-160, 501). The results from the correlationshow that the reported data are self-consistent.

Introduction

Capsaicin (8-methyl-N-vanillyl-6-noneamid) is the maincomponent of capsaicinoids and the principal cause of thepungency in theCapsicum annuumspecies. A wide variety ofCapsicum annuumspecies are cultivated in Mexico. Theyrepresent an extensive natural source of colorants in the foodindustry. Capsaicin is also used in the food industry as aningredient for its hot flavor. In medicine, it is used in paintherapies as well as for its stimulation effect. It is also an activeingredient in the pepper spray.1,2

Information about the solubility data of capsaicin in super-critical fluids is important for the extraction of capsaicin fromCapsicum annuum. The most common supercritical fluid usedfor the extraction of natural products is carbon dioxide due toits advantages and physical properties. Carbon dioxide reducesproblems caused by the use of organic solvents in the extractionof oleoresins.3,4 Organic solvents are not completely removedfrom the extract, and the operation process temperature producesa thermal degradation of capsaicin and oleoresins. Equilibriumsolubilities of capsaicin in supercritical carbon dioxide have beenpublished by some authors. Sˇkerget et al.5 reported solubilitiesat 298.15, 313.15, and 333.15 K and pressures up to 36 MPa.Hansen et al.6 measured solubilities of capsaicin in carbondioxide at 308.15, 318.15, and 328.15 K in the range of 12-25MPa. de la Fuente et al.7 obtained solubilities in the range of298-318 K and pressures up to 40 MPa. All these sets ofexperimental data were measured based on the static-analyticmethod.

The prediction of solubilities of solids in supercritical fluidsusing thermodynamic models presents some difficulties. Semiem-pirical correlations such as the density-based models proposedby Chrastil8 and Mendez-Santiago and Teja9 are commonly usedto interpolate solubilities of solids in supercritical fluids.

In this work, solubilities of capsaicin in supercritical carbondioxide were measured in a static-synthetic setup from 313 to333 K in the composition range of (5.83-20.19)× 10-5 molefraction of capsaicin. This method avoids using analytical

equipment like high-performance liquid chromatography (HPLC),because its maintenance cost is high. Volumetric properties forthe carbon dioxide+ capsaicin mixtures were quasi-simulta-neously determined via a vibrating-tube densitometer at pres-sures up to 25 MPa. Density data for this system have not beenreported previously. For the Meńdez-Santiago and Teja9 cor-

* To whom correspondence should be addressed. E-mail: [email protected]. Phone: (52) 55 5729-6000, ext 55133. Fax: (52) 55 5586-2728.

Table 1. Chemical Structure of Capsaicin

molecular weight 305.41molecular formula C18H27NO3

chemical structure

Figure 1. Experimental apparatus: AB air bath, CA cathetometer, DMA60 period meter, DPI 145 digital indicator of pressure, EC sapphire tubeequilibrium cell, GC gas compressor, PI Isco pump, LB liquid bath, VTDvibrating tube densitometer, MC measurement cell, MR magnetic rod, PTpressure transducer, M multimeter, PTPi platinum probei, TD digitalindicator of temperature F250, Vi shut-off valve i, VSE variable speedengine, VP vacuum pump, FV feeding valve, P piston, ST sapphire tube,B cylindrical support, C cap, PC pressurization circuit, O window.

5404 Ind. Eng. Chem. Res.2006,45, 5404-5410

10.1021/ie060284h CCC: $33.50 © 2006 American Chemical SocietyPublished on Web 06/27/2006

relation, we compare the use of the solvent density and themixture density. Similar deviations confirm that, in this cor-relation, we can use the solvent density when the mixture densityis not available.

Experimental Section

Materials. Carbon dioxide and nitrogen with a stated purityof 99.995 mol % were purchased from Air Products-Infra(Mexico). Aldrich Chemical Co., Inc., supplied capsaicin naturalgrade, with a purity of∼65% capsaicin and 35% dihydrocap-saicin. The chemical structure of capsaicin is given in Table 1.

Water (HPLC grade) was also purchased from Aldrich ChemicalCo., Inc. No additional purification was carried out for thesecompounds. Capsaicin and water were carefully degassed whilestirring and under vacuum before they were used.

Table 2. Experimental Mole Fraction Solubilities of Capsaicin (2) in Supercritical Carbon Dioxide (1)

T ) 312.86 K T ) 317.82 K T ) 322.91 K T ) 328.01 K T ) 332.92 K

P/(MPa) y2/(mol/mol) P/(MPa) y2/(mol/mol) P/(MPa) y2/(mol/mol) P/(MPa) y2/(mol/mol) P/(MPa) y2/(mol/mol)

11.508 5.83× 10-5 10.865 5.83× 10-5 10.678 5.83× 10-5 10.444 5.83× 10-5 10.787 5.83× 10-5

13.771 8.19× 10-5 11.961 8.19× 10-5 13.506 8.19× 10-5 14.519 9.72× 10-5 16.421 9.72× 10-5

13.432 9.66× 10-5 12.030 9.66× 10-5 13.719 9.72× 10-5 15.258 13.32× 10-5 15.932 13.32× 10-5

13.832 9.72× 10-5 12.543 9.72× 10-5 15.700 13.32× 10-5 16.836 16.35× 10-5 17.670 16.35× 10-5

15.197 10.19× 10-5 12.932 10.19× 10-5 17.555 16.35× 10-5 17.218 17.24× 10-5 15.809 17.24× 10-5

17.890 13.32× 10-5 16.211 13.32× 10-5 18.035 17.24× 10-5 17.618 18.17× 10-5 17.014 18.17× 10-5

19.130 15.44× 10-5 17.878 16.35× 10-5 18.233 18.17× 10-5 16.814 20.19× 10-5 15.604 20.19× 10-5

19.787 16.35× 10-5 18.219 17.24× 10-5 18.401 20.19× 10-5

19.925 16.46× 10-5 19.301 18.17× 10-5

21.228 17.24× 10-5 20.203 20.19× 10-5

22.907 18.17× 10-5

Table 3. Densities for the Carbon Dioxide (1)+ Capsaicin (2) System aty2 ) 5.83× 10-5

T) 313.07 K T ) 318.01 K T ) 323.04 K T ) 328.01 K T ) 332.93 K

P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3)

11.508 706.64a 10.865 602.97a 10.678 481.29a 10.444 372.30a 10.787 349.21a

11.598 709.46 10.942 608.72 10.791 493.76 10.575 384.93 10.861 354.8711.690 712.34 11.028 614.14 10.933 509.23 10.680 395.07 11.044 370.1011.811 715.97 11.236 627.46 11.276 540.66 10.856 412.06 12.065 448.6412.012 721.89 11.543 643.56 11.877 585.59 11.004 427.76 13.053 516.6612.232 727.55 11.995 663.38 13.001 642.00 12.007 515.09 14.024 568.0912.526 734.95 13.035 698.64 13.991 675.77 13.018 579.66 15.000 608.8412.995 745.75 14.017 724.33 15.023 703.59 14.074 627.18 16.030 642.5914.070 766.92 15.016 745.04 15.996 724.43 15.049 658.89 17.000 667.6015.011 782.41 16.003 762.07 17.009 743.11 16.007 684.91 18.018 689.8915.890 795.31 17.020 777.58 17.999 759.08 16.998 706.90 19.095 710.1717.034 809.89 18.027 791.33 19.010 773.42 18.029 725.85 20.008 725.5818.026 821.11 19.039 803.44 20.003 785.71 19.001 741.81 21.016 740.1719.024 831.55 20.054 814.64 21.033 797.77 20.000 755.91 21.998 753.2719.992 841.07 21.020 824.33 22.042 808.41 20.957 768.49 23.109 766.7621.625 855.10 22.013 833.63 23.116 818.62 21.964 780.61

23.157 843.50 23.158 793.43

a Saturation density.

Table 4. Densities for the Carbon Dioxide (1)+ Capsaicin (2)System aty2 ) 8.19× 10-5

T) 313.06 K T ) 318.01 K T ) 323.04 K

P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3)

13.771 761.98a 11.961 662.45a 13.506 660.92a

13.906 764.4 12.361 676.62 13.595 663.8714.055 767.06 12.527 682.11 13.771 669.514.258 770.61 13.039 699.36 13.871 672.8714.551 775.53 13.528 712.69 14.035 678.1315.023 782.98 14.03 725.01 15.026 703.9916.002 797.07 14.529 735.57 16.015 725.4217.029 810.12 15.033 745.66 17.007 743.5318.066 821.97 16.013 763.15 18.147 761.4819.137 833.05 17.011 778.36 19.036 773.8419.972 841.04 18.174 793.6 19.987 785.9121.095 850.68 19.041 803.93 21.114 797.4421.834 857.18 20.066 815.07 22.047 808.67

21.081 825.32 23.31 820.6822.003 833.8423.293 844.95



T) 313.12 K T ) 318.06 K

P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3)

13.432 753.63a 12.030 662.74a

13.701 758.93 13.046 697.4313.904 762.70 14.069 723.9714.009 764.43 14.997 743.3214.210 768.17 16.048 761.9414.436 772.07 17.023 776.9614.609 775.00 18.094 791.3614.828 778.47 19.066 803.1615.047 781.92 20.004 813.5215.229 784.68 21.045 824.0415.411 787.40 22.069 833.5815.615 790.37 23.026 842.0115.817 793.21 23.838 848.6916.032 796.16 24.999 856.6916.281 799.4816.639 804.1016.983 808.3417.555 815.1418.020 820.3719.059 831.3019.999 840.3721.125 850.4422.037 858.0523.115 866.4223.948 872.5724.520 876.61


Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 45, No. 15, 20065405

Apparatus. Experimental solubilities and density measure-ments were performed in a static-synthetic setup. The schematicflow diagram of the apparatus is illustrated in Figure 1. Acomplete description of this apparatus has been given by Zuńiga-Moreno et al.10 The apparatus consists of a variable-volumesapphire tube equilibrium cell (Armines, France) with an internalvolume of∼10 cm3 and a vibrating U-tube densitometer (DMA60/512P, Anton Paar), made of hastelloy C-276 with an internalvolume of∼1 cm3. The equilibrium cell can be operated up to25 MPa and 473 K. The piston is used for increasing ordecreasing pressure, and the magnetic rod is used for the samplemixing. A cathetometer equipped with a camera allows anenlarged visualization of the sapphire tube.

The equilibrium cell temperature was regulated by an air bath,and the vibrating tube densitometer was thermoregulated byrecirculating water with a liquid bath. Two platinum probes,PTP2 and PTP3 (Pt100, Specitec), were immersed in twothermometric wells located at the top and bottom of the cellbody to measure the temperature of the cell, and the platinumprobe, PTP1, was used to measure the temperature in thevibrating-tube densitometer. These platinum probes were con-nected to a digital indicator (F250, Automatic Systems Labo-ratories) to monitor temperature. Pressure measurements were

made with a pressure transducer (250, Sedeme) placed abovethe equilibrium cell and connected to a digital multimeter(34401A, HP).

Calibration. The calibration for the temperature probes wasperformed in a calibration system (F300S, Automatic SystemsLaboratories) fitted with a 25-Ω reference probe (162CE,(0.005 K certified accuracy, Rosemount). Temperature uncer-tainty for the platinum probes was estimated to be(0.03 K. Adead weight balance (model 5304 Class S2,(0.005% F. S.precision up to 138 MPa, Desgranges & Huot) was used forthe pressure transducer calibration in the range of 313-333 K.The estimated uncertainty for the pressure measurements waswithin (0.008 MPa. The vibrating-tube densitometer calibrationwas carried out using water and nitrogen as reference fluids.11

Densities for water and nitrogen were calculated with theequations of state proposed by Wagner and Pruâ12 and Span etal.,13 respectively. The estimated uncertainty of the experimentalcarbon dioxide+ capsaicin densities was(0.20 kg‚m-3 in thereported data range.

Experimental Procedure. Solubilities of capsaicin in su-percritical carbon dioxide were measured based on the secondmethod described by Zuńiga-Moreno et al.10 where the equi-librium cell is coupled to the vibrating U-tube densitometer.This method has been tested for solid solubilities in supercriticalcarbon dioxide with naphthalene as the solid compound.


T) 313.07 K T ) 318.01 K T ) 323.05 K T ) 328.01 K T ) 332.90 K


13.832 762.33a 12.543 683.04a 13.719 667.26a 14.519 641.86a 16.421 652.57a

13.932 764.27 12.625 685.93 13.828 670.51 14.698 646.55 16.623 657.9714.038 766.22 12.749 688.81 13.962 674.64 14.808 652.21 16.837 663.3914.530 774.74 12.880 693.86 14.072 678.65 14.921 654.48 17.028 667.9715.031 782.72 13.032 698.36 15.003 698.56 15.026 658.43 18.027 690.1516.026 796.93 13.487 710.98 16.000 724.49 16.010 684.40 19.031 709.1217.032 809.69 14.033 724.07 17.025 743.42 17.003 706.05 20.044 725.9418.017 820.98 14.542 735.23 18.039 759.54 18.008 725.03 21.041 740.7319.030 831.54 15.079 745.85 19.001 773.10 19.023 741.68 22.032 753.9620.033 841.24 16.013 762.10 20.087 786.88 20.043 756.52 23.022 766.0321.037 850.18 17.026 777.70 21.080 798.07 20.988 768.85 23.323 769.4321.990 858.06 18.063 791.63 22.022 807.97 21.979 780.7523.001 866.01 19.053 803.55 23.059 818.04 23.057 792.4823.846 872.19 20.044 814.46 23.560 822.64 23.655 798.55

21.026 824.3022.082 834.1623.054 842.5523.703 847.92



T) 313.08 K T ) 318.02 K

P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3)

15.197 785.02a 12.932 695.51a

15.397 788.00 13.224 704.0015.615 791.11 13.525 711.9015.810 794.52 13.893 721.0116.200 799.15 14.183 727.5816.607 804.39 14.509 734.5516.995 809.18 14.813 740.7018.011 820.84 15.016 744.6518.986 831.10 15.998 762.1020.002 840.86 17.015 777.5121.010 849.85 18.021 791.0522.014 858.21 19.030 803.2422.996 865.90 20.025 814.1624.128 874.21 21.024 824.3424.386 876.03 21.937 832.82

23.029 842.3623.881 849.3624.421 853.59


Figure 2. Comparison between the experimental solubilities of capsaicin(2) in supercritical carbon dioxide (1) reported in this work and thosereported in the literature at∼313 K: (b) Skerget et al.;5 (9) de la Fuenteet al.;7 (3) this work.

5406 Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 45, No. 15, 2006

The equilibrium cell was loaded with the desired compositionof solid capsaicin and carbon dioxide by successive loadingsof pure compounds. First, the empty cell without air wasweighed. Then,∼7 mg of capsaicin was added in the cell anddegassed by a vacuum pump. The cell was again weighed.Finally, carbon dioxide was compressed by means of a syringepump (100 DM, Isco), and∼8 g of it was loaded into the cell.A third weighing was carried out to know the quantity of carbondioxide. Weightings were performed in a comparator balance(MCA 1200, Sartorius) within an uncertainty of(1 × 10-7

kg. Mole fraction uncertainties for the carbon dioxide+capsaicin mixtures reported in this work were lower than(3× 10-6.

The equilibrium cell with the known composition for thecapsaicin and carbon dioxide mixture was placed in the air bathand then connected to the vibrating-tube densitometer. Theywere set to the same temperature. The vibrating-tube densito-meter was degassed, and the feeding valve was closed to avoidthe flow of the mixture. The temperature for the densitometerwas∼0.4 K higher than that measured for the equilibrium cell.With constant temperatures, the equilibrium cell was carefullypressurized up to 25 MPa by means of a gas compressor, whichuses nitrogen as a pressuring fluid. The magnetic rod was usedfor mixing purposes. Once capsaicin was completely dissolvedin the supercritical carbon dioxide, the feeding valve was openedto feed the mixture into the vibrating-tube densitometer. Pressurewas again increased because of the expansion of the mixture.The system was in equilibrium when the temperature andpressure in the cell and the signal of the densitometer wereconstant. The equilibrium conditions were reached in a lowertime (3 h) compared with the 12 h reported by de la Fuente etal.7

Afterward, decrements in pressure<1.0 MPa were carriedout far from the solubility point. Near the solubility point,pressure was decreased to∼0.15 MPa. The solubility point wasdetermined by observing through the cathetometer the solidcapsaicin precipitation into the main body of the cell. For eachpressure, the vibrating period of the densitometer displayed inthe universal counter (5313 A, HP) was registered to calculatethe mixture density until the solubility point (saturation density).

A new temperature was set for the next solubility anddensities measurements. When the cell temperature was constant,pressure was again increased up to 25 MPa, and the mixturewas vigorously stirred to ensure that the solid capsaicin wascompletely dissolved in the supercritical carbon dioxide. Thereproducibility in pressure for the solubility data was about(0.056 MPa.

Results and Discussion

Isothermal solubilities and volumetric properties for thecarbon dioxide+ capsaicin mixtures were measured at 312.86,317.82, 322.91, 328.01, and 332.92 K. The experimental datacould not be measured above 25 MPa because it is the maximumpressure operation of the equilibrium cell. Solubilities ofcapsaicin in supercritical carbon dioxide are reported in Table2. A gradual increase of the solubilities of capsaicin was reachedwhen pressure was increased at isothermal conditions. Theisothermal data were compared with those reported in theliterature. A good agreement was found between solubilitiesobtained in this work and the reported data by Sˇkerget et al.5 at313.15 K and de la Fuente et al.7 at 313 and 318 K. Thecomparison of the solubilities measured at 313 K is shown inFigure 2. Some deviations were found between our experimental


T ) 313.07 K T ) 318.02 K T ) 323.04 K T ) 328.00 K T ) 332.93 K


17.890 819.39a 16.211 765.17a 15.700 718.24a 15.258 664.63a 15.932 639.24a

18.082 821.49 16.424 768.53 15.867 721.71 15.378 667.97 16.105 644.1718.233 823.12 16.673 772.27 15.956 724.77 15.482 670.91 16.287 649.3218.447 825.39 16.884 775.40 17.036 743.46 15.597 673.81 16.472 654.3318.678 827.80 17.050 777.82 18.044 759.42 15.755 677.98 16.619 658.1718.856 829.63 17.230 780.31 19.027 773.29 15.886 681.20 16.779 662.2218.995 831.17 17.463 783.51 20.028 785.98 16.048 685.10 16.899 665.2220.047 841.19 18.002 790.63 20.994 797.07 16.982 705.84 17.001 667.6821.038 850.10 19.010 802.86 22.012 807.84 17.963 724.55 18.040 690.6322.020 858.20 19.995 813.71 22.995 817.44 19.028 741.96 18.973 708.5422.973 865.59 21.026 824.20 24.158 827.97 20.025 756.44 19.983 725.4224.234 874.86 22.002 833.28 21.006 769.46 21.014 740.75

23.072 842.60 22.020 781.52 21.984 753.7824.509 854.17 22.991 792.05 22.951 765.69

23.956 801.79 23.963 777.03



T) 313.07 K T ) 318.01 K T ) 323.03 K T ) 328.01 K T ) 332.92 K

P/(MPa) F (kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3)

19.787 838.46a 17.878 789.47a 17.555 752.54a 16.836 703.24a 17.670 683.46a

19.844 839.14 17.947 790.40 17.717 755.42 16.903 704.63 17.831 687.2919.902 839.96 18.029 791.35 17.955 758.71 17.007 706.80 17.920 689.1920.022 841.35 18.200 793.66 18.014 759.47 18.030 726.09 18.028 691.0121.001 849.81 18.612 798.62 19.018 773.52 19.025 742.38 19.013 709.6422.176 859.74 19.001 803.30 20.028 786.34 20.036 757.08 20.025 726.55

19.988 814.10 21.002 797.63 21.026 769.98 21.023 741.3020.975 824.10 22.006 808.19 22.024 781.83 21.954 753.7822.042 834.09 22.993 817.80 23.018 792.70 23.009 766.6422.994 842.31 24.244 829.08 23.995 802.55 23.860 776.2724.294 852.86



data and the solubilities published by Hansen et al.6 at 318 and328 K. The solubilities measured at 333 K show a differenttrend from those published by Sˇkerget et al.5 It could beattributed to the thermal degradation of capsaicin.

Experimental densities for the carbon dioxide+ capsaicinsystem at different compositions were also determined from 313to 333 K and are reported in Tables 3-12. Saturation densitiesof this mixture are resumed in Figure 3. As can be observed,saturation densities increase when pressure is increased, andthey decrease with increments in temperature.

The experimental solubilities were correlated by the equationproposed by Meńdez-Santiago and Teja9 based on the theoryof dilute solutions. Because the sublimation pressure forcapsaicin is not available, we use the equation that incorporatesthe Clausius-Clapeyron-type expression for the sublimationpressure,

where the A′, B′ and C′ parameters are independent oftemperatureT, y2 is the mole fraction of the solid in the

supercritical carbon dioxide, andP is the pressure of the system.In this equation, the concentration of capsaicin in supercriticalcarbon dioxide is considered too low; therefore, the density ofthe mixtureFm can be replaced by the density of the carbondioxide F1 measured at the same conditions of the solubilitypoints. In this way, we fit the solubility of capsaicin insupercritical carbon dioxide reported in the literature and thosemeasured in this work to eq 1. The obtained parameters wereA′ ) -8406 K, B′ ) 2.26 K‚ m3‚kg-1, andC′) 15.07. Thebest-fit line is plotted in Figure 4. It can be observed that allthe solubility isotherms collapse in a near single trend line. Someof the most distant points from the straight line are those plottedabove the critical solvent density. The difference between theexperimental solubilities and those correlated values using theparameter values cited above have an absolute average deviation(AAD) of ∼22.2%.

The main advantage of the experimental method used in thiswork is the quasi-simultaneous density measurements via avibrating-tube densitometer. The measured saturation densitiesFm andy2 were fitted to obtain the adjustable parameters of eq


T ) 313.08 K T ) 318.01 K T ) 323.05 K T ) 328.00 K T ) 332.91 K


21.228 851.71a 18.219 793.53a 18.035 759.41a 17.218 710.60a 15.809 635.68a

21.429 853.45 18.453 796.42 18.272 761.87 17.404 714.30 16.009 641.5521.571 854.59 18.995 802.86 18.503 766.20 17.598 717.89 16.204 647.1421.800 856.46 19.490 808.46 18.988 772.90 17.791 721.36 16.405 652.5822.048 858.49 19.989 813.83 19.488 779.32 18.025 725.65 16.614 658.1022.547 862.17 20.495 819.08 20.015 785.92 18.510 733.84 16.804 662.9323.147 867.07 21.516 829.01 20.465 791.18 19.020 742.05 17.030 668.4623.633 870.38 22.505 837.95 21.049 797.77 19.989 756.17 17.189 672.2724.238 874.94 23.514 846.44 22.029 808.11 20.976 769.10 17.407 677.29

24.281 852.55 22.998 817.54 22.044 781.85 17.601 681.5223.987 826.55 23.157 793.88 17.813 686.00

24.205 804.29 18.015 690.2618.201 693.9618.405 697.9518.626 702.1218.824 705.8418.995 709.0919.524 718.1220.015 725.9121.046 741.2122.056 754.7422.992 766.2424.130 778.77



T ) 313.06 K T ) 318.00 K T ) 323.03 K T ) 328.00 K T ) 332.91 K


20.003 840.79a 19.301 806.16a 18.233 762.19a 17.618 718.12a 17.014 668.46a

21.083 850.37 19.526 808.66 18.415 764.82 17.845 722.17 17.189 672.2721.523 854.02 19.733 810.91 18.626 767.76 18.021 725.41 17.407 677.2922.048 858.39 19.907 812.79 19.041 773.57 19.029 741.90 17.601 681.5222.356 860.88 20.122 815.04 20.045 786.35 20.028 756.53 17.813 686.0022.657 863.52 20.410 818.04 21.024 797.42 21.020 769.58 18.015 690.2622.907 864.87 20.822 822.14 22.025 808.09 22.028 781.58 18.201 693.9623.034 865.88 21.290 826.71 23.123 818.74 23.164 793.88 18.405 697.9523.567 869.23 21.875 832.17 24.613 831.85 24.494 806.95 18.626 702.1224.007 871.18 22.411 836.95 18.824 705.84

22.886 841.10 18.995 709.0923.427 845.65 19.524 718.1223.961 849.90 20.015 725.9124.383 853.21 21.046 741.21

22.056 754.7422.992 766.2424.130 778.77


T ln(y2P) ) A′ + B′F1 + C′T (1)


1. The resulting parameters wereA′ ) -8912 K, B′ ) 2.42K‚m3‚kg-1, andC′) 16.11. The fit line is plotted in Figure 5,and the AAD ofy2 was 14.3%. We again fit our solubility dataandF1 instead ofFm in eq 1 to obtain the adjustable parameters.

The experimental and correlated solubilities gave an AAD of14.2%. No variations were found for the best-fit line plotted inFigure 5 using eitherFm or F1.

Conclusions

Isothermal solubilities of capsaicin in supercritical carbondioxide were measured in a static-synthetic setup in the rangeof y2 ) (5.83-20.19)× 10-5 from 313 to 333 K. Equilibriumsolubilities were in agreement with those reported in theliterature, except for those published by Sˇkerget et al.5 at 333K. We believe that the thermal degradation of capsaicin producesthese differences. Volumetric properties for this system atdifferent compositions were quasi-simultaneously obtained withthis apparatus via a vibrating-tube densitometer in the samerange of temperature and pressures up to 25 MPa. Densitiesfor the carbon dioxide+ capsaicin mixtures had not beenpreviously reported.

Experimental solubilities of capsaicin in supercritical carbondioxide were correlated with the density-based model proposedby Mendez-Santiago and Teja. The equilibrium solubilitiesreported in the literature and those reported in this work collapsein a single straight line within an AAD) 22.2%.


T) 318.04 K T ) 323.07 K T ) 328.03 K T ) 332.97 K

P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3) P/(MPa) F/(kg‚m-3)

20.203 816.43a 18.401 764.98a 16.814 702.61a 15.604 628.81a

20.397 818.39 18.714 769.31 16.979 706.11 15.918 638.4720.609 820.50 19.014 773.34 17.209 710.63 16.238 647.6920.888 823.34 19.288 777.04 17.401 714.35 16.498 654.7521.126 825.63 19.634 781.40 17.596 717.82 16.816 662.8621.360 827.84 20.087 786.97 17.798 721.73 17.095 669.7121.592 830.04 20.505 791.82 18.005 725.43 17.423 677.1621.818 832.11 20.920 796.55 18.399 732.23 17.692 683.1122.006 833.83 21.291 800.60 18.794 738.60 17.997 689.5322.959 842.17 21.777 805.87 19.233 745.37 18.500 699.49

22.239 810.56 19.645 751.40 19.005 708.7222.532 813.06 20.004 756.43 19.534 717.8423.027 819.04 20.492 762.99 20.010 725.5323.525 823.96 20.974 769.17 20.992 740.1824.009 827.70 21.496 775.56 22.023 754.0524.534 831.57 21.987 781.28 22.979 765.73

22.515 787.17 24.096 778.2023.178 794.2424.160 804.03


Figure 3. Saturation densities for the carbon dioxide+ capsaicin mixturesat (b) 313.08 K; (3) 318.02 K; (9) 323.04 K; (]) 328.01 K; and (2)332.92 K.

Figure 4. Solubilities of capsaicin (2) in supercritical carbon dioxide (1)using eq 1: (b) Hansen et al.;6 (3) Skerget et al.;5 (9) de la Fuente et al.;7

(]) this work. The solid line represents the calculated values using theMendez-Santiago and Teja9 correlation.

Figure 5. Solubilities of capsaicin (2) in supercritical carbon dioxide (1)reported in this work using eq 1 at (b) 312.86 K; (3) 317.82 K; (9) 322.91K; (]) 328.01 K; and (2) 332.92 K. The solid line represents the calculateddata using the Meńdez-Santiago and Teja9 correlation.


Our experimental solubilities were correlated with eq 1 usingeither the solvent density or the saturation density of the mixture.In spite of the fact that differences up to 12 kg‚m-3 betweenthe saturation density of the mixture and the carbon dioxidedensity were found, the solubilities were well-represented usingthe adjustable parameters within an AAD) 14%. Therefore,in the composition range studied in this work,F1 can be usedinstead ofFm when the last one is not available, obtaining similarresults for the calculated solubilities.

Acknowledgment

The authors are grateful to CONACYT and IPN for theirfinancial support. O.E.S. gives thanks to Fe´lix F. Betancourt-Cardenas for his help and valuable comments.

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ReceiVed for reView March 9, 2006ReVised manuscript receiVed May 5, 2006

AcceptedMay 22, 2006

IE060284H


156

Solubility and Density Measurements of Palmitic Acid in Supercritical Carbon

Dioxide + Alcohol Mixtures

Octavio Elizalde-Solisa, Lars Brandtb, Luis A. Galicia-Lunaa,*, Jürgen Gmehlingb

a Laboratorio de Termodinámica, ESIQIE, Instituto Politécnico Nacional, UPALM, Edif. Z, Secc. 6, 1ER piso,

Lindavista, C. P. 07738, México D. F., MEXICO. b Carl-von-Ossietzky Universität Oldenburg, Technische Chemie, D-26111 Oldenburg, GERMANY

Abstract

Solubility and densities of palmitic acid dissolved in supercritical carbon dioxide

(homogeneous phase) were investigated in the pressure range of (10 to 25) MPa from (313 to

328) K. The influence of ethanol and 2-propanol as cosolvent at 3 and 6 mol% on the solubility

and density data for the CO2 + palmitic acid mixture was also determined. These ternary systems

were investigated at 313 K in the same range of pressure. Measurements were carried out in a

static-synthetic sapphire cell coupled to a vibrating tube densitometer. The self- consistency of the

data was tested according to the density-based models proposed by Méndez-Santiago and Teja

[Méndez-Santiago, Teja, Fluid Phase Equilib. 158-160 (1999) 501-510], [Méndez-Santiago, Teja,

Ind. Eng. Chem. Res. 39 (2000) 4767-4771].

Keywords: palmitic acid, cosolvent, densitometer, solubility

* To whom correspondence should be addressed E-mail: [email protected] Phone: (52) 55 5729-6000 Ext 55133 Fax: (52) 55 5586-2728

157

Supercrítical carbon dioxide extraction of capsaicinoids from poblano pepper

(Capsicum annuum L.)

(EN PREPARACIÓN)

Octavio Elizalde-Solis, Luis A. Galicia-Luna*

Laboratorio de Termodinámica, ESIQIE, Instituto Politécnico Nacional, UPALM, Edif. Z, Secc. 6, 1ER piso,

Lindavista, C. P. 07738, México D. F., MEXICO.

Abstract

In this work supercritical carbon dioxide extraction of capsaicinoids from poblabo pepper

(Capsicum annuum L.) were determined in the temperature range from 308 to 328 K and at

pressures of 10, 20, 27.5 and 30 MPa. Extractions using carbon dioxide as solvent were

performed at a steady flowrate of 3 g/min at different extraction time (3, 6, 8 and 10 hours). The

total capsaicinoids content were quantified by considering only capsaicin and dihydrocapsaicin.

According to the results, the maximum quantities of capsaicinoids were obtained at 30 MPa and

318 K.

Keywords: poblano pepper, SCF extraction, capsaicinoids

* To whom correspondence should be addressed E-mail: [email protected] Phone: (52) 55 5729-6000 Ext 55133 Fax: (52) 55 5586-2728

Documents

tesis TRAMITE FECHA