OBTENCION DEL CINAMALDEHIDO PRESENTE EN LAS ASTILLAS DE CANELA POR ARRATRE CON VAPOR

Eduardo Valarezo; Aceites esenciales, generalidades, extracción característica y uso; Ecuador; Universidad de Loja, pag 10
Hall, M; Witte, J; Maderas del Sur de Chile; 2ª edición; 1998; Editorial Universitaria; Chile. P. 24.
Lanfranco, D; et al (editores); Bosque vol.19; 1998; Universidad Austral de Chile; chile. Pp. 92-95.
http://es.scribd.com/doc/62254607/Antecedentes-DESTILACION-POR-ARRASTRE-CON-VAPOR. 11/09/2014.
Willis, C; resolución de problemas de química general; 1995; reverté; España. Pp. 221-224.


http://datateca.unad.edu.co/contenidos/401552/Capitulo_4/42hidrodestilacin.html. 11/09/2014
Valderrama, J; información tecnológica; 2ª edición; 1997; la serena; Chile. P. 190.
Introducción a la industria de los aceites esenciales de plantas medicinales y aromáticas, SENA, Bogota D.C, 2012. Pág.36
http://www.chembook.co.uk/chap23.htm 12-9-14
Introducción a la industria de los aceites esenciales de plantas medicinales y aromáticas, SENA, Bogota D.C, 2012. Pág.36
Técnicas de extracción y concentración, universidad nacional, abierta y a distancia http://datateca.unad.edu.co/contenidos/401552/Capitulo_4/41arrastre_con_vapor.html#_ftnref2 12-09-2014
Técnicas de extracción y concentración, universidad nacional, abierta y a distancia http://datateca.unad.edu.co/contenidos/401552/Capitulo_4/41arrastre_con_vapor.html#_ftnref2 12-09-2014

Ibit.
Introducción a la industria de los aceites esenciales de plantas medicinales y aromáticas, SENA, Bogota D.C, 2012. Pp 36-37




OBTENCION DEL CINAMALDEHIDO PRESENTE EN LAS ASTILLAS DE CANELA POR ARRATRE CON VAPOR

Paola Andrea Giraldo (1423309) e-mail: [email protected]
Luisa María Gómez Cabrera (1422756) e-mail: [email protected]
Cristian Dubiany Medina Ramírez (1426716) email: [email protected]

Universidad del Valle, Facultad de Ciencias Naturales y Exactas, Departamento de Química,
Cali- Colombia
Fecha de realización: 02 de septiembre del 2014
Fecha de entrega: 16 de septiembre del 2014

Resumen.

Por ser un método muy efectivo para separar sustancias insolubles o poco solubles en agua y que tengan puntos de ebullición altos, en esta práctica se realizó una destilación por arrastre con vapor de astillas de canela en trocitos para obtener el cinamaldehído presente en éstas. Primeramente, extrajo un destilado lechoso, inestable y oloroso a partir de 4g de canela diluidas en 15mL de agua usando la destilación al vapor como método de extracción con el montaje propio del proceso y a una temperatura de 98°C. Posteriormente, a este destilado se le agregaron 3 porciones de 2mL de hexano, esto con el fin de capturar el cinamaldehído puro y separarlo del agua. Dicha mezcla, destilado-hexano, se decantó y se obtuvieron 5mL de los extractos combinados: cinamaldehido con hexano. Luego se adicionó sulfato de sodio anhidro a los extractos combinados para absorber el exceso de agua presente en la mezcla. Se evaporó el hexano con calentamiento en un baño de arena y finalmente se obtuvo un poco de liquido aceitoso identificado como cinamaldehído por su contextura, olor y color. A este compuesto aromático se le midió el índice de refracción en un refractómetro dando como resultado 1.578 y se comparó dicho valor con el valor real encontrándose un porcentaje de error de -2.59.

Palabras clave: Arrastre con vapor, destilación, cinamaldehido, extractos combinados, índice de refracción,compuestos aromáticos.





Metodología experimental.

Después de realizado el montaje se procedió a reducir 4g de canela en pequeños trozos que se depositaron en el balon de fondo redondo,de 50mL del microdestilador, con 5 piedras de ebullicion. Se agregaron 15mL de agua y se procedió a destilar dicha mezcla. Al pasar el tiempo, se detecta la formación de una espuma al alcanzar 98ºC de temperatura.

Luego de aproximadamente dos horas de someter al calor el microdestilador, se obtuvo una gota de color blanco con olor fuerte a canela. 34 minutos más tarde, se recolectaron 5mL de destilado lechoso en un erlenmeyer de 50mL. Este destilado fue transvasado a un embudo de separación donde se agregaron 2mL de hexano, se agitó la mezcla y se liberaron los gases producidos. Se realizó este mismo proceso 3 veces para extraer el cinamaldehido del agua prensente en éste. Dicha mezcla se decantó para separar los extractos combinados, cinamaldehido y hexano de la solución acuosa por diferencia de densidades. Ademas, a los 5mL de extractos combinados que se obtuvieron se les agregó una pizca de sulfato de sodio anhídrido para absorber el exceso de agua. La solución ya seca contenida en el beaker se calento suavemente en el baño de arena, que ya se había calentado anteriormente, para evaporar el hexano y así obtener finalmente una pequeña gota de cinamaldehido. A este aceite esencial se le mide el índice de refracción, obteniéndose como resultado un valor de 1.578, el cual se compara con el indice de refraccion teórico calculado tambien en el laboratorio.

Los valores se comparan y se calcula el porcentaje de error.

Resultados y discusión.
El objetivo principal de la práctica es extraer de la canela, el aceite esencial que lo conforma, en este caso el cinamaldehido, por medio de la técnica de destilación por arrastre a vapor.
Los aceites esenciales son fracciones liquidas volátiles, generalmente son mezclas complejas y homogéneas de hasta cien compuestos químicos orgánicos como hidrocarburos, terpenos, alcoholes, compuestos carbonílicos, aldehídos aromáticos y fenoles que se encuentran en hojas, cáscaras o semillas de algunas plantas, y son provenientes de la familia química de los terpenoides. Generan diversos aromas agradables y perceptibles al ser humano. Bajo condiciones de temperatura ambiental, son líquidos poco densos pero con mayor viscosidad que el agua.
Sufren degradación química en presencia de la luz solar, del aire, del calor, de ácidos y álcalis fuertes, generando oligómeros de naturaleza indeterminada. Son solubles en los disolventes orgánicos comunes. Casi inmiscibles en disolventes polares asociados (agua, amoniaco). Tienen propiedades de solvencia para los polímeros con anillos aromáticos presentes en su cadena.
La canela (cinnamomum verum), compuesto aromático de la familia de las lauráceas, que además de ser una sabrosa especia que se utiliza para dar sabor una gran cantidad de platos, tanto dulces como salados; posee una gran cantidad de propiedades medicinales. Es la rama de unos arbustos que pueden llegar a medir hasta 15 metros llamados árboles de canelo, los cuales al secarse y sin corteza forman unos tubitos que desprenden un aroma muy agradable: astillas de canela. Se caracteriza por tener formas de ramas secas con tonos rojos, amarillentos o marones, aroma agradable y sabor intenso entre dulce y amargo.
El aroma de la canela es debido a la presencia del aceite aromático esencial que la compone: cinamaldehído o también conocido como aldehído cinámico, acompañado de otras sustancias orgánicas tales como el eugenol y el alcohol cinámico. Otros compuestos como el ácido trans-cinámico, el aldehído hidroxicinámico, el aldehído o-metoxicinámico, acetato cinámico, terpenos (linalol, diterpeno), taninos, mucílago, proantocianidinas oligoméricas y poliméricas, glúcidos y trazas de cumarina.
Para separar o extraer el aceite esencial que se encuentra almacenado en los reservorios del tejido vegetal de la canela, resulta muy útil, económico y simple usar el proceso más conocido como "arrastre con vapor". Esta técnica es uno de los principales procesos utilizados para la obtención de los aceites esenciales, ya que por ser éstos compuestos volátiles que se encuentran mezclados con otros productos no volátiles, son fáciles para arrastrar con vapor de agua. Además, estos aceites son insolubles en agua.
"Cuando una sustancia contiene un componente volátil mezclado con otros compuestos no volátiles se lleva a cabo una vaporización selectiva del compuesto a través de un flujo de vapor que se inyecta al interior de la mezcla, este vapor cede su calor latente a los compuestos de dicha mezcla lo cual causa su vaporización".
Entonces, muchas sustancias con puntos de ebullición muy altos, se purifican mediante una destilación a temperatura que es muchísimo más baja (no mayor de 100°C) en un cierto periodo de tiempo, tiempo al cual el tejido vegetal se rompe para liberar el compuesto deseado. Pero este primer producto aun contiene en su composición otras sustancias que lo hacen inestable e impuro y se conoce como agua floral.
Antes de profundizar en lo que pasa realmente en el proceso, se debe tener claridad sobre algunas leyes y principios tanto químicos como físicos que hacen posible este fenómeno.
La ley de las presiones parciales de Dalton, es la que rige principalmente el fundamento teórico de la práctica. Esta ley establece que la presión total de un sistema compuesto de una mezcla de gases, es igual a la suma de las presiones parciales de cada uno de los gases componentes de la mezcla. Se expresa:
PT=P1+P2+P3+…Pn
Al destilar una mezcla de dos líquidos inmiscibles, su punto de ebullición será la temperatura a la cual la suma de las presiones de vapor es igual a la atmosférica. Esta temperatura será inferior al punto de ebullición del componente más volátil.
De manera general la técnica se describe así: la materia prima vegetal es cargada en un hidrodestilador de manera que forme un lecho fijo compactado y remojado con una determinada porción de agua, la cual con el aumento de la temperatura se evaporará suministrando el calor necesario para que los aceites esenciales volátiles se evaporen a una temperatura menor a la del punto de ebullición característico. Su estado puede ser molido, cortado, entero o la combinación de éstos. Por ser soluble dicho aceite en el vapor circundante, es "arrastrado" corriente arriba, hacia el tope del hidrodestilador. La mezcla vapor saturado-aceite esencial fluye hacia un condensador. En el condensador, la mezcla es condensada y enfriada hasta la temperatura ambiente, obteniéndose una emulsión líquida inestable que posteriormente es separada en un decantador.
El proceso termina cuando el volumen del aceite esencial acumulado en el decantador no varíe con el tiempo. Por último, el aceite es retirado del decantador y almacenado en un recipiente o lugar apropiado.
También para obtener una mayor pureza en el aceite esencial, éste se puede mezclar con otro compuesto talque sean solubles como el hexano para posteriormente calentar esta mezcla y obtener otra vez el aceite.
El montaje requerido para esta práctica es el denominado equipo Clevenger (Günther, 1948) usado en laboratorios y considerado como el más adecuado para la determinación del contenido total del aceite esencial de una planta aromática. Está compuesto de un matraz redondo, donde se deposita la materia prima molida y una cantidad conocida de agua pura. Se le calienta constantemente, el aceite esencial con el agua presente se evaporan continuamente. Un condensador va acoplado al matraz y una conexión entre ellos permite acumular y separar el aceite esencial de la mezcla condensada.

compuesto aromático en trozos y agua.
Plancha de calentamiento.
Matraz redondo.
Condensador.
Salida de agua.
Entrada de agua.
Recipiente recolector.
Gotas del agua floral.
FIGURA 1. Equipo Clevenger para la hidrodestilación.
También en la práctica, se busca determinar el índice de refracción del producto final, obtenido de la microdestilación, el cinamaldehído.
El índice de refracción es la medida que determina la reducción de la velocidad de la luz al propagarse por un medio homogéneo. Dicho de otra manera, es la velocidad de la luz en el vacío, dividida por la velocidad de la luz en el medio.
Entonces:
n=CV
Donde n es el índice de refracción, C es la velocidad de la luz en el vacío y V la velocidad de la luz en el medio.
El éxito de la práctica experimental se conoce al calcular el índice de refracción, pues este valor indica la pureza del compuesto final obtenido.
En este caso, el índice de refracción del cinamaldehído obtenido experimentalmente es de 1.578.
Sabemos que el valor del índice de refracción teorico del cinamaldehído es de 1.62, entonces tenemos un porcentaje de error dado por:
%e= 1.578-1.621.62 ×100
%e= -2.59
Se observa que la diferencia entre los valores de índice de refracción es mínima: 0.042. Por lo tanto, ésta produce un porcentaje de error muy bajo, -2.59.
Dicho error pudo haber sido ocacionado por factores como cantidad del producto, mal manejo humano en la experimentación, presencia de agua en el aceite , es decir, al momento de medirle el índice de refracción al aceite, no había gran cantidad del producto ya que al evaporar el hexano se excedió el tiempo de calentamiento, provocando que disminuyera la cantidad de aceite después de que el hexano había ebullido.
Para llevar a cabo la práctica anteriormente nombrada y descrita, tenemos que:
WAWB= MANAMBNB= MAPAMBPB (1)
La ecuación anterior, constituye la base de la purificación y separación de sustancias por destilación al vapor. Además permite predecir diferentes parámetros que resultarán de este proceso; entre los que se encuentran: saber la cantidad de agua necesaria para realizar el arrastre y conocer la composición del destilado, es decir, en qué relación se encontrarán el solvente y el compuesto orgánico en la destilación.
Se denota la letra A para las cantidades que corresponden al líquido y la B para una sustancia orgánica, las cuales deberán ser inmiscibles entre sí, donde M representa los pesos moleculares, P la presión de vapor, N el número de moles y W los pesos en el vapor. Por lo tanto conociendo las masas y cualquier otra variable de la ecuación se puede conocer la presión, los moles o los pesos en el vapor de cada componente.
En una destilación a vapor a macro escala es utilizada en gran medida en las industrias de perfumería, alimentos, químicas, limpieza, farmacéutica, entre otras, para extraer mayor cantidad de aceites a menores costos de producción y con una eficiencia alta en la calidad de los productos. Con este método, existen varias alternativas de calentamiento, entre las que se encuentra el método directo (hidrodestilación) , la cual es utilizada cuando la planta (raíces, hojas, tallo, ramas, pétalos) están en contacto directo con el agua que se va a calentar hasta su ebullición y la otra en la cual la planta es colocada sobre un rejilla separada del solvente a calentar, para que entre ella se esparza el vapor y no haya un contacto directo con el solvente; todo esto controlado por válvulas, operadas en mayor medida desde los computadores, en donde se utilizan otros componentes como las bombas, condensadores, torre de destilación, tuberías, evaporadores, intercambiadores, entre otras.
FIGURA 2. Esquema del proceso de la destilación por vapor a Macroescala

Principalmente, la destilación realizada en la práctica es tomada como una hidrodestilacion, ya que los componentes principales (agua, compuesto orgánico) estuvieron todo el tiempo en contacto directo, mientras que en el proceso anterior es más recomendable utilizar estos componentes por separado, para que haya una mayor purificación, pureza y concentración en los productos y no se genere tantos costos en el desarrollo de este proceso.
El objetivo principal de la destilación a macro escala es obtener grandes procesos de producción para un buen rendimiento del producto en las industrias, mientras que con la destilación a micro escala, es usada principalmente para la investigación en los laboratorios.
FIGURA 3. Esquema del proceso de la destilación por vapor a Microescala

Dependiendo de qué método de calentamiento se use, se tendrá una variedad de ventajas y desventajas en el proceso. Es así que se puede decir, que en la destilación por arrastre con vapor (el agua y el compuesto están separados), se tiene como ventajas que energéticamente es más eficiente, se tiene un mayor control de la velocidad de destilación, existe la posibilidad de variar la presión del vapor, y el método satisface mejor las operaciones comerciales a escala, al proveer resultados más constantes y reproducibles. Además , es fácil el montaje y operación, bajo costo debido al uso de agua en lugar de solventes, pueden obtenerse dos productos de la extracción; el aceite esencial y el hidrosol, cuya composición dependerá de la solubilidad de los compuestos en agua, y la muestra no se calienta directamente para no quemar la materia prima.
Este proceso tiene como desventajas que pueden ocurrir procesos colaterales como polimerización (moléculas pequeñas con bajo peso molecular se agrupan para formar moléculas de mayor tamaño y peso molecular) y rezonificación de los terpenos; así como hidrólisis de esteres y destrucción térmica de algunos componentes. Además, de que no todos los extractos se pueden obtener por medio de arrastre con vapor, si el producto de interés es de bajo costo, el tiempo de amortización del capital necesario para el montaje a escala industrial puede ser muy largo. La destilación por arrastre con vapor no es una técnica de separación especifica, pues aqui se extrae toda sustancia volátil en el rango de temperatura de operación, esto puede incluir pesticidas o sustancias indeseadas y no sirve para obtener todo tipo de sustancias (por ejemplo resinas).
Si el proceso es directo (hidrodestilación) tiene la ventaja de que es fácil su montaje a comparación de la destilación con arrastre con vapor y fácil manejo de sustancias con tamaño de partícula pequeño, como por ejemplo, pulverizado. El inconveniente que presenta es que la temperatura que se emplea provoca que algunos compuestos presentes en las plantas se degraden, se pierdan o se queman .
A 50 ºC la presión de vapor del agua es de 94 mmHg y la del bromobenceno, en tres casos distintos son: 17 mmHg, 110 mmHg, y 760 mmHg. Para calcular la composición del destilado en el arrastre con vapor se debe.
Conocer los pesos moleculares de las sustancias, las cuales son 18 g para el agua y 157 g para el bromobenceno.
Por lo tanto, aplicando la ecuación (1) se tiene que:

Bromobenceno a 17 mmHg
WAWB= 18gmol ×94 mmHg157gmol ×17 mmHg=A 1692gmol mmHg2669gmol mmHg=B 0.6339 (Composicion del destilado)

Bromobenceno a 110 mmHg
WAWB= 18gmol ×94 mmHg157gmol ×110 mmHg=A1692gmol mmHg17270gmol mmHg=B 0.0979 (Composicion del destilado)
Bromobenceno a 760 mmHg
WAWB= 18gmol ×94 mmHg157gmol ×760 mmHg=A1692gmol mmHg119320gmol mmHg=B 0.0141 (Composicion del destilado)

En donde (A) se observa el peso del agua en el vapor (numerador) y el peso del bromobenceno en el vapor (denominador).
Y la (B) expresa la relación de los pesos de los componentes en el vapor.
La destilación al vapor para separar y purificar sustancias se aplica para separar sustancias insolubles en agua y ligeramente volátiles de otras que no lo son. Es una técnica muy utilizada para aislar productos naturales de sus fuentes de origen. Para que una destilación por arrastre sea exitosa, el componente a aislar debe tener una presión de vapor mayor que la de cualquier otro componente en la mezcla (como material polimérico, sales inorgánicas, etc.).
También se emplea para purificar sustancias contaminadas por grandes cantidades de impurezas resinosas y para separar disolventes de alto punto de ebullición de sólidos que no se arrastran. Por otro lado este proceso es el principal al usarse para la extracción de aceites esenciales, compuestos que son volátiles y por lo tanto arrastrables por vapor de agua.
Para saber en que momento la destilación al vapor sustituye a la destilación al vacio se debe tener en claro conceptos importantes para su análisis, entre los que se encuentra que la destilación al vacio se realiza a menor presión que la atmosferia y la destilación al vapor se lleva a cabo a presión atmosférica, además de que en la primera la temperatura con la que se trabaja es baja, por ejemplo 55 ºC en comparación con la ultima que trabaja con una temeratura cercana a los 100 ºC.
En la destilación al vacío el principio activo está disuelto en el agua y se necesita sacar el exceso de ella, para tener una solución concentrada. En la destilación al vapor, el principio activo se encuentra en una cámara, incorporado a las plantas que lo contienen, El vapor ingresa a ella y "arrastra" el principio activo( aceites esenciales), para luego ser condensados, en el cual el aceite queda encima y el agua debajo.
Este tipo de destilación aprovecha el hecho de que las mezclas de líquidos inmiscibles ebullen a una temperatura más baja que la de cualquiera de sus componentes puros separados, de forma que si usamos agua como uno de los componentes inmiscibles, la mezcla hervirá siempre a menos de 100°C produciendo vapores de los dos componentes con independencia de cuan alto sea el punto de ebullición de la otra sustancia. Como los gases siempre se mezclan en todas proporciones, la mezcla de vapores se puede condensar y con ello obtener una mezcla líquida de los dos componentes que se separarán en fases diferentes dentro del frasco colector. A este proceso se le denomina destilación al vapor.
Salta a la vista que este tipo de destilación es muy útil cuando se quiere destilar una mezcla de una sustancia de alto punto de ebullición si esta se descompone antes de evaporar, y se usa abundantemente en la práctica para separar líquidos de fuentes naturales, o para aislar un producto particular de una reacción que produce una fase terrosa.
Debido a la disminución de la temperatura de ebullición al descender la presión, la destilación al vacío, o también llamada, destilación a presión reducida se usa: Para compuestos con alto punto de ebullición (mas de 200°C) y para aquellos compuestos que se descomponen antes de alcanzar el punto de ebullición a presión atmosférica.
 Otro método para destilar sustancias a temperaturas por debajo de su punto normal de ebullición es evacuar parcialmente el alambique. Por ejemplo, la anilina puede ser destilada a 100 °C extrayendo el 93% del aire del alambique. Este método es tan efectivo como la destilación por vapor, pero más caro. Cuanto mayor es el grado de vacío, menor es la temperatura de destilación. Si la destilación se efectúa en un vacío prácticamente perfecto, el proceso se llama destilación molecular. Este proceso se usa normalmente en la industria para purificar vitaminas y otros productos inestables. Se coloca la sustancia en una placa dentro de un espacio evacuado y se calienta. El condensador es una placa fría, colocada tan cerca de la primera como sea posible. La mayoría del material pasa por el espacio entre las dos placas, y por lo tanto se pierde muy poco.

Conclusiones.
La extracción funciona gracias a que, cuando el vapor entra en contacto con el material vegetal, hace que los compuestos aromáticos, que generalmente poseen un punto de ebullición más bajo que el agua, se vaporicen y sean arrastrados junto con el vapor hasta el condensador, donde se condensan junto con el vapor de agua. También la temperatura del vapor hace que las células y las estructuras vegetales se rompan y liberen más compuestos esenciales.

En este proceso se obtienen en realidad dos productos, uno es el aceite esencial, que es el de nuestro interés, pero la fase acuosa que se condensa también puede contener sustancias de interés.
La destilación al vapor es un buen método de obtención pura, más no es un buen método de rendimiento, ya que, la obtención de cinamaldehído fue muy poca (aproximadamente 1 gota) casi despreciable en comparación con la canela utilizada.
Este es un proceso limpio, seguro y de gran utilidad en los procesos industriales, y es un proceso muy eficaz cuando se tienen materiales con mayores puntos de ebullición que el de el agua.

Referencia.
Eduardo Valarezo; Aceites esenciales, generalidades, extracción característica y uso; Ecuador; Universidad de Loja, pag 10
Hall, M; Witte, J; Maderas del Sur de Chile; 2ª edición; 1998; Editorial Universitaria; Chile. P. 24
Lanfranco, D; et al (editores); Bosque vol.19; 1998; Universidad Austral de Chile; chile. P. 92-95.
Valderrama, J; información tecnológica; 2ª edición; 1997; la serena; Chile. P. 190.
Introducción a la industria de los aceites esenciales de plantas medicinales y aromáticas, SENA, Bogota, 2012. Pág.36, redhttp://repositorio.sena.edu.co/sitios/introduccion_industria_aceites_esenciales_plantas_medicinales_aromaticas/# (12-09-2014)