Extracción de Cafeína a partir de Café venezolano

Presentación del tema: "Extracción de Cafeína a partir de Café venezolano"— Transcripción de la presentación:

1 Extracción de Cafeína a partir de Café venezolano
utilizando el proceso de Extracción por: Microondas (EM) y Ultrasonido (EU) TRABAJO ESPECIAL DE GRADO Presentado por: Br. Aura Daniela Carballo Romero Tutora: Prof. Alejandra Meza Asesor: Prof. Francisco Yánez

2 Fundamentos de la investigación
Metodología Presentación y Análisis de Resultados Conclusiones y Recomendaciones

3 Amplios cultivos de café en el país
Interés comercial de la cafeína Gran consumo mundial de café descafeinado Tecnologías de extracción actuales deficientes Nuevas tecnologías con grandes ahorros

4 Estudiar el proceso de extracción de la cafeína de café utilizando Extracción por Microondas (EM) y, Extracción por Ultrasonido (EU).

5 Determinar las condiciones iniciales de materia prima.
Determinar la influencia en el proceso: EM El solvente La potencia Tiempo de extracción Tamaño de grano EU El solvente La temperatura Tiempo de extracción Tamaño de grano Comparar el rendimiento y composición de cafeína obtenida en EM y EU. Comparar los resultados obtenidos en técnicas de extracción de cafeína a partir del café reportadas bibliografía.

6 Fundamentos de la investigación
Metodología Presentación y Análisis de Resultados Conclusiones y Recomendaciones

7 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA EVALUACIÓN PRELIMINAR Materia Prima - Solvente
MARCO TEÓRICO REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA CARACTERIZAR Materia Prima EVALUACIÓN PRELIMINAR PREPARAR Materia Prima - Solvente EXTRACCIÓN MICROONDAS EXTRACCIÓN ULTRASONIDOS

8 Técnicas de análisis Químico
Identificar y determinar los grupos funcionales de una muestra Vibración, rotación de la molécula en determinadas frecuencias Espectroscopía Infrarroja Identificar y determinar la composición de una muestra Fase móvil es líquida HPLC

9 Fundamentos de la investigación
Metodología Presentación y Análisis de Resultados Conclusiones y Recomendaciones

10 CARACTERÍSTICAS DE LA MATERIA PRIMA
ESPECIFICACIÓN Condición de la materia prima Semillas de Café Género y Variedad de la materia prima Coffea-Arábica Procesamiento final de la materia prima Tostado-Triturado Color Marrón oscuro Olor Fuerte-Agradable Contenido de cafeína (%p/p) 1,5 Tamaño de Grano (mm) 3

11 Posibles compuestos presentes en los extractos

12 Concentración de Cafeína (mg/L) (±29,93)
EM: Influencia solvente RENDIMIENTO Y COMPOSICIÓN Solvente Tiempo (s) R(%) p/p Agua 20 1,79 Metanol 15 3,14 i-Propanol 10 2,13 Acetato de etilo 17,55 Ciclohexano 0,20 Concentración de Cafeína (mg/L) (±29,93) No se pudo obtener 1445,08 592,91 428,69 136,02

13 ESPECTROS INFRARROJOS
EXTRACCIÓN MICROONDAS INFLUENCIA SOLVENTE ESPECTROS INFRARROJOS

14 Concentración de Cafeína (mg/L)
EM: Determinación mejores condiciones de operación R(%) p/p Potencia Aplicada (%) 10 17,42 40 17,28 60 17,47 80 17,70 100 17,55 Concentración de Cafeína (mg/L) Error Típico 235,78 (±29,94) 460,24 281,22 633,94 428,69 Tiempo (s) 15 17,39 20 17,70 25 17,23 633,94 (±41,39) 608,74 554,23 Tamaño de Grano Entero 17,36 Triturado 17,57 Molido 17,84 286,30 (±19,80) 903,94 1535,96

15 EU: Influencia solvente
RENDIMIENTO Y COMPOSICIÓN Solvente R(%) Agua 2,17 Metanol 4,26 i-Propanol Acetato de etilo 17,56 Ciclohexano 0,31 Concentración de Cafeína (mg/L) (±29,935) No se pudo obtener 1908,81 805.99 1325,08 147,09

16 ESPECTROS INFRARROJOS
EXTRACCIÓN ULTRASONIDOS INFLUENCIA SOLVENTE

17 EXTRACCIÓN ULTRASONIDOS Concentración de Cafeína (mg/L)
EU: Determinación mejores condiciones de operación EXTRACCIÓN ULTRASONIDOS R(%) p/p Temperatura (ºC) Ambiente 17,56 40 17,85 60 17,92 Concentración de Cafeína (mg/L) Error Típico 1325,08 (±29,94) 1560,00 1617,98 Tiempo (min) 25 17,51 35 17,60 45 17,92 1497,77 (±57,04) 1651,10 1920,37 Tamaño de Grano Entero 17,48 Triturado 17,75 Molido 17,80 1011,73 (±19,80) 1641,04 2691,10

18 Comparación EM y EU: Rendimiento y Concentración
MÉTODO CONDICIONES R(%) p/p CCafeína (mg/L) (±19,80) Extracción Microondas Acetato de etilo 80% 20 segundos Grano molido 17,55 1535,96 Extracción Ultrasonidos 60ºC 45 minutos 17,80 2691,10

19 Posibles Compuestos presentes
Comparación EM y EU con técnicas reportadas en la bilbiografía para extracción de cafeína del café Método de Extracción Autor, Año Solvente Tiempo Tamaño de Grano Temp. (ºC) Otras Condiciones R(%) p/p Posibles Compuestos presentes Extracción Microondas (EM) Carballo, 2008 Acetato de etilo 20 s Molido No se estudió 80% de potencia 17,55 Cafeína y Ácidos Grasos Extracción Ultrasonidos (EU) 45 min 60 60ºC 17,56 Extracción Supercrítica (ESC) González, 2007 Dióxido de carbono 90 min Triturado 80 1800 psig 1,40 Extracción Convencional (EC) Domínguez y Santan 2008 24 horas 105 Presión Atmosférica 26,22 Extracción Superctítica (ESC) Domínguez y Santana, 2008 120 min 70 2500 psig 12,17

20 Para lograr obtener un extracto de las semillas del café en las condiciones óptimas de EM y EU se requiere la trituración del grano y humedecerlo con agua hasta lograr un 11% de humedad. El rendimiento en EM fue 17,55%p/p, el cual se mantuvo aproximadamente en el mismo valor independientemente del parámetro evaluado. Los espectros infrarrojos demuestran que el metanol, isopropanol y acetato de etilo son selectivos hacia la cafeína y los ácidos grasos de las semillas del café, mientras que el ciclohexano es selectivo sólo a los ácidos grasos.

21 Se logró la extracción de cafeína con todos los solventes aplicados, sin embargo, el metanol pudo extraer mayor cantidad de cafeína de la muestra de café (1445,08mg/L), mientras que la menor cantidad de cafeína fue extraída por el ciclohexano (136,02mg/L). No hubo diferencia significativa en la concentración de cafeína obtenida variando los tiempos de extracción por microondas dentro de los rangos establecidos (aprox. 542, 72 mg/L). Las mejores condiciones obtenidas para el proceso EM fueron las siguientes: Acetato de etilo como solvente, el horno microondas a 80% de potencia durante 20 segundos con un tamaño de grano molido.

22 El rendimiento en EU fue 17,56%p/p, el cual se mantuvo aproximadamente en el mismo valor independientemente del parámetro evaluado. En la EU, a mayor temperatura en el medio de extracción (dentro del rango establecido) se obtiene mayor concentración de cafeína en el extracto. Se obtuvo mayor concentración de cafeína al aumentar el tiempo de extracción por EU. Las mejores condiciones obtenidas para el proceso EU fueron las siguientes: Acetato de etilo a 60ºC, durante 45 minutos con un tamaño de grano molido. La EM y la EU son semejantes en selectividad con respecto a los compuestos extraídos y el rendimiento en peso de los extractos, pero presentan diferencias en la concentración de cafeína.

23 La EU permite obtener mayor rendimiento y concentración de cafeína en el extracto, pero requiere mayor tiempo de extracción que EM. La EM requiere de menor tiempo para llevar a cabo los procesos de extracción con respecto a la ESC, EU y la EC. Las ESC y EC consumen mayor cantidad de energía para alcanzar las condiciones óptimas de extracción que la EM y la EU. Las técnicas EM y EU obtienen rendimientos comparables con la técnica de ESC, y mayor que en EC. Las extracciones: supercrítica, convencional, microondas y ultrasonidos, posiblemente extraen los mismos compuestos de las semillas del café.

24 Asegurar la disposición de cantidad de materia prima a utilizar durante la realización de los procesos de extracción. Realizar un estudio sobre la influencia de la relación entre el solvente y la materia prima, para determinar cual es la óptima relación en el proceso de extracción sujeto a estudio. Hacer un estudio de la influencia del grado de humedad del grano de café sobre el rendimiento del proceso para observar cual es la máxima humedad que permite la mayor obtención de cafeína.

25 Utilizar un medidor de temperatura instantánea mediante un termómetro infrarrojo para la obtención precisa de la temperatura a la que llega la muestra en un tiempo determinado de exposición microondas, mientras el recipiente de la muestra se encuentre dentro del equipo. Utilizar un baño de ultrasonidos con entrada y salida de agua, y capacidad para calentar el medio, así como con una mayor capacidad para vasos de precipitado, para optimizar el tiempo empleado en el proceso de extracción.

26 Aura D. Carballo R. Noviembre, 2008
¿PREGUNTAS? Aura D. Carballo R. Noviembre, 2008

27 Café: Principales componentes
(%) Proteína 9 Ácido Acético 0,25 Polisacáridos insolubles en agua 24 Ácidos no volátiles 0,4 Polisacáridos solubles en agua 6 Ácidos clorogénicos 3,7 Sacarosa 0,2 Cafeína 1,2 Glucosa, Fructosa, Arabinosa 0,1 Trigonelina Lípidos 13 Ácido Nicotínico 0,02 Ácido Fórmico Sustancias aromáticas volatiles Minerales (Cenizas) 4

28 Gaseosas y energéticas
Cafeína: Alcaloides y aplicaciones Bebidas Cafeína (mg) Derivadas del café 4-80 Achocolatadas 5-35 Gaseosas y energéticas 38-80 Aminas N-C Alquenos C=C Grupos Carboxílicos C=O

29 EVALUACIÓN PRELIMINAR Materia Prima - Solvente
Porcentaje de humedad inicial Determinar el tiempo para humedecer los granos Propiedades organolépticas Trituración del café Relación solvente-materia prima 2:1 CARACTERIZAR Materia Prima ti EVALUACIÓN PRELIMINAR PREPARAR Materia Prima - Solvente

30 Extracción por Microondas
Magnetrón Microondas Aislante Guía de onda Aspa de dispersión reflejadas Recipiente Cavidad del microonda Tipo de extracción que usa radiaciones microondas para generar el aumento de la temperatura y la presión dentro de un material, causando un rompimiento de su pared celular, dando paso al solvente y disolver al compuesto de interés.

31 EXTRACCIÓN MICROONDAS
Fijo: 100% de potencia y tiempo Varía solvente: Agua: 20s Metanol: 15s I-propanol: 10s Ciclohexano: 20s Acetato de etilo: 15s Determinación de: T(ºC)5s, 10s, 15s, 20s Variando los solventes: Agua, Metanol, I-propanol, Ciclohexano y Acetato de etilo Fijo: Acetato de etilo, 80% Varia tiempo: 15, 20 y 25 s Fijo: Acetato de etilo, 80% , 20 s Varia tamaño de grano: entero, triturado y molido Fijo: Acetato de etilo, 15 s Varia potencia: 10, 40, 60, 80 y 100% Det. el rango de tiempo p/c ste R(%)p/p IR HPLC Fijo: potencia, tiempo, variar ste (x3) EXTRACCIÓN MICROONDAS Fijo: ste, tiempo, variar potencia (x3) Fijo: ste, potencia, variar tiempo R(%)p/p y HPLC Fijo: ste, potencia, tiempo, variar tamaño de grano

32 Cambio tamaño de burbujas
Extracción por Ultrasonido Tipo de extracción no tradicional que utiliza sonidos de alta frecuencia para la creación, expansión y destrucción de pequeñas burbujas cerca de las paredes celulares de la materia prima, obligando al solvente a adentrarse dentro de la célula y disolver el compuesto de interés. Presión Sonora Ondas de Compresión Cambio tamaño de burbujas

33 EXTRACCIÓN ULTRASONIDOS
R(%)p/p IR y HPLC Det. rango de tiempo . Fijo: T amb, tiempo, variar ste (x3) HPLC y R(%)p/p EXTRACCIÓN ULTRASONIDOS Fijo: ste, tiempo, variar temperatura (x3) Fijo: ste, Tamb , variar tiempo Fijo: ste, tiempo, temperatura, variar tamaño de grano Fijo: Tamb y 35 min Varía solvente: Agua, Metanol, I-propanol, Ciclohexano, Acetato de etilo Fijo: Acetato de etilo, 45 min, 60ºC , Varia tamaño de grano: entero, triturado y molido Fijo: Acetato de etilo, 15 min, 60ºC Varia tiempo: 25, 35 y 45 min Rango de Tiempo EU [25-45]min Tiempo inicial: 35 min Fijo: Acetato de etilo, 35min Varia T(ºC): 25(Tamb), 40 , y 60

34 EM: Calentamiento por pérdidas dieléctricas
Algunas propiedades

35 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO
PREPARACIÓN DE LA MUESTRA Una (1) Balanza marca OHAUS Adventurer, cap máx. 200g. Una (1) bandeja Estufa Un (1) mortero EXTRACCIÓN MICROONDAS Un (1) horno microondas marca SHARP Un (1) termómetro de mercurio rango (0-100) ºC

36 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO: Extracción por Ultrasonidos
Un (1) ultrasonidos marca BRANSON Un baño térmico rango (-10 ºC-100ºC) Manguera plástica con diámetro 2cm Un (1) termómetro de mercurio rango (0-100) ºC

37 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO: Análisis Químico
HP modelo 1100, detector UV.visible, empleando una solución eluyente de 70% metanol- 30% agua, en una columna C-18 Espectrómetro Nicolet 380 FT-IR, y cristales de Seleniuro de Zinc.

38 Preparación de la materia prima
DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD INICIAL Se pesaron 16 gramos de café. Se introdujo el café en la estufa durante 24 horas a 100ºC, al igual que el resto del café en una bandeja aparte. Se retiró el café de la estufa y se le determinó la humedad inicial. DETERMINACIÓN DEL TIEMPO PARA ALCANZAR LA HUMECTACIÓN DESEADA Se tomó una muestra de café seco y se pesó. Se pusieron en contacto con suficiente agua durante 10 minutos. Se secaron los granos de café con toallas absorbentes. Se pesaron nuevamente, se les determinó el porcentaje de adsorción de agua. Se repitieron los pasos anteriores variando el tiempo hasta alcanzar el valor de adsorción recomendado por González (2007) en su TEG.

39 Preparación de la muestra
Se trituró el café humectado con un mortero. Se separaron los tamaños de grano usando un tamiz de 1mm. Se fijó la cantidad de materia prima a emplear(15g café), relación materia prima:solvente igual a 1:2. Se introdujo la materia prima y el ste en un beaker de 200 ml.

40 DETERMINACIÓN DEL TIEMPO INICIAL EXTRACCIÓN POR MICROONDAS
Procedimiento experimental para EM DETERMINACIÓN DEL TIEMPO INICIAL Se colocó el vaso de precipitado dentro del microondas. Se fijó el tiempo de extracción (100% potencia) . Se midió la temperatura alcanzada. Se repitieron los pasos anteriores variando el tiempo. EXTRACCIÓN POR MICROONDAS Se colocó el vaso de precipitado dentro del microondas. Se fijó el tiempo de extracción. Se fijó la potencia. Reposo durante 5 min al finalizar el tiempo. Filtración mediante papel de filtro.

41 Procedimiento experimental para EU
Se fijaron las condiciones inicales de extracción. Se llenó el baño de ultrasonidos con agua T amb. Se introdujo el beaker dentro del baño. El baño de ultrasonidos se conectó al tomacorriente y se presionó el botón para encenderlo. Se mantuvo en funcionamiento durante el tiempo fijado. Al finalizar el tiempo de extracción, el contenido del vaso de precipitado se dejó reposar 5 minutos. Luego de transcurrido los 5 minutos, se trasvasó el contenido del vaso de precipitado al embudo con papel de filtro para separar la fase sólida de la líquida. Se envasó la fase líquida en el recipiente.

42 Se realizaron análisis de espectroscopía Infrarroja y (HPLC)
Usando como criterio la diferencia de densidades entre el extracto y el solvente puro, se le determinó el rendimiento a cada extracto obtenido mediante: De las tres repeticiones, se escogieron la que presentaron para cada solvente un rendimiento próximo al rendimiento promedio. Se realizaron análisis de espectroscopía Infrarroja y (HPLC)

43 ESPECTROS INFRARROJOS
COMPARACIONES EXTRACCIONES MICROONDAS Y ULTRASONIDOS ESPECTROS INFRARROJOS

44 Comparación entre las dos técnicas
Influencia del Solvente: Rendimiento y Concentración Solvente R EM (%) p/p R EU C Cafeína EM (mg/L) (±29,935) CCafeína EU (mg/L) (±29,935) Agua 1,79 2,17 No se pudo obtener Metanol 3,14 4,26 1145,08 1908,81 i-Propanol 2,13 592,91 805,99 Ciclohexano 0,20 0,31 136,02 147,09 Acetato de etilo 17,55 17,56 428,69 1325,08

45 Características de la materia prima
Posibles compuestos presentes en los extractos EXTRACCIÓN MICROONDAS EXTRACCIÓN ULTRASONIDOS Comparación EM y EU Comparación EM y EU con técnicas de extracción empleadas para la extracción de cafeína reportadas en la bibliografía

46 Café: Definición y Especies
Arábica Canephora Robusta Libérica

47 Extracción: Definición y Etapas
Operación unitaria donde el componente de un alimento se separa por contacto con un disolvente afín a él, mientras que el resto de los componentes permanecen en el alimento. Mezcla de la materia prima con el solvente Separación de las dos fases luego del contacto Eliminación del extracto del disolvente OCURRE Difusión del compuesto de interés Velocidad, Solubilidad y, Equilibrio de la concentración

48 Antecedentes EM EU 2001 2004 2007 1991 1997 2000 2001 2006 Grasa de:
carne, huevos y lácteos (PARE) Stes: eter de petróleo, hexano, t: s. Rendimiento: 35% vs 33%con soxhlet EU Extracciones de aceites y esencias a partir de materia animal y vegetal Grasas de cacao (ELKHORI, PARE) stes: hexano, acetona, i-propanol, t: 2 min Rendimiento: 44% 2001 2004 Limonoids a partir de AZRL (DAI) Stes: metanol, diclorometano y eter de petróleo t: 10 s Mejor ste: metanol 2007 Extractos de aceites, proteinas a partir de plantas y animales antioxidantes de Rosmarinus officinalis (ALBU, et al) Stes:butano, etilacetato y etanol T:50ºC, t:15 min Capsaicinoides de pimientos (BARBECO) Stes:metanol, etanol, agua T:10-60ºC, t:2-25min

49 Recolección de muestra