II Segundo Congreso Internacional De Plantas Medicinales Y Aromáticas Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira Extracción De Aceites Esenciales Experiencia Colombiana. Francisco J. Sánchez Castellanos. Químico. Ing Químico; M.Sc. Dr.Sc. Profesor Procesos Químicos. Departamento de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia . Bogotá D.C. CONTENIDO. 1. 2. 3. 4. 5. Técnicas de extracción de aceites esenciales. Tecnología de extracción por arrastre con vapor. Rendimiento de varias especies en producción industrial. Problemas para la producción industrial de aceites esenciales en Colombia. Perspectivas. 1.Técnicas de Extracción de Aceites Esenciales. Enfleurage. Extracción con solventes. Extracción por prensado. Extracción con fluidos supercríticos. Hidrodestilación. Extracción por arrastre con vapor. 1. Técnicas de Extracción de Aceites Esenciales. Enfleurage. Para esto se utilizan grasas naturales con puntos de ablandamiento alrededor de 40 oC, normalmente manteca de cerdo RBD ( Refinada, Blanqueada, Desodorizada). Se extiende en bandejas ó “ chassis” en profundidad no mayor a 0.5 cm y sobre ella se colocan los pétalos de flores ó el material vegetal, desde donde se van a extraer los principios odoríficos, el contacto puede durar de 3 a 5 días. Luego el material vegetal es removido y reemplazado por material fresco, esta operación se repite buscando la saturación de la grasa. Posteriormente la grasa impregnada del principio activo, “ le pomade”, se lava con alcohol libre de congéneres ( alcohol de perfumería), relación 1/1 dos veces consecutivas. El alcohol se filtra y se destila a vacío ( 21 in Hg, T 30 ºC) hasta recuperar un 80 % del volumen de alcohol, como mínimo, en el fondo queda un residuo llamado “ absolute”. Extracción con solventes. El material previamente debe de ser molido, macerado ó picado, para permitir mayor área de contacto entre el sólido y el solvente. El proceso ha de buscar que el sólido, ó el líquido , ó ambos, estén en movimiento continuo ( agitación), para lograr mejor eficiencia en la operación. Se realiza preferiblemente a temperatura y presión ambientes. El proceso puede ejecutarse por batch ( por lotes ó cochadas) ó en forma continua ( percolación , lixiviación, extracción tipo soxhlet). Los solventes más empleados son: Etanol, metanol, isopropanol, hexano, ciclohexano, tolueno, xileno, ligroína, éter etílico, éter isopropílico, acetato de etilo, acetona, cloroformo; no se usan clorados ni benceno por su peligrosidad a la salud. Los solventes se recuperan por destilación y pueden ser reutilizados. El solvente adicionalmente extrae otros componentes como colorantes, gomas, mucílagos, ceras, grasas, proteínas, Octubre 19, 20 y 21 de 2006 II Segundo Congreso Internacional De Plantas Medicinales Y Aromáticas Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira carbohidratos. En la etapa de recuperación de los solventes ( atmosférica ó al vacío), después de los condensadores ha de disponerse de una unidad de enfriamiento, para la menor pérdida del solvente. El material residual en la marmita de destilación, contiene concentrados las materias odoríficas y se le conoce como “ concrete”. En caso de emplear glicoles, aceites vegetales, aceites minerales, como solventes extractores, los componentes odoríficos son imposibles de recuperara desde allí y el producto se comercializa como un todo, conocido como “extractos”. Extracción por prensado. También se le conoce como “expresión ” . El material vegetal es sometido a presión, bien sea en prensas tipo batch ó en forma continua, dentro de éstos se tienen los equipos: Tornillo sin fin de alta ó de baja presión, extractor expeller, extractor centrífugo, extractor decanter y rodillos de prensa. Para los cítricos antiguamente se empleó el método manual de la esponja, especialmente en Italia, que consiste en exprimir manualmente las cáscaras con una esponja hasta que se empapa de aceite, se exprime entonces la esponja y se libera el aceite esencial. Otros métodos corresponden a raspado, como el del estilete ó “ ecuelle”, donde la fruta se pone a girar en un torno y con un estilete se raspa la corteza únicamente; permanentemente cae un rocío de agua que arrastra los detritos y el aceite liberado. Otro proceso emplea una máquina de abrasión similar a una peladora de papas, la “ pellatrice” y también hace uso del rocío de agua. En estos procesos la mezcla detritos-agua-aceite se centrifuga a 5000 rpm durante 40 minutos y el aceite esencial recuperado se coloca en una nevera a 3ºC durante 4 horas, para solidificar gomas y ceras que se localizan en la superficie. El aceite esencial se guarda en recipientes oscuros a 12 ºC. Los aceites obtenidos por prensado y/o raspado, se les comercializa como “expresión en frío” y cumplen la funciones de odorizantes ( smell oils) y saborizantes ( taste oils). Extracción con fluidos supercríticos. Punto crítico corresponde a las condiciones de temperatura y presión, para un gas ó un vapor, por encima de las cuales la sustancia ya no puede ser “licuada” por incremento de presión. Adicionalmente las propiedades de la fase líquida y/o vapor son las mismas, es decir no hay diferenciación visible ni medible entre gas y liquido. Se habla así de Pc, Tc, Vc, Dc. La sustancia mas empleada es el CO2, que en estas condiciones presenta baja viscosidad , baja tensión superficial, alto coeficiente de difusión ( 10 veces más que un líquido normal), que conlleva a un alto contacto con la superficie del material y puede penetrar a pequeños poros y rendijas del mismo lo que asegura una buena eficiencia en la extracción en un corto tiempo. En la parte final del proceso hay una remoción total del solvente y se realiza a una temperatura baja, se disminuye la pérdida de sustancias volátiles y se evita la formación de sabores y olores extraños “ a cocido” ; también presenta un ? Hev y un Cp bajos, lo que disminuye notoriamente el consumo de energía del proceso, en intensidad y en tiempo. El CO2 no es tóxico, ni explosivo, ni incendiario, es bacteriostático y es clasificado por la FDA como GRAS ( Generally Recognized As Safe). La temperatura y presión críticas para el CO2 son Pc 73 bar y Tc 31ºC. La inversión inicial para estos procesos es alta, aún para equipos en pequeña escala, debido a la tecnología involucrada, a los costos de materiales y de construcción. Equipo de 5 litros aprox $ US 80.000. Los equipos se construyen en acero inoxidable tipo 316, deben soportar altas presiones en su operación y deben de ofrecer un manejo seguro. Por efecto mismo de la escala, para equipos más grandes, mayor debe de ser la capacidad de la bomba de compresión; mayor el espesor de las paredes , de las bridas en los mismos , de los cierres y sellamientos muy herméticos. Puede tenerse la siguiente solubilidad en CO2 supercrítico: Solubles: Hidrocarburos, éteres, ésteres, cetonas, lactosas, alcoholes, aldehidos, mono y sesquiterpenos. Octubre 19, 20 y 21 de 2006 II Segundo Congreso Internacional De Plantas Medicinales Y Aromáticas Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira Ligeramente solubles: Grasas, resinas, esteroides, alcaloides, carotenos. oligómeros. Insolubles: Azúcares, glicósidos, aminoácidos, plásticos, proteínas, polisacáridos. Se puede trabajar con CO2 de alta ó de baja densidad: ( 1 bar ˜ 1 atm ) Baja densidad P 90 bar; T 30ºC. Alta densidad P 150 bar; T 50ºC. En el diagrama P- T , puede verse la operación del equipo. Después de la extracción el CO2 debe de ser enfriado por debajo de 5ºC, para que la bomba pueda tomarlo liquido y bombearlo. Octubre 19, 20 y 21 de 2006 II Segundo Congreso Internacional De Plantas Medicinales Y Aromáticas Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira Hidrodestilación. En este proceso en la parte inferior del tanque extractor, el cual es normalmente basculante, se coloca agua, luego viene encima una parrilla que soporta el material que va a ser extraído. La salida de vapores, puede ser lateral al tanque o ubicarse en la tapa, pasa a un serpentín ó espiral enfriado por agua y posteriormente el vapor condensado y el aceite esencial se recolectan en un separador de fases ó florentino, el cual debe de tener la suficiente altura y diámetro para evitar la pérdida de aceite y además permita la recolección fácil del mismo. El tanque extractor es calentado con fuego directo en su parte inferior ( el fondo y hasta 1/3 de la parte inferior del tanque se construye en alfajor de 1/8 in, material que resiste bien el calor y la oxidación) , el vapor producido allí causa el arrastre del aceite esencial. Cuando se emplea hidrodestilación no se requiere de un calderín generador de vapor. Estos sistemas son muy utilizados en el campo, son fáciles de instalar , se pueden llevar de un sitio a otro, “ transhumantes”, son baratos, seguros , fáciles de operar y presentan un consumo energético bajo. Los aceites producidos son más coloreados, que los obtenidos por arrastre con vapor propiamente dicho, y tienden a presentar un cierto olor a quemado: Eucalipto, citronella, limonaria. Por lo anterior estos aceites siempre van a requerir una etapa posterior de refinación. 1. Extracción por arrastre con vapor. Fundamento. Por efecto de la temperatura del vapor ( 100 ºC) en un cierto tiempo, el tejido vegetal se rompe liberando el aceite esencial, el cual presenta a estas condiciones una presión de vapor: PT = Pv + Pa. La fracción de aceite esencial en la mezcla de vapor será : Ya = Pa / PT Adicionalmente el aceite esencial debe de ser insoluble en agua, ya que después del condensador, en el separador ( Florentino) debe de formarse dos fases: una de aceite esencial y otra de agua. Si el aceite esencial presenta componentes solubles en agua estos quedarán en la fase acuosa que puede comercializarse como tal: agua de rosas, agua de jasmín, agua de ylang-ylang. Planta de Extracción. Diagrama Octubre 19, 20 y 21 de 2006 II Segundo Congreso Internacional De Plantas Medicinales Y Aromáticas Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira Equipos.( Diagramas) Hervidor ó Generador de vapor. Es construido en colled-rolled de 1/8 ó 1/4 in, de 400 litros. Parte superior e inferior abombadas. Esta dotado de un nivel lateral tipo caldera de 1/2 in, con ductos superiores de entrada de agua, válvula de desfogue, válvula de seguridad de 20 psi y salida de vapor en 1 in, manómetro de 30 psi, en la parte inferior tiene un ducto de 1 in para drenaje diario de residual de fondos. Una vez construido se le realiza prueba hidrostática de 20 horas con 150 psi sostenidas. El hervidor se encuentra dentro de un hogar donde recibe los humos desde la parrilla que lo envuelven por la parte inferior y toda el área lateral. Este hogar se construye en ladrillo recocido, reforzado con varilla de 1/4 en anillos separados cada 30 centímetros de altura , con 4 soportes dobles verticales . Todo este conjunto se pega, se recubre interior y exteriormente con un mortero refractario (en partes: cemento 3, arena 3, caolín 3, 1 litro de silicato de sodio, agua para lograr la contextura apropiada) Este mortero debe de preparase y aplicarse prontamente ya que fragua muy rápido. El hogar tiene de largo 120 centímetros, ancho 40 cm y alto 50 cm de estos los primeros 20 cm son para entrada de Octubre 19, 20 y 21 de 2006 II Segundo Congreso Internacional De Plantas Medicinales Y Aromáticas Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira aire y 40 con de cámara de combustión. Estas cámaras están separadas por la parrilla que se construye en hierro de fundición. Tanque extractor. Se construye en lámina colled rolled calibre 12, tiene una capacidad de 1800 litros, H/D 1.3, puede procesar de 350 a 450 kilos de material vegetal. Por la parte inferior se inyecta el vapor, que es distribuido por una flauta de vapor dispuesta en cruz , a 10 cm del fondo se encuentra una parrilla construida en varilla de 1/2 in. para soportar el material vegetal. El tanque se recubre con lana de vidrio de 1 in, y luego con tela poliéster. La tapa se fija al cuerpo del tanque con tornillos volcables de 1/2 in. El tanque es pivotante ( volcable), y se fija a los soportes por varillas pasadores Condensador. Esta construido en tubo de 1 ½ in. de acero inoxidable calibre 20, los primeros 3 metros llevan anillos aleteados para inducir la condensación primaria , luego 16 metros del mismo tipo de tubo, inmersos en un canal de agua de enfriamiento. Separador.( Florentino), se construye en polietileno, normalmente tiene una capacidad de 20 litros. Por la parte e inferior fluye el agua condensada .dejando flotante en la parte superior el aceite esencial, que se recolecta finalmente en recipientes de vidrio ó de polietileno. Factores que influyen en la extracción. Tiempo de secado del material .El eucalipto puede durar hasta 4 meses. La limonaria , la albahaca, la menta, la citronella si quedan en arrumes, generan hongos, los que transfieren un olor terroso mohoso al aceite, debido a la formación de ácidos grasos; por esto si el material no se procesa pronto ( 3 dias) se dispone en literas para su oreo. Tiempo de extracción. Pasado un tiempo ya no sale más aceite y el vapor posterior causa el arrastre por solubilidad ó emulsión del aceite, presentando una disminución en el rendimiento.( arrastre desde el florentino ). Presión del vapor. Si la presión del vapor de arrastre es muy alta ( máximo 6 psi), se presenta hidrólisis en el aceite disminuyendo su calidad y su rendimiento. Material del tanque. Preferiblemente debe de ser en acero inoxidable tipo 304. Condensación interior. Se evita realizando una purga previa a los 30 minutos de iniciado el proceso y además, manteniendo el tanque bien aislado. Factor de empaquetamiento. Si el material queda muy suelto, el proceso termina muy pronto, presentando un alto consumo energético; si queda muy apretado, el vapor se acanala disminuyendo el rendimiento del aceite, debe de estar entre el 0.15 a 0.25 % ( el peso de un hombre es suficiente.) Distribución interior del vapor. Se logra colocando en le fondo del tanque, una flauta de distribución en cruz, para el vapor. Eficiencia del condensador. Puede presentarse pérdidas si sale tibio (10 %). Tiempo de residencia en el florentino. Sobretodo si el diámetro es muy pequeño se produce arrastre del aceite. Envasado. Los aceites se envasan secos sin agua , en recipientes de vidrio, aluminio. Acero inoxidable, policarbonato, PET, PVC, polietileno , nylon. No usar poliestireno, hierro, cobre. ). Manejo del agua El agua del condensador, debe de reciclarse a una torres de enfriamiento por medio de bomba ó un ariete manual..El agua del proceso puede realimentarse al hervidor ( cohobación). Material exhausto. El residuo se usa como compost, abonos, es celulosa hidrolizada. A los 5 meses como pilas, ya esta lista para abono. Combustible. En el caso del eucalipto, petit grain, romero, las ramas sirven de combustible y la ceniza remanente se emplea para abono de la misma plantación . En el caso de hiervas como menta, limonaria, albahaca, se usa carbón . Octubre 19, 20 y 21 de 2006 II Segundo Congreso Internacional De Plantas Medicinales Y Aromáticas Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira 1. Rendimiento de varias especies en producción industrial. Se expresa rendimiento volumen ( L) / 100 (Kg). Albacón 0.014 Albahaca 0.03 Eucalipto citriodora 0.5 Eucalipto globulus 0.9 Eucalipto Davis ( costeño) 0.6 Menta piperita 0.2 Manzanilla 0.01 Ajo 0.012 Menta Pulegium(poleo) 0.15 Menta Arvensis 0.4 Menta spicata (crispa, hierbabuena) 0.15 Romero 0.62 Tomillo 0.20 Limonaria 0.35 Citronella 0.64 Cilantro ( pepas) 0.2 Clavo 8.5 Canela 0.3 Petit grain ( limón) 0.55 Vetiver 0.07 Laurel 0.022 Naranja 0.6 Mandarina 0.52 Limón 0.42 Rendimiento del proceso; tomando como base el eucalipto: Volumen Tiempo por Peso por Aceite Tanque cochada cochada producido M3 horas Kilos Litros 3.5 2.0 0.6 2. 7.0 4.5 2.8 700 400 120 6.3 3.6 1.1 Producción diaria (10 hr) Litros 6.3 7.2 3.3 Problemas para la industrialización de aceites esenciales en Colombia. Cultivos. No se hacen cultivos comerciales grandes, porque no existe la compra asegurada del material Comercialización de material verde tipo exportación. prefieren botar los excedentes. Comercialización de material verde tipo plaza suben y bajan los precios descomunalmente, de acuerdo a la oferta del camión recogedor para venta de plaza. Desenfoque total de precios del aceite. ( basados en precios de Internet por onzas). Adicionalmente las multinacionales, prefieren importar desde sus casas matrices a precios altos, a pesar de que los precios y calidades ofrecidos por los productores nacionales sean buenos. Carencia de canales directos de comercialización internacional. Comerciantes suben el precio 30 , 60 % ó más y lo hacen incompetente, ó pagan precios ínfimos al productor que lo hacen insostenible. Tecnologías de refinación. los aceites crudos son poco estables y difíciles de comercializar. Situación sociopolítica Extorsiones, desplazamientos de campesinos, vacunas. 5. Perspectivas. Se dispone de sol, lluvias , buenos suelos, climas diferentes. Muchas de las especies aromáticas ya están adaptadas a nuestros climas. (Excepto clavo, vainilla, canela, alcanfor, lavanda hierbabuena, sándalo). El campesino ya tiene experiencia en la reproducción y el cultivo de especies aromáticas. Hay constructores nacionales de equipos de extracción y de refinación de aceites esenciales. Existen técnicas analíticas estandarizadas para aceites esenciales. Empresas ya tienen tecnología en la refinación ( asegura precios y mercados estables, confiere mayor valor Octubre 19, 20 y 21 de 2006 II Segundo Congreso Internacional De Plantas Medicinales Y Aromáticas Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira agregado, calidad uniforme y estandarizada, competitividad por volúmenes ofertados). Cada vez más existen empresas nacionales ( de alimentos, cosméticos, medicina naturista, artículos de aseo, aromaterapia, farmacéutica, química), que compran localmente. Alianzas estratégicas entre productores y refinadores. Existe capacidad de inversión y de trabajo. Octubre 19, 20 y 21 de 2006
