MATERIA: OPERACIONES UNITARIAS II NOMBRES: Univ. Edwin Pachacuti Apaza Univ. Carlos Gongora Valle Univ. Maribel Poma Roja Univ. Rayssa Mireya Pinto Callisaya Univ. Mirian Quispe Pillco DOCENTE: Ing. Goyo Damian Conde LA PAZ – BOLIVIA EXTRACCION SOLIDO LIQUIDO 1.- DEFINICION. La lixiviación, o extracción solido-liquido, es un proceso en el que un disolvente líquido pasa a través de un sólido pulverizado para que se produzca la disolución de uno o más de los componentes solubles del sólido. La extracción es una operación de separación por transferencia de materia en la que se ponen en contacto dos fases inmiscibles con objeto de transferir uno o varios componentes de una fase a otra. Si la mezcla original está en fase sólida y se pretende separar de ella un componente (soluto) de otro (inerte) mediante su contacto con u a fase liquida (disolvente) que lo disuelve selectivamente, se habla de una extracción solido-liquido o lixiviación. Para llevar a cabo la extracción será necesario, en primer lugar, poner en contacto íntimo las dos fases hasta conseguir la transferencia de soluto de la mezcla original al disolvente. El método más sencillo de operar en extracción sólido-líquido es el citado de poner en contacto el sólido con el disolvente y separar luego la disolución formada del sólido residual insoluble. Esta operación se denomina “contacto simple”. Si la cantidad total de disolvente que se va a utilizar se subdivide en varias fracciones y el sólido es extraído sucesivamente con cada una de ellas se habla de un “contacto múltiple en corriente directa”, lo que mejora la recuperación del soluto, pero en disoluciones relativamente diluidas. Se obtienen una elevada recuperación del soluto y una disolución de elevada concentración cuando se lleva a cabo un “contacto múltiple en contracorriente”, en el que la disolución formada se pone en contacto con el sólido original, mientras que el sólido ya casi agotado es el que se pone en contacto con el disolvente puro. En la extracción líquido-líquido se separa un componente de una mezcla líquida, con ayuda de un disolvente, que preferentemente lo disuelve. Campos de aplicación son, por ejemplo, la separación de vitaminas de soluciones acuosas o la separación de aromáticos de fracciones de petróleo. En el caso más sencillo participan tres componentes: o El soluto A o El disolvente B o El líquido portador C El soluto A forma parte de la mezcla de partida junto con el líquido portador C (alimento). Si la mezcla de partida y el disolvente B se mezclan entre sí, el soluto A pasa al disolvente B. Ha de cumplirse la condición de que la solubilidad del componente A en el disolvente B sea mayor que la del líquido portador C. A su vez, el líquido portador C debería ser prácticamente insoluble en el disolvente B. Con la extracción sólido-líquido se puede extraer componentes solubles de sólidos con ayuda de un disolvente. Campos de aplicación de esta operación básica son, por ejemplo, la obtención de aceite de frutos oleaginosos o la lixiviación de minerales. Un ejemplo de la vida cotidiana es la preparación de la infusión de café. En este proceso, la sustancia aromática del café (soluto) se extrae con agua (disolvente) del café molido (material de extracción, formado por la fase portadora sólida y el soluto). En el caso ideal se obtiene la infusión de café (disolvente con la sustancia aromática disuelta) y en el filtro de la cafetera queda el café molido totalmente lixiviado (fase portadora sólida). En la práctica, al término de la extracción, la fase portadora sólida siempre contendrá todavía una parte del soluto en el sólido. Además, una parte del disolvente permanecerá también ligada de forma adsorbato a la fase portadora sólida. 2.- MECANISMOS DE OPERACIÓN UNITRARIA. En el mecanismo de extracción de un soluto contenido en un sólido mediante un líquido ocurren las siguientes etapas. 1. Cambio de fase del soluto: Paso del soluto desde el sólido al líquido. 2. Difusión del soluto en el disolvente contenido en los poros del solido: Se da la transferencia del soluto desde el interior del solido hasta la superficie del mismo debido a la diferencia de concentración de este en la interface solido-liquido (gradiente de concentración) y la superficie exterior del sólido. 3. Transferencia del soluto desde la superficie de la partícula solida hasta el seno de la disolución: Cuando el soluto alcanza la superficie se transfiere al seno de la disolución, esta transferencia de materia se da por transporte molecular y turbulento. Explicación de los fundamentos de extracción solido-liquido. Extracción solido-liquido discontinua. La separación de una mezcla de compuestos solidos también se puede llevar a cabo aprovechando diferencias de solubilidad de los mismos en un determinado disolvente. Extracción solido-liquido continúo. La extracción solido-liquido suele ser mucho mas eficiente cuando se hace de manera continua con el disolvente de extracción caliente en un sistema cerrado, utilizando una metodología similar a la comentada para la extracción liquido-liquido continua, basada en la maceración con disolvente organico, previamente vaporizado en un matraz y condensado en un refrigerante, de la mezcla solida a extraer contenida dentro de un cartucho o bolsa de celulosa que se coloca en la cámara de extracción. Extracciones en caliente. La extracción solido-liquido o liquido-liquido en caliente es una operación relativamente rutinaria en los laboratorios de química. El caso más habitual es la extracción con el sistema soxhlet. Dado que para ella se emplean líquidos volátiles inflamables. Campos de aplicación de esta operación básica son, por ejemplo, la obtención de aceites de frutos oleaginosos o la lixiviación de minerales. Los componentes de este sistema son los siguientes: Soluto. Son los componentes que se transfieren desde el sólido hasta en líquido extractor. Solido inerte. Parte del sistema que es insoluble en el solvente. Solvente. Es la parte liquida que entra en contacto con la parte solida con el fin de retirar todo compuestos solubles en ella. Existen dos tipos de extracción solido-líquida y esto depende de la forma en que se realiza el proceso. Lixiviación. cuando retiramos un soluto diana. Lavado. Cuando quitamos componentes no deseados. 3.- FACTORES QUE AFECTAN LA EXTRACCION SOLIDO-LIQUIDO Tipo de solvente: El disolvente seleccionado ofrecerá el mejor balance de varias características deseables: alto límite de saturación y selectividad respecto al soluto para extraer, capacidad para producir material extraído con una calidad no alterada por el disolvente, estabilidad química en las condiciones del proceso, baja viscosidad, baja presión del vapor, baja toxicidad e inflamabilidad, baja densidad, baja tensión superficial, facilidad y economía de recuperación de la corriente y extracto y costo. Los factores se listan en orden aproximado decreciente de importancia, pero no son los aspectos específicos de cada aplicación los que determinan su interacción y significancia relativa, pudiéndose combinar las condiciones de una manera adecuada. El solvente debe ser susceptible para recibir el soluto. Entre las propiedades que influyen más son la densidad y viscosidad del solvente. Temperatura: Se debe seleccionar de tal manera que se obtenga el mejor balance de solubilidad, presión del vapor del disolvente, difusividad del soluto, selectividad del disolvente y sensibilidad del producto (con respecto a materiales de construcción, por el ataque por corrosión o erosión). A temperaturas altas existe mayor solubilidad. Composición y cantidad de corrientes terminales. Cantidades en forma arbitraria, ya que las concentraciones de las disoluciones en la alimentación y descarga varían continuamente durante el proceso de extracción. Agitación. La agitación es importante ya que esta sirve para establecer el contacto íntimo entre el sólido y el líquido y disolver a las materias solubles contenidas. Tamaño de la partícula. Si el tamaño es grande no puede entrar con facilidad el solvente, pero si es pequeño hasta la formación e polvos finos, impedirá una buena separación, impidiendo a su vez una buena solubilidad (ya que si no existe los poros, o están muy comprimidos no se puede entrar con facilidad el solvente). 4. CLASIFICACION DE EXTRACCION SOLIDO LIQUIDO 4.1. SEGÚN LA OPERACIÓN A) EXTRACION SOLIDO-LIQUIDO DISCONTINUA La separación de una mezcla de compuestos sólidos también se puede llevar a cabo aprovechando diferencias de solubilidad de los mismos en un determinado disolvente. En el caso favorable de una mezcla de sólidos en la cual uno de los compuestos es soluble en un determinado disolvente (normalmente un disolvente orgánico), mientras que los otros son insolubles, podemos hacer una extracción consistente en añadir este disolvente a la mezcla contenida en un vaso de precipitados, un matraz o una cápsula de porcelana, en frío o en caliente, agitar o triturar con ayuda de una varilla de vidrio y separar por filtración la disolución que contiene el producto extraído y la fracción insoluble que contiene las impurezas. Si, al contrario, lo que se pretende es disolver las impurezas de la mezcla sólida, dejando el producto deseado como fracción insoluble, el proceso, en lugar de extracción, se denomina lavado. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La extracción sólido-líquido es un proceso semicontinuo, destilación de acoplamiento con un cartucho tipo "SOXHLET" que contiene el producto sólido impregnado con un ingrediente activo (soluto) para ser extraído por disolución en un solvente caliente. La columna de destilación genera vapores de disolvente que se condensan; este solvente caliente puro alimenta el cartucho que contiene el sólido inerte y el soluto. Cuando el cartucho está lleno, la solución obtenida (solvente y soluto) se vacía automáticamente mediante sifón (lixiviación) y luego regresa a la caldera donde el solvente vuelve a hervir. La lixiviación también puede llevarse a cabo mediante el paso continuo del disolvente o mediante un drenaje manual sucesivo. El solvente también se puede alimentar en un solo "pase" para la infusión y el extracto obtenido se retira manualmente. 1. Extractor Pot Éste tipo de extractor tiene un volumen de 2 a 10 m3 y un agitador que es requerido para garantizar un mezclado adecuado. 2. Extractor rotativo Similar al extractor Top en cuanto al mecanismo, sin embargo, la posición del equipo en ésta operación es horizontal y cuenta con un sistema de rotación o retro mezclado más eficiente. b) OPERACIONES CONTINUAS Extracción continua horizontal: El material sólido se transporta en bandejas y se pone en contacto por percolación con el solvente. El flujo de solvente ingresa al extractor en contracorriente al flujo de sólidos. Figura 7. Extractor Continuo Horizontal Adaptado de (Gamse, 2001). Extractor Kennedy La materia prima sólida es transportada por paletas en una cámara donde se mezcla en contracorriente con el solvente. La cámara que se encuentra al final del extractor posee una etapa de filtración para garantizar la pureza del extracto obtenido. Figura 8. Extractor Kennedy Adaptado de (Gamse, 2001). 4.2.SEGÚN EL METODO DE CONTACTO Los extractores según el método de contacto se clasifican en: EXTRACTORES DE CONTACTO SIMPLE. Este tipo de extractores consta, esencialmente, de un deposito o recipiente abierto con un falso fondo. Las partículas sólidas se colocan en el deposito sobre el falso fondo, que suele ser un tipo de filtro o rejilla; distribuyéndose el disolvente sobre la superficie del solido de forma que se realiza una percolación de aquel sobre este. La disolución resultante atraviesa el falso fondo, pudiéndose recoger como extracto. En muchos casos el disolvente se añade en tal cantidad que en cantidad que en realidad la carga se halla sumergida en el disolvente. Estos extractores se utilizan generalmente, en pequeñas plantas industriales para la extracción de azúcar de remolacha, aceite de semillas oleaginosas y frutos secos, extracto de café a partir de granos de tostado y molidos solubles de té a partir de hojas de deshidratos, etc. En muchos casos es preciso utilizar disolventes volátiles, tal como en la extracción de aceite de semillas, o bien es necesario trabajar a presión para lograr una mejor percolación de disolvente sobre las partículas sólidas. Debido a ello, y por consideraciones higiénicas este tipo de extractores son cerrados. En la figura 1.0 se halla representado un tipo de extractor de contacto simple, en el que puede observarse el modo de funcionamiento descrito anteriormente. EXTRACTORES CONTINUOS DE LECHO MOVIL. Tal como su nombre indica, en este tipo de extractores el lecho de partículas sólidas es móvil, operando la mayoría de ellos en contracorriente. A continuación, se describen algunos de los distintos tipos de extractores de lecho móvil existentes. EXTRACTOR BOLLMAN Este extractor, también denominado Hansa-Muhle, consta de un elevador de cangilones que esta encerrado en una cámara vertical. Como se muestra en la figura 2.0, los cangilones o cestas se cargan con el solido en la parte superior derecha del extractor, y a medida que van descendiendo se rocían con una disolución de “miscela intermedia”. En esta zona del extractor el solido y la disolución descienden en corrientes paralelas. Las miscela que se recoge en el fondo de la parte derecha del extractor se recoge como “miscela final”. Una vez rebasada la parte inferior. Las cestas con solido parcialmente agotado suben por la parte izquierda del extractor: a medida que las cestas ascienden se agrega el disolvente puro a cada una de ellas, en una parte determinada de la zona alta del extractor. En esta zona, el solido y el disolvente circulan en contracorriente, de forma en que en la parte inferior se obtiene la miscela intermedia, mientras que la cesta con los solidos ya agotados es descargada en la parte superior. Este tipo de extractores se suele utilizar en loas procesos de extracción de semillas. Extractor Hildebrandt. Es un extractor de inmersión, ya que en todo momento el sólido se encuentra inmerso en el disolvente. En esencia consta de tres elementos montados en forma de U, tal como muestra la figura. El sólido se carga por uno de los brazos verticales y se hace avanzar, mediante un transportador de tornillo sin fin, hacia abajo. Una rama horizontal lo transporta hacia el otro brazo vertical, por donde asciende hasta ser descargado por su parte superior. El movimiento del sólido se logra con tornillos sin fin de paletas perforadas. El disolvente se alimenta por el brazo de subida de los sólidos, lográndose con esto que las corrientes líquida y sólida circulen en contracorriente. En el conducto de salida de la disolución extraída, existe un filtro que evita que el sólido salga por esta corriente. Estos extractores se utilizan en la extracción de azúcar de remolacha y aceite de copos de soja, si bien en la actualidad su construcción está muy limitada. Extractor Bonotto. Es un extractor que consta de una columna vertical dividida en compartimentos mediante platos horizontales (figura). Cada plato tiene una abertura, colocada de forma alterna en cada dos platos consecutivos. Un eje vertical contiene unas paletas o rastrillos que están situados entre platos, que al girar arrastran el sólido que cae de un plato al inferior a través de las aberturas. El sólido se alimenta por la parte superior de la columna, siendo la dirección descendente la que siguen las partículas, mientras que el disolvente entra por la parte inferior, saliendo la miscela por la parte superior. El flujo de sólido y líquido es en contracorriente. Estos extractores se utilizan en la extracción de aceite de semillas y frutos secos. Basados en este principio de extracción en columna por inmersión, y con algunas variantes, existen otros extractores que se conocen con distintos nombres: Allis Chalmer, Oliver, etc. Extractor Rotocel. Este aparato se basa en la extracción por percolación. Consta de una cámara cilíndrica vertical cerrada, dentro de la cual va girando un tanque también cilíndrico, que está dividido en compartimentos, cuyo fondo es en forma de cuña y se halla perforado (figura). Los sólidos son cargados en estos compartimentos en un punto determinado, siendo rociados sucesivamente con miscelas cada vez más diluidas, hasta que en un punto se rocían con disolvente puro. El líquido atraviesa el lecho y se recoge en el fondo, sirviendo la miscela obtenida como disolución extractora del compartimento anterior. Después de ser rociado con el disolvente puro existe una zona de escurrido, y finalmente se descargan los sólidos agotados. Este tipo de extractores se utiliza tanto en la extracción de azúcar como en la de aceite. EXTRACTOR SOXHET El extractor Soxhlet es un material de vidrio que se utiliza para la extracción de compuestos contenidos en un sólido, a través de un solvente afín. Típicamente, para una extracción Soxhlet se requiere solamente donde el compuesto deseado tiene solamente una solubilidad limitada en un solvente. El método es aplicable en muestras de alimentos en general, ya que la técnica se basa en la extracción de grasas de una muestra. La extracción es una de las operaciones básicas del laboratorio. Se define como la acción de separar con un líquido una fracción específica de una muestra, dejando el resto lo más íntegro posible. Se pueden realizar desde los tres estados de la materia, y se llaman de la siguiente manera: 1) Extracción sólido – líquido; 2) extracción líquido – líquido y 3) extracción gas – líquido. La primera es la más utilizada y es sobre la que trata este escrito de la extracción con el equipo Soxhlet. Como ejemplo se pueden citar todas las obtenciones de principios activos de los tejidos vegetales. La segunda tiene usos especialmente en química analítica cuando se extrae el producto de una reacción efectuada en fase líquida con un solvente específico para separar uno o algunos de los componentes. Por último un ejemplo de la tercera, gas – líquido, que ordinariamente se llama ‘lavado de gases’, es el burbujeo por una fase líquida de un gas que se quiere lavar o purificar. Ante la pregunta de la necesidad de usar un aparato bastante complejo y costoso para extraer un sólido con un solvente, algo que pareciera tan sencillo de hacer agregando el solvente a la muestra y luego filtrar y listo, hay que contestar lo siguiente. El proceso de extracción de la mayoría de las sustancias tiene muy baja eficiencia, es decir una vez que se agrega el solvente, lo que está en contacto íntimo con lo extraíble se satura enseguida, por lo que hay que filtrar y volver a tratar con solvente fresco. Eso implica gran cantidad y mucha manipulación del solvente aparte de la atención personalizada que la operación requiere. Como muchas veces lo que se quiere recuperar es el extracto y no la muestra extraída, habrá que evaporar todo el solvente para recuperarlo. Por otro lado estas tareas debieran realizarse en una campana espaciosa dado que los solventes se suene utilizar calientes, es decir con una alta tensión de vapor. Lo que hace el extractor Soxhlet es realizar un sin fin de extracciones de manera automática, con el mismo solvente que se evapora y condensa llegando siempre de manera pura al materia. PARTES PRINCIPALES: 1. Buzo/ Agitador/ Granallas/ Esferas. 2. Balón. 3. Brazo para ascenso del vapor. 4. Cartucho de extracción o Soxhlet. 5. Muestra (residuo). 6. Entrada del sifón. 7. Descarga del sifón. 8. Adaptador. 9. Refrigerante para reflujo. 10. Entrada de agua de refrigeración. 11. Salida de agua de refrigeración.
