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EXTRACCIÓN DEL ACEITE ESENCIAL DEL JENGIBRE (ZINGIBER OFFICINALE)

Chávez Melgarejo Jorge Esteban/Chipana Huamani Julio/Condori Salluca Edwin/Cunaique Huancas Irvin Jeremías/Lagos Zambrano Cristian Alberto/Trujillo Montes Mirian Margarita*

Recibido: junio 16, 2014 / Aceptado: junio 16, 2014 / Publicado: junio 16, 2014

RESUMEN

En este trabajo presenta una investigación de la simulación de la extracción del aceite esencial del jengibre. Se analizó el proceso en un equipo de arrastre de vapor de pequeña escala, el modelo matemático presentado en este trabajo se recogió de un trabajo de tesis que se encuentra en las fuentes bibliográficas del trabajo. Este modelo se sometió al análisis, Se obtuvo una concordancia entre los datos teóricos y experimentales.

ABSTRACT

This paper presents research simulating the extraction of essential oil of ginger. The process was analyzed by steam distillation equipment Small-scale, the mathematical model presented in this paper was collected from a thesis found in the literature. This model was subjected to analysis; agreement between theoretical and experimental data was obtained.

I. Introducción

Los aceites esenciales son mezclas complejas de compuestos volátiles, fuertemente olorosos y producidos por organismos vivos y aislado por medios físicos (presión y destilación) de una planta entera o parte de una planta. El documento ISO/DIS 9235.2 de la ISO define a un aceite esencial como “producto obtenido a partir de materias primas vegetales ya sea por destilación con agua, vapor o por destilación seca”.La obtención de aceites esenciales se realiza por destilación por arrastre con vapor de agua porque es fácil de operar y produce aceites de alta calidad. Ésta técnica consiste en vaporizar dos líquidos inmiscibles a temperaturas inferiores a las de ebullición de cada uno de los componentes volátiles por defecto de una corriente de vapor de agua. El vapor hace la doble función de calentar la

mezcla hasta su punto de ebullición y disminuir la temperatura de ebullición al adicionar la tensión (presión) del vapor que se inyecta, a los componentes volátiles de los aceites esenciales. Los vapores que salen se enfrían hasta condensar, y los dos líquidos inmiscibles (agua y aceite esencial) se separan por gravedad.

El presente trabajo aborda el tema de la extracción del aceite esencial de Jengibre (Zingiber officinale); este se obtuvo por el método de extracción por arrastre de vapor. Se analiza el proceso y se compara con publicaciones similares y se desarrolla un modelo matemático, basado en un balance de materia y balance de energía; con lo cual se obtuvieron datos experimentales concordantes con los teóricos.

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II. FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1. JENGIBRE (ZINGIBER OFFICINALE)

2.1.1. Estudio del jengibre (Zingiber officinale)

El jengibre (Zingiber officinale) es una planta nativa de Asia, cultivada en numerosas partes del mundo incluyendo el oeste de la India, Jamaica y África. Esta planta ha sido introducida a Colombia, actualmente existen algunos cultivos tecnificados y es una de las plantas medicinales comercializadas y avaladas por la OMS. (Duque, 2000)

La reproducción de esta planta es por vía asexual existen pocas variedades de jengibre, y se presume que estas se han dado debido a mutaciones accidentales.

En Malasia se conocen dos tipos de jengibre, halyiabetulo o jengibre verdadero, y el halyiahudango o jengibre rojo. En Jamaica se conocen dos tipos: el jengibre blanco o jengibre amarillo y el jengibre azul.

En ecuador solamente se encuentra la semilla para el jengibre hawaiano (blanco o amarillo), este es el más cotizado en el mercado internacional especialmente en Estados Unidos. (Chiluiza y Ulloa, 2005)

El jengibre pertenece a la familia de las zingiberáceas, que contienen aceites esenciales en los rizomas o semillas, son muy utilizadas para aportar un sabor picante y agradable a bebidas y alimentos. (León, 1986)

2.1.2. Clasificación del jengibre (Zingiber officinale)

La clasificación del jengibre se especifica en la siguiente tabla.

Tabla 2.1

Clasificación biológica del jengibre

Reino Vegetal

Clase Monocotiledoneas

Orden Escitamineas

Familia Zingiberaceae

Genero Zingiber

Especie Officinale

Nombre Científico

Zingiber Officinale Roscoe

Nombre Común

Jengibre, Zingiber, Ajengibre

Fuente: Chiluiza y Ulloa, 2005

2.1.3. Composición química

El jengibre contiene un 4-7,5% de oleoresina, en la que destacan el aceite esencial y las sustancias picantes. El aceite esencial (1,5-3% de la droga) tiene una composición variable según la procedencia. Los principales componentes son sesquiterpenos, como α-zingibere- no, ar-curcumeno, ß-bisaboleno, ß-bisabolona, (EE)-α-farneseno y ß-sesquifelandreno, y monoterpenos, como alcanfor, ß-felendreno, geranial, neral y linalol.

Las sustancias picantes son los gingeroles y los sogaoles. Se trata de fenilalcanonas o fenilalcanonoles no volátiles con cadenas de diferentes longitudes, siendo los más importantes el [6]-gingerol y el [6]-sogaol.

El rizoma de jengibre también contiene diarilheptanoides: difenilheptenonas, difenilheptanonoles, difenilheptanodioles y sus acetatos. Otros componentes son:

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almidón (aproximadamente un 50%), diterpenos, ácido 6-gingesulfó- nico y monoacil digalactosil gliceroles.

Figura 2.1

Estructura química de los componentes más importantes de los aceites esenciales del jengibre

2.2. ACEITES ESENCIALES

2.2.1. Definición de aceites esenciales

Los aceites esenciales son mezclas de varias sustancias químicas biosintetizadas por las plantas, que le dan el aroma característico a flores, frutos, hierbas, especias, semillas y árboles. Se trata de productos químicos intensamente aromáticos, no grasos, volátiles por naturaleza y, que se mezclan bien con aceites. Son insolubles en agua, levemente solubles en vinagre, y solubles en alcohol, grasas, ceras y aceites vegetales. Se oxidan por exposición al aire. Se han extraído ya más de 150 tipos de aceites esenciales, cada uno con su aroma característico y propiedades curativas únicas. Para obtener el máximo de beneficios, deben proceder de ingredientes naturales y con la máxima pureza posible.

II.5. MODELO MATEMÁTICO

El modelo matemático que se plantea para el sistema de extracción por arrastre de vapor, se encuentra fundamentado en el balance de materia y energía. (Rivera, 2007)

El texto base para el modelo matemático para la extracción por arrastre de vapor del aceite esencial de jengibre, desarrolla el modelo de la siguiente manera:

BALANCE DE MATERIA

El flujo de materiales que entra y sale de un sistema delimitado, de acuerdo a la ley de conservación de masa es:

[Acumulación]=[Entrada]-[Salida]+[Generación]

Si no existe generación ni consumo dentro del sistema tenemos:

Acumlacion=[ Entrada ]−[ Salida ]Sabemos que la acumulación de masa según avance el tiempo está dado por:

Acumulacion=dMdt

Simplificando entonces obtenemos:Acumulacion=E – S

Donde:

E: Flujo de vapor que ingresa al sistema (Kg/h).

S: Flujo de vapor que sale del sistema (Kg/h).

t: Tiempo de operación del proceso (h).

M= Masa del proceso (kg). M0= Masa inicial de jengibre (kg)

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Desarrollando la ecuación diferencial de la acumulación; e integrando con sus condiciones de frontera, obtenemos:

dMdt

=E−S

∫M 0

M

dM =( E−S )∫0

t

dt

M=M 0+( E−S ) t(∝)

BALANCE DE ENERGÍA

El balance de energía según la ley de conservación de la energía:

[ Acumulacion ]=[ Entrada ]−[ Salida ]

No existe generación ni consumo dentro del sistema ya que la energía no se puede crear ni destruir, entonces tenemos:

Acumlacion=[ Entrada ]−[ Salida ]

Matemáticamente el balance se expresa como:

∫t

t+∆t

[ entratiempo

− saletiempo ]dt=[ Hay ]t+∆t−[ Habia ]t

El balance de energía en el sistema se simplifica a la siguiente expresión:

∫m

m+∆t

[ EHv−SHs ] dt=[ MH ]m+∆t−[ MH ]m

Donde:

E: Flujo másico de vapor de entrada al sistema (Kg/h)

S: Flujo másico de vapor de salida del sistema (Kg/h)

Hv: Entalpia de vapor de entrada (Kj/Kg)

Hs: Entalpia de vapor de salida (Kj/Kg)

M: Masa total del sistema (Kg) H: Entalpia de la masa dentro del

tanque (Kj/Kg)

Aplicando el teorema del valor medio del cálculo diferencial e integral, tomando el límite cuando “t” tiende a cero:

EHv−SHs=d ( MH )

dt

O bien:

EHv−SHs=MdHdt

+ HdMdt

Del balance de masa global se tiene que:

E−S=dMdt

Integrando la ecuación diferencial, tenemos

la ecuación (∝):

M=M 0+( E−S ) t

Además la variación de la entalpia está dada:

dH =CpdT

Derivando con respecto al tiempo la expresión de la entalpia, tenemos:

dHdt

=CpdTdt

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Donde:

M0: Masa que hay inicialmente en el sistema

Cp: Capacidad calorífica de la miscela (KJ/Kg-º K)

Sustituyendo las ecuaciones y reordenado:

MCpdTdt

=EHv−SHs

dTdt

= EHv−SHsMCp

( β )

Luego reemplazando (∝) en (β):

dTdt

= EHv−SHsCp(M ¿¿0+ (E−S ) t)(θ)¿

La expresión resultante (θ) es la ecuación fundamental del modelo planteado en este trabajo.

III. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

A) Una vez adquirida la muestra en el mercado de nuestra preferencia, seleccionamos el material que se encuentra en malas condiciones para su respectivo

desecho.

B) Lavamos el material seleccionado para eliminar los últimos vestigios de suciedad.

C) Cortamos el jengibre en pequeñas rodajas para la etapa previa de secado.

D) Introducimos el material cortado a una estufa a la temperatura de 45ºC por 2 días.

E) Cargamos la materia prima al equipo de extracción.

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F) Cerramos y aseguramos cada parte del equipo para iniciar la operación.

G) Registramos la temperatura del sistema en intervalos de tiempo de 2 minutos.

H) Una vez que se haya alcanzado una buena cantidad de formación de vapor, procedemos a abrir la válvula de salida del producto para colectar la mezcla condensada en un recipiente.

b) Diagrama de bloques

Figura 3.2

Diagrama de bloques

c) Balance de materia

Tabla 3.3

Balance de materia del proceso

Fuente: Elaboración propia

IV. RESULTADOS

En el proceso de extracción d por arrastre de vapor, se utilizó un equipo a escala piloto; el cual consta de un generador de vapor con resistencia eléctrica, la cámara de extracción, condensador y separador florentino. Con este equipo se obtuvieron los siguientes resultados, para un tiempo de extracción de 60 min.

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Tabla 4.1

Variación del volumen del aceite esencial obtenido en función del

tiempo

Tiemp

o

(min)

Volume

n (ml)

Tiempo

(min)

Volume

n (ml)

2 0.3 33 1.6

3 0.5 38 1.7

7 0.8 46 1.8

12 0.9 50 1.9

16 1.1 54 1.98

20 1.2 56 2

24 1.4 58 2

28 1.5 60 2

Fuente: Elaboración propia

Se analiza gráficamente la variación del volumen recaudado de aceite esencial en función al tiempo de extracción.

Figura 4.2

Volumen de aceite esencial vs tiempo

0 10 20 30 40 50 60 700

0.5

1

1.5

2

2.5

Volumen de aceite es-encial vs tiempo

tiempo (min)

volu

men (

mL)

Fuente: Elaboración propia

Con los datos de volumen de aceite esencial recolectado se determina la masa del aceite obtenido. Para ello se considera la densidad del aceite esencial del jengibre = 0.92 g/ml

Tabla 4.3Masa de aceite esencial obtenido en

función del tiempo

Fuente: Elaboración propiaRendimiento porcentual del proceso (R):

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R= Kg deaceite obtenidoKg de jengibre cargado

x 100

R=1.84 x 10−3 Kg deaceite obtenido2.5 Kg deengibre cargado

x 100

R=0.0736 %

El modelo matemático planteado para la extracción del aceite esencial del jengibre por arrastre de vapor dada la bibliografía realizada y en trabajos similares, está basado en la siguiente ecuación:

dTdt

= EHv−SHsCp(M ¿¿0+ (E−S ) t)¿

Donde: E: Flujo másico de vapor de

entrada al sistema (Kg/h) S: Flujo másico de vapor de

salida del sistema (Kg/h) Hv: Entalpia de vapor de entrada

(Kj/Kg) Hs: Entalpia de vapor de salida

(Kj/Kg) H: Entalpia de la masa dentro del

tanque (Kj/Kg) t : Tiempo de operación del

proceso (h) M0= Masa inicial de jengibre (kg) Cp: Capacidad calorífica de la

miscela (KJ/Kg-º K)

En la ecuación del modelo podemos observar, que conforme varía el tiempo la temperatura cambia. Entonces puesto que los demás valores se pueden asumir constantes y se pueden determinar buscando la teoría. Para sustentar el modelo bastará medir la variación de la temperatura en función al tiempo.

Tabla 4.4Variación de la temperatura del sistema,

presión y temperatura de vapor en función del tiempo.

Tiempo

(min)

T (ºC) Pv

(bar)

Tv (ºC)

2 30.7 0 30

4 39.4 0 30.2

6 48.5 0 30.5

8 55.2 0 30.6

10 62.6 0 30.8

12 69.8 0 31

14 77 0 31

16 84 0 31.5

18 89.6 0 32

20 95.5 0 32.5

22 100.1 0 33

24 103.5 1 60

26 103.3 1.2 78

28 106.6 1.4 87

30 108.6 1.6 99

32 107.2 1.8 99.5

34 107.7 2 99.5

36 105.8 2 100

38 105.2 1 101

40 104.9 0.2 102

42 105 0.2 102.5

44 105 0.2 103

46 105 0.2 103

Fuente: Elaboración propia

Las temperaturas necesarias para el modelo matemático, son las temperaturas del sistema conforme pasa el tiempo. Analizando gráficamente tenemos.

Figura 4.5Temperatura del sistema vs tiempo

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Fuente: Elaboración propia

Dado que el comportamiento de la temperatura es semejante al comportamiento en el material referencial; el cual plantea el modelo enunciado. Se establece el modelo para la extracción de aceite esencial del jengibre mediante el método de extracción por arrastre de vapor, el modelo dado por la ecuación:

dTdt

= EHv−SHsCp(M ¿¿0+ (E−S ) t)¿

Estableciéndose este por su fundamento teórico y su base en pruebas experimentales. Como MODELO MATEMÁTICO SEMIEMPIRICO para a extracción de aceites esenciales del jengibre mediante extracción por arrastre de vapor.

V. CONCLUSIONES

Con el análisis de la variación del volumen obtenido en la extracción por arrastre de vapor del aceite esencial del jengibre, y determinando con este la masa obtenida del aceite esencial se obtuvo un rendimiento de 0.0736%.

Analizando este porcentaje obtenido de aceite esencial y comparando con la literatura investigada la que establece un porcentaje de rendimiento de extracción del aceite esencial del jengibre por extracción mediante arrastre de vapor de 0.08%; lo que demuestra que nuestros experimentales concuerdan con la teoría; haciendo del modelo matemático planteado el adecuado para este proceso.

VI. REFERENCIALES BIBLIOGRÁFICAS

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