Proyecto: Simulación molecular y experimentación del comportamiento del CO2

supercrítico en aplicaciones de procesos

Línea de Investigación: Procesos

Responsable: Ciro Humberto Ortiz Estrada

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN Entender el comportamiento del CO2 supercrítico a través de estudio teórico-experimental de

diferentes procesos de interés, enfocado principlamente al procesamiento de polímeros,

formación de partículas y extracción de aceites esenciales de plantas naturales de origen

nacional.

RESUMEN El uso del CO2 a condiciones supercríticas, en los últimos años, ha sido motivo de estudio en el

desarrollo procesos límpios, buscando sustituir a los agentes comúnmente utilizados en los

procesos industriales, que en algunas ocasiones, son agresivos al ambiente. Debido a la

introducción de restricciones ambientales más severas, se ha estado haciendo un esfuerzo

importante en encontrar solventes ecológicos sustitutos. Recientemente, el dióxido de carbono

(CO2) en estado líquido y/o supercrítico está siendo utilizado como una alternativa atractiva

respecto al uso de solventes orgánicos tóxicos.

En un fluido supercrítico no se distinguen el estado líquido ni el gaseoso debido a que ambas

desaparecen para formar una sola fase, esto le permite tener propiedades tanto de líquido como

de gas, siendo una característica única de que en la vecindad del punto crítico, las propiedades

termodinámicas del fluido son muy sensibles a pequeños cambios de presión o temperatura.

Por lo anterior, resulta relativamente fácil obtener condiciones adecuadas de procesamiento

variando ligeramente alguna de estas variables. Así pues, es posible controlar o sintonizar la

solubilidad de un solvente realizando ligeros cambios de presión cuando éste se encuentra en

un estado supercrítico, lo que le permite al CO2 utilizarse ventajosamente en la formación de

partículas, microencapsulados, modificación de películas poliméricas, secado y extracción de

aceites esenciales (aromas, fármacos y alimentos).

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El conocimiento del comportamiento del CO2 en este tipo de sistemas es fundamental

importancia para buscar su potencial aplicación industrial.

El proyecto contempla el estudio teórico-experimental tanto en la formación de partículas y

microencapsulados asi como en la extracción de productos naturales de plantas aromáticas y

medicinales nativas de México. Los estudios consideran los aspectos termodinámicos y pruebas

experimentales de estos sistemas; en una primera etapa aplicados a formación de partículas

poliméricas y extracción de aceites esenciales para extenderlo en una segunda etapa, a la

formación de microencapsulados y extracción de aromas y fármacos.

Se han realizado estudios de soluciones poliméricas en CO2, mediante simulación molecular y

determinaciones experimentales llevadas a cabo en una celda de alta presión, con el fin de

conocer su comportamiento termodinámico y entender el proceso de formación de partículas.

De igual forma se realizaron pruebas experimentales de formación de micropartículas mediante

la técnica RESS (Rapid Expansion of Supercritical Solutions) a diferentes condiciones de

operación.

Actualmente se iniciaron los estudios de formación de microcápsulas y extracción de aceites

esenciales para aplicaciones en aromas y alimentos, con lo que se espera obtener, aunado a

los estudios anteriores, un conocimiento preciso del comportamiento de estos sistemas de gran

interés en el desarrollo de la tecnología supercrítica.

Los temas que se estarán investigando y que se encuentran estudiantes de posgrado

trabajando son:

• Formulación de nuevos materiales mediante CO2 supercrítico.

• Extracción con CO2 supercrítico de sustancias activas de plantas naturales.

• Modelación termodinámica de sistemas complejos en presencia de un fluido

supercrítico (tema pendiente de desarrollar).

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ANTECEDENTES

Aproximadamente 15,000 millones de kilogramos de solventes orgánicos y halogenados

se utilizan anualmente en la industria en todo el mundo. Estos solventes generalmente se usan

como agentes limpiadores, dispersantes y/o como auxiliares en el procesamiento de materiales.

Debido a la presión constante de diversas organizaciones ambientalistas y a la introducción de

restricciones ambientales más severas, por parte de muchos gobiernos a escala mundial, la

industria actual debe evitar o minimizar la producción, uso, y por consiguiente la liberación al

medio ambiente de agua contaminada y solventes orgánicos volátiles, en particular,

clorofluorocarbonos. Como consecuencia de tales restricciones, se ha estado haciendo un

esfuerzo importante en encontrar solventes ecológicos sustitutos. Recientemente, el dióxido de

carbono (CO2) en estado líquido y/o supercrítico está siendo utilizado como una alternativa muy

atractiva respecto a los solventes orgánicos tóxicos.

En un fluido supercrítico no se distinguen el estado líquido ni el gaseoso debido a que

los dos estados desaparecen para formar una sola fase, esto le permite a un fluido supercrítico

tener propiedades tanto de líquido como de gas. El estado supercrítico tiene la característica

única de que en la vecindad del punto crítico LV, las propiedades termodinámicas del fluido son

muy susceptibles a pequeños cambios de la presión o temperatura. Por lo anterior, resulta

relativamente fácil obtener condiciones adecuadas de procesamiento variando ligeramente

alguna de estas variables termodinámicas. Así pues, es posible controlar o sintonizar la

solubilidad de un solvente realizando ligeros cambios de presión cuando éste se encuentra en

un estado supercrítico.

Una manera de comprender mejor las propiedades únicas de los fluidos supercríticos

(FSC’s) es examinando el comportamiento de la densidad como una función de la presión y

temperatura cerca del punto crítico LV. La Figura 1 muestra la variación de la densidad de un

fluido puro en la vecindad o región cercana al punto crítico. En esta figura se observa que

cuando el fluido se encuentra a una temperatura mayor que la crítica (Tr=T/Tc > 1) es posible

producir un cambio en la densidad reducida del fluido (ρr=ρ/ρc) desde un valor correspondiente

a la fase de vapor (ρr < 1) a uno correspondiente a la fase líquida (ρr >1) aumentando

ligeramente el valor de la presión desde un valor subcrítico (Pr=P/Pc < 1) a un valor supercrítico

(Pr >1). Otra de las características relevantes de los FSC’s es que pueden exhibir densidades

de líquido y sin embargo tener propiedades de transporte similares a las de un gas.

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Figura 1. Diagrama PvT en la vecindad del punto crítico

A condiciones cerca del punto crítico (entre Tc a 1.2Tc), la densidad, propiedades de

transporte (tales como la viscosidad y difusividad), y otras propiedades físicas (como la

constante dieléctrica y el parámetro de solubilidad) pueden variar en un continuo desde las

cualidades de un gas a un líquido con pequeños cambios alrededor de la presión crítica (0.9 a

2.0Pc)3-4. La Tabla 1 muestra los órdenes de magnitud en la variación de algunas propiedades

físicas de los solventes en los diferentes estados físicos.

Propiedad Gas Supercrítico Líquido

Densidad, g/cm3 10-3 0.3 1

Difusividad, cm2/s 10-1 10-3 5*10-6

Viscosidad, g/cm-s 10-4 10-4 10-2

Tabla 1. Órdenes de magnitud de propiedades físicas de solventes en diferentes estados.

La alta densidad, similar a un líquido, le proporciona a un fluido supercrítico, un alto poder

de solvente, mientras que su baja viscosidad y difusividad (cercana a un gas) y la ausencia de

tensión superficial le incorpora excelentes propiedades de transporte, incrementando la

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velocidad de percolación, por lo que, el paso del solvente al interior de la matriz se ve

favorecido. El poder solvente de los fluidos supercríticos, por lo general, es proporcional a la

densidad del fluido; por lo que, se tiene la oportunidad de manipular las características de

solvatación mediante variaciones en las condiciones de presión y temperatura. La figura 2

muestra algunas características en cuanto a su relación propiedad-procesamiento.

Figura 2. Características de las propiedades de los fluidos supercríticos.

La Tabla 2 muestra los valores de los puntos críticos de algunos solventes de uso más

común en procesos industriales.

Sustancia PM Tc, °C Pc, bar ρc, gr/cm3

Dióxido de Carbono 44.01 31.1 73.8 0.468

Etano 30.07 32.2 48.8 0.203

Etileno 28.05 9.3 50.4 0.200

Propano 44.09 96.7 42.5 0.220

Propileno 42.08 91.9 46.2 0.230

n-Butano 58.12 152.1 38.0 0.228

Benceno 78.11 289.0 48.9 0.302

Clorotrifluorometano 104.46 28.9 39.2 0.580

Agua 18.02 374.2 220.5 0.272

Tabla 2. Puntos críticos de diferentes solventes utilizados comúnmente en estado supercrítico

5

Es importante resaltar que el CO2 tiene una temperatura crítica baja y densidad crítica

alta comparativamente con otros fluidos, lo que resulta en un agente atractivo utilizado para

diversas aplicaciones industriales, ya que las condiciones para acceder a su punto crítico, en

temperatura, son cercanas al ambiente y su alta densidad le puede conferir mayores

características de solvatación con respecto a otros fluidos supercríticos. Sin embargo, su alta

presión crítica puede ser una limitante económica importante en la decisión final de su uso,

comparativamente con otros fluidos y agentes convencionales.

La diferencia de condiciones críticas de estos fluidos permite utilizarlos en diversas

aplicaciones industriales, por ejemplo, tanto el CO2 (tal como se comentó) como el etano y

etileno son buenos candidatos en aplicaciones de productos sensibles a la temperatura, por su

cercanía a la temperatura ambiente. Esta diferencia de puntos críticos de sustancias distintas,

permite elegir el solvente adecuado dependiendo del rango de temperaturas de la aplicación de

interés.

¿Porqué el CO2 supercrítico?

Examinando la Tabla 2 y la figura 3 se observa que el CO2 tiene una Tc muy cercana a la

temperatura ambiente de 31.1°C, y una presión crítica de 73.8 bar.

Figura 3. Zona de localización de un fluido supercrítico (ejemplo: CO2).

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Dentro de los fluidos supercríticos, el dióxido de carbono (CO2SC), es de los más

preferidos debido a que es, no tóxico, no flamable, aceptable ambientalmente, de bajo costo

debido a su abundancia y facilidad de obtención y de recuperación, lo cual compensa en parte,

los mayores costos del equipamiento necesario para comprimirlo y retenerlo en ese estado, y a

que las características de su punto crítico permiten condiciones de operación a temperaturas

cercanas a la temperatura ambiente. Esta última característica permite trabajar con muestras

inestables térmicamente (ejemplo, el procesamiento de productos farmacéuticos y alimenticios)

El dióxido de carbono es un solvente no polar. Se dice que si un compuesto se disuelve

en hexano, entonces ese compuesto debe disolverse también en CO2SC. Esta regla es válida

para la mayoría de los compuestos con bajo peso molecular que tienen apreciables presiones

de vapor, pero falla en el caso de los polímeros que tienen presiones de vapor despreciables.

CO2SC ha sido utilizado tanto como solvente como no-solvente o antisolvente en diversas

aplicaciones, aprovechando esa habilidad de variar rápidamente su capacidad o fuerza de

solvatación, y por lo tanto de nuclear o sobresaturar compuestos disueltos, siendo un aspecto

clave en la tecnología supercrítica para la extracción y formación de partículas.

Por lo tanto, el CO2 es un solvente muy atractivo en el procesamiento de materiales

termolábiles, tales como fármacos, algunos polímeros, fragancias, sabores y lípidos, entre otros.

Es por ello que el CO2 está teniendo aceptación como un sustituto ecológico en diversos

procesos industriales, tal como en el procesamiento de polímeros.

Actualmente se han concluido estudios de simulación molecular a fin de entender el

comportamiento de soluciones poliméricas en un solvente supercrítico Lennard-Jones,

demostrando que existe una relación directa entre las interacciones del solvente-polímero y la

relación de tamaño esto fue corroborado experimentalmente para una solución de un polímero

fluorado soluble en CO2, el Poli-perfluorooctil metaacrilato (PFOMA). Los resultados han sido

relevantes ya que se ha propuesto un parámetro universal que relaciona este tipo de

comportamiento. Actualmente investigadores del Instituto Tecnolóigico de Celaya y del

CINVESTAV-Querétaro (con quienes mantengo una colaboración estrecha) han

complementado el estudio con simulaciones utilizando un modelo de potencial aproximado al

CO2 para apoyar este trabajo y estamos por concluir la escritura de un artículo donde se

presentarán los resultados globales.

Adicionalmente se determinaron experimentalmente, mediante mediciones de dispersión

de luz, el comportamiento de equilibrio se sistemas poliméricos en CO2SC asi como entender el

fenómeno de formación de partículas en solución, tanto en polímero- CO2SC como en polímero-

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solvente-CO2SC. El objeto de estos estudios fue entender el comportamiento termodinámico de

estos sistemas y la dinámica de formación de partículas previo a su expansión.

Recientemente un estudiante del posgrado en ingeniería química de la UIA, ha concluido

sus estudios de formación de partículas mediante la técnica RESS (Rapid Expansion of

Supercritical Solutions) del sistema PFOMA- CO2SC que ha permitido relacionar el efecto de las

condiciones de expansión con el tamaño y morfología de las partículas formadas, con lo que se

tiene una mejor comprensión del fenómeno.

Los resultados generados en estos últimos años han llevado a la publicación y

presentación de los siguientes trabajos:

1. Ortiz, E. C.; Luna, B. G.; Sanchez, I.; Ramírez, G. Polymer chain collapse in supercritical

fluids. ASTAPHYS-2001. Cancún, Q.R., 2001.

2. Ortiz, E. C.; Luna, B. G.; Sanchez, I.; Ramírez, G.; Alvarado, J. Polymer chain collapse in

supercritical solvents. Annual Meeting, AIChE, Reno, Nevada, 2001.

3. Ortiz, E. C.; Luna, B. G.; Sanchez, I.; Alvarado, J. Phase behavior and modeling of

Polystyrene-Tetrahydrofuran-Carbon Dioxide mixtures. Annual Meeting, AIChE, Reno,

Nevada, 2001.

4. Ortiz, E. C.; Luna, B. G.; Alvarado, J. Termodinámica de soluciones poliméricas en

condiciones supercríticas. Estudios de simulación molecular. XXIII Encuentro Nacional

de la AMIDIQ. Pátzcuaro, Mich., 2002.

5. Ortiz, E. C.; Luna, B. G.; Sanchez, I.; Ramírez, G.; Alvarado, J. Polymer chain collapse in

supercritical fluids. Proceedings of the 1st. Experimental and Mathematical Physics

Meeting. Edited by E. Díaz-Herrera. Kluwer Academic, 2003. 6. Luna, B. G.; Alvarado, J.; Sanchez, I. C.; Espinoza, B. F.; Ortiz, E. C. Estudio experimental

de equilibrio y conformación del sistema Poliestireno-Tetrahidrofurano-CO2

supercrítico en la formación de nanopartículas. XXIV Encuentro Nacional de la AMIDIQ.

Ixtapa, Gro., 2003.

7. Dickson, J. L.; Psathas, P. A.; Salinas, B.; Ortiz, E. C.; Luna, B. G.; Hwang, H. S.; Lim, K. T.;

Johnston, K. P. Formation and growth of water-in-CO2 miniemulsions. Langmuir, 2003,

19, 4895.

8. Ortiz, E. C.; Luna, B. G.; Alvarado, J.; Sanchez, I. C.; Dickson, Lim, K. T. Phase behavior

and modeling of fluorinated polymers in supercritical fluid carbon dioxide. Annual

Meeting, AIChE, San Francisco, California, 2003.

8

9. Dickson, J. L.; Ortiz-Estrada, C.; Alvarado, J.; Huang, H. S.; Sanchez, I. C.; Luna, B. G.; Lim,

K. T.; Johnston, K. P. Critical flocculation density of dilute water-in-co2 emulsions

stabilized with block copolymers. J. Colloid and Interface Science, 2004, 272 (2), 444-

456. 10. Stolz, S.; Luna-Barcenas, G.; Arlt, W.; Espinoza-Beltrán, F.; Ortiz-Estrada, C.; Sanchez I.C.;

Alvarado, J.F.J.; González-Hernández, J. Phase behaviour and modelling of

poly(styrene-b-isoprene-b-styrene)-tetrahydrofuran in supercritical carbon dioxide.

Enviado A: The Journal of Supercritical Fluids, 2004.

11. Louvier-Hernández, J. F.; Luna-Barcenas, G.; Vivaldo-Lima, E.; Alvarado, J. F. J.;

Register, R. A.; Debenedetti, P. G.; Sanchez, I. C.; Ortiz-Estrada, C. H.; Pérez-Robles, J. F.

Compatibilized polymer blends through supercritical fluid processing. Enviado A:

Industrial & Engineering Chemistry Research, 2004.

12. Santoyo Arreola, J. G.; Luna Bárcenas, G. J.; Alvarado,F. J.; Ortiz Estrada, C. H.:

solubilidad y morfología de polímeros fluorados en CO2 supercrítico. XXV Encuentro

Nacional de la AMIDIQ. Ed. AMIDIQ, Pto. Vallarta, Jal., 2004.

13. Santoyo Arreola, J. G.; Macías Bravo, S. C.; Luna Bárcenas, G. J.; Alvarado,F. J.; Ortiz

Estrada, C. H.: Aplicación de la técnica RESS en la formación de micropartículas de

Poli(1H,1H-Dehidrofluorooctil Metacrilato) mediante dióxido de carbono supercrítico.

XXVI Encuentro Nacional de la AMIDQ. Ed. AMIDIQ, Acapulco, Gro., 2005.

ORIGINALIDAD La tecnología supercrítica ha sido estudiada en los últimos años como una alternativa

compatible con el ambiente y que seguramente será una opción tecnológica viable. En nuestro

país se presenta una gran oportunidad de desarrollar tecnologías aplicadas al aprovechamiento

de nuestros recursos naturales mediante esta alternativa. Son pocos los estudios realizados a

nivel nacional lo que coloca a este proyecto a la vanguardia del conocimiento de la tecnología

supercrítica en la extracción de productos naturales y principalmente en la formación de

partículas y microencapsulados con aplicación en alimentos.

Adicionalmente se busca que estos resultados tengan un impacto social en el sentido no

únicamente de la formación de recursos humanos especializados, sino en proporcionarle

alternativas potenciales a las comunidades que cultivan y recolectan las plantas, hierbas, flores

o raíces en el aprovechamiento de sus recursos, incorporándole un mayor valor agregado a sus

productos. En este aspecto, se está buscando integrar este proyecto a su desarrollo.

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OBJETIVOS General:

• Entender el comportamiento del CO2 supercrítico a través de estudio teórico-experimental

de diferentes procesos de interés, enfocado principlamente al procesamiento de polímeros,

formación de partículas y extracción de aceites esenciales de plantas naturales de origen

nacional.

Particulares:

1. Formulación de nuevos materiales mediante CO2 supercrítico • Diseñar un equipo experimental para el estudio de la formación de partículas y

microencapsulados por técnicas de expansión supercrítica.

• Determinar experimentalmente las condiciones de formación de micropartículas y

microencapsulados como efecto del CO2 supercrítico.

• Entender el proceso de formación de partículas y estabilidad de la solución.

2. Extracción con CO2 supercrítico de sustancias activas de plantas naturales: • Estudiar el potencial de aplicación de la tecnología supercrítica en la extracción de

productos naturales.

• Determinar experimentalmente las condiciones de extracción de un producto como efecto

del CO2 supercrítico.

• Comparar la eficiencia de extracción supercrítica contra los procesos típicos y evaluar el

desempeño potencial a procesos comerciales.

3. Modelación termodinámica de sistemas complejos en presencia de un fluido supercrítico:

• Estudiar y analizar el comportamiento termodinámico y de estabilidad de las soluciones en

fluidos supercríticos.

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METAS Científicas:

• Generar conocimiento sobre el comportamiento de la extracción supercrítica de agentes

activos de plantas naturales en relación al efecto de las variables: temperatura, presión,

concentración y composición del extracto.

• Profundizar en el estudio de la dinámica de formación de partículas y microencapsulados

debido al comportamiento micelar generado por la presencia del CO2 supercrítico y el

efecto que tiene las condiciones de estabilidad del sistema.

• Estudiar, aplicar y ajustar modelos termodinámicos en la predicción y comprensión del

comportamiento del equilibrio de sistemas complejos en presencia de fluidos supercríticos.

Formación de recursos:

• Asesorar y graduar a 3 estudiantes de maestría del programa de posgrado de la UIA

(maestría en ciencias en ing. química) registrado en el PIFOP.

• Asesorar a 3 estudiantes de licenciatura de la UIA, UAEM e IPN para el desarrollo y

conclusión de su trabajo de tesis.

• Co-dirigir a un estudiante de doctorado del programa de posgrado del CINVESTAV-

Querétaro registrado en el PNP.

• Generar un grupo de investigación consolidado mediante la participación de diferentes

centros educativos y de investigación.

GRUPO DE TRABAJO

Para el desarrollo del proyecto se dispone de la colaboración de académicos-

investigadores de la propia UIA asi como de la Universidad Autónoma del Estado de México

(UAEM) y del CINVESTAV Unidad Querétaro.

Los integrantes en el proyecto

Por la UIA:

Mtro. Samuel Macías Bravo

Mtra. María del Carmen Chaparro Mercado

Estudiantes: Alontra Torres Trueba; Ricardo Salinas Hernández y Luis A.

Román Ramírez (del programa de Maestría en Ciencias en Ing. Química

de la UIA).

Por la UAEM: Mtro. Julián Cruz Olivares

Por el CINVESTAV-Querétaro: Dr. Gabriel Luna Bárcenas

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INFRAESTRUCTURA DISPONIBLE

Las instituciones participantes, cuentan ampliamente con infraestructura física adecuada

para el desarrollo del proyecto. Tanto en áreas de trabajo como en equipos de laboratorio y

cómputo, y acervo bibliohemerográfico.

En lo que respecta al área experimental se dispone de equipos analíticos de medición de

los sistemas a estudiar, tales como:

• Celdas de alta presión.

• Cromatógrafos.

• Absorción atómica.

• Infrarrojo.

• Microscopio de fuerza atómica.

• Calorímetro diferencial de barrido.

• Rayos X

Con referencia a equipo de cómputo, se dispone del apoyo institucional complementario a

aquella solicitada en este proyecto. Tal como los sistemas informáticos de conexión, acceso a

red, de búsqueda bibliográfica y salas de cómputo para las actividades cotidianas realizadas por

los estudiantes involucrados en el proyecto.

Se dispone de la experiencia de medición y evaluación de sistemas similares a los

contemplados en el proyecto, así como la infraestructura de diseño, construcción y fabricación

de celdas de alta presión.

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Celda de alta presión para mediciones de equilibrio y estabilidad de sistemas polímero-CO2

supercrítico

En resumen, tanto las instituciones participantes como los investigadores responsables,

tienen la capacidad física y humana para llevar a buen término este proyecto. Tal que se logre

integrar un grupo multidisciplinar, que en un futuro (a partir de esta iniciativa), se lleven a cabo

desarrollos científicos y tecnológicos en el uso del CO2 supercrítico en procesos

ambientalmente compatibles con el bienestar social.

CRONOGRAMA. CALENDARIO DE ACTIVIDADES Las actividades principales son:

1. Actualización bibliográfica.

2. Adquisición de materiales y equipo.

3. Caracterización de los materiales.

4. Diseño, construcción y prueba de celda de extracción y formación de

microencapsulados.

5. Evaluación experimental de extracción supercrítica.

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6. Evaluación experimental de formación de partículas y microencapsulados.

7. Modelación termodinámica.

8. Documentación.

Se describen a continuación cada actividad:

1. Actualización bibliográfica.

Para el desarrollo de esta área del proyecto, se realizarán búsquedas bibliográficas a fin

de actualizar el acervo bibliográfico del que se dispone actualmente, tanto en libros como en

revista especializadas.

Los temas de interés son:

• Termodinámica de soluciones. Modelos termodinámicos para el cálculo del equilibrio

de fases

• Estudios experimentales de extracción supercrítica. Equipo, metodología,

caracterización cromatográfica de los extractos y aplicaciones.

• Estudios experimentales de formación de partículas y microencapsulados. Equipo,

metodología, caracterización de materiales y aplicaciones.

• El estado del arte de la tecnologías supercrítica.

Se contempla realizar esta actividad al inicio del proyecto y en etapas intermedias del

mismo.

2. Adquisición de materiales y equipo.

Los estudios experimentales contemplados en la investigación consideran el uso de

diversos materiales. En particular polímeros solubles en CO2, las matrices sólidas a extraer sus

aceites (flores, tallos, hojas, etc. de plantas naturales mexicanas), solventes tanto para la

limpieza de equipo como agentes de extracción.

En cuanto el equipo, los requerimientos de éstos es muy variado ya que considera desde

equipos y accesorios de alta presión, sensores de presión y temperatura, matriales y accesorios

para la fabricación de las celdas experimentales, columnas cromatográficas, cristalería diversa,

etc.

En esta fase, tanto los trámites y gestiones para la adquisición de los materiales y

equipos, es una labor que lleva un tiempo importante a considerar para el éxito y avance del

proyecto.

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3. Caracterización de los materiales.

Para un estudio experimental se requiere evaluar los productos de la extracción mediante

análisis cromatográficos, índice de refracción, densidad, etc. En el caso de la formación de

partículas mediante microscopio de fuerza atómica (SEM) para determinar la morfología, la

distribución y tamaño de partícula. Tanto los equipos como los métodos de medición se

encuentran bien definidos, y disponibles en las instituciones participantes.

4. Diseño, construcción y prueba de celda de extracción y formación de

microencapsulados.

Una de las actividades del proyecto es el diseño y adecuación de una celda de extracción

y formación de partículas que se estará realizando a principios del año. Actualmente se

encuentra en construcción.

5. Evaluación experimental de extracción supercrítica.

Se realizarán pruebas experimentales de extracción de aceites de diferentes plantas:

caléndula, pimienta dioica, valeriana, cuachalalate, etc. Estudiando el efecto que tienen las

condiciones de temperatura, presión, relación sólido/CO2 y la presencia de un co-solvente. Se

compararán los resultados con otros procesos de extracción como arrastre con vapor,

extracción con solvente, hidrodestilación, etc.

Tanto el rendimiento de extracción como la caracterización de componentes del extracto

serán evaluadas y comparadas.

6. Evaluación experimental de formación de partículas y microencapsulados.

Las pruebas de expansión para la formación de partículas y microencapsulados se

realizarán estudiando el efecto de la concentración y las dimensiones de la boquila de

expansión a diferentes condiciones de temperatura y presión.

7. Modelación termodinámica.

El estudio de la termodinámica de los sistemas en un fluido supercrítico suelen presentar

diferentes comportamientos, desde efectos de solubilidad, equilibrio sólido-líquido, líquido-

líquido y líquido-vapor. Por lo que su evaluación y predicción es de gran importancia para

entender el comportamiento de estos sistemas complejos. En esta actividad se revisarán y

adecuarán los diferentes modelos predictivos y en función de los resultados se ajustarán con

información experimental generada en este proyecto o de la literatura abierta.

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La modelación termodinámica con el estudio de diversos modelos tal como la ecuación de

Sánchez-Lacombe y SAFT, proporcionará una mayor información y entendimiento del

fenómeno y la posibilidad de extender el estudio a otros sistemas y condiciones. Esta fase

incluye desde el ajuste de los parámetros característicos de los componentes en el modelo, el

desarrollo de las expresiones y algoritmos de cálculo, el ajuste de la información experimental y

el análisis de resultados.

8. Documentación.

Aquellas actividades relacionadas a la preparación de reportes, artículos y trabajos en

congresos, considerando la redacción, escritura y presentación del material, ha sido

considerada en esta actividad. Así como la revisión y seguimiento de las tesis de licenciatura y

posgrado productos de la investigación.

Adicionalmente se consideran juntas de trabajo entre los diversos grupos

multidisciplinarios de investigación (estudiantes, profesores, investigadores visitantes, etc.).

Esto constituye, esencialmente, el trabajo de difusión de los resultados de la

investigación.

A continuación se anexa el calendario de actividades:

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PROGRAMA DE ACTIVIDADES (en trimestres)

2006

Actividad 1 2 3 4

Actualización Bibliográfica

Adquisición de materiales y equipo

Caracterización de los materiales

Diseño de la celda

Estudio experimental de extracción supercrítica

Estudio experimental de formación de partículas

Modelación termodinámica

Documentación

2007

Actividad 1 2 3 4

Actualización Bibliográfica

Adquisición de materiales y equipo

Caracterización de los materiales

Estudio experimental de extracción supercrítica

Estudio experimental de formación de partículas

Modelación termodinámica

Documentación

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2008

Actividad 1 2 3 4

Actualización Bibliográfica

Adquisición de materiales y equipo

Caracterización de los materiales

Estudio experimental de extracción supercrítica

Estudio experimental de formación de partículas

Documentación

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PRESUPUESTO 2006

Subcuenta Concepto Cantidad solicitada, $

E012 Pago de servicios profesionales y honorarios 15,000.00

E071 Consumibles de laboratorio 60,000.00

E197 Becarios 95,000.00

TOTAL 170,000.00

2007

Subcuenta Concepto Cantidad solicitada, $

E012 Pago de servicios profesionales y honorarios 20,000.00

E071 Consumibles de laboratorio 75,000.00

E197 Becarios 125,000.00

TOTAL 220,000.00

2008

Subcuenta Concepto Cantidad solicitada, $

E012 Pago de servicios profesionales y honorarios 25,000.00

E071 Consumibles de laboratorio 85,000.00

E197 Becarios 135,000.00

TOTAL 245,000.00 RESULTADOS ENTREGABLES

Descripción 2006 2007 2008

Artículos con arbitraje 1 2 2

Graduados maestría (PIFOP) 1 2 2

Presentación de trabajos 1 2 2

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BIBLIOGRAFÍA GENERAL 1. AKGÜN, Mesut. Extraction and Modeling of Lavender Flower Essential Oil Using

Supercritical Carbon dioxide. Ind. Eng. Chem. Res. 2000, 39, 473-477.

2. BENEDETTI Luca, Alberto Bertucco, and Paolo Pallado, Production of Micronic Particles of Biocompatible Polymer Using Supercritical Carbon Dioxide, Biotechnology and

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3. CHEUNG, P. C. K., Leung, A. Y. H. Comparison of Supercritical Carbon Dioxide and

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4. DINCER, S., Akgun, M., Akgun, N. A. Phase Behaviour of Essential Oil Components in Supercritical Carbon Dioxide. Journal of Supercritical Fluids. 1999, 15, 117-125.

5. FOSTER, N. R., Solubility of Cholesterol in Supercritical Carbon Dioxide. Industrial &

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6. FOSTER, R. N., Singh, H., et al. Polar and Nonpolar Cosolvent Effects on the Solubility of Cholesterol in Supercritical Fluids. Industrial & Engineering Chemistry Research. 1993, 32,

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7. FRANKLIN, Randall K, Jack R. Edwards, Yury Chernyak, Richard D. Gould, Florence Henon,

and Ruben G. Carbonell, Formation of Perfluoropolyether Coatings by the Rapid Expansion of Supercritical Solutions (RESS) Process. Part 1: Experimental Results, Ind.

Eng. Chem. Res., 2001, Vol. 40, No. 26, págs. 6118–6126

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