Alcohol r3y29

VII Congreso Nacional de Ciencias y Tecnología de Alimentos Lambayeque 2005

ESTUDIO DEL EFECTO DE MEZCLAS DE BENTONITA CÁLCICA, SÓDICA Y CARBÓN ACTIVADO EN LA DESODORIZACIÓN DEL ALCOHOL DE CAÑA DE PRIMERA DESTILACIÓN. THE STUDY OF THE EFFECT OF THE CALCIC BENTONITE, SODIUM BENTONITE AND ACTIVATED COAL MIXTURES ON THE PROCESS OF REMOVAL SCENT OF SUGAR CANE SPIRIT OF FIRST DISTILLATION. Piercosimo Tripaldi C., Universidad del Azuay, [email protected] UNIVERSIDAD DEL AZUAY, Facultad de Ciencia y Tecnología.

RESUMEN: En este trabajo se realizó un estudio de los efectos de una bentonita “cálcica”, “sódica” y carbón activado en el proceso de desodorización del alcohol de caña de primera destilación. El objetivo de este proyecto es encontrar la mezcla óptima de agentes con la mayor capacidad de desodorización. Para este efecto se realizó un diseño experimental mezclas de Scheffé de tercer orden reducido (3, 3) en el cual se ejecutaron una serie experimentos realizando variaciones en los porcentajes de las mezclas. En la valoración de la respuesta se utilizaron dos métodos de análisis, el primero fue análisis sensorial, en el que se evaluó principalmente el aroma, pero también se tomó en cuenta otros factores como la aspecto, color y sabor del alcohol de caña; el segundo consistió en la realización del análisis gas cromatográfico del alcohol de caña antes y después del proceso de desodorización. Se unificaron los dos tipos de respuestas obtenidas mediante una decisión de multicriterios, tomando en cuenta también los factores de tiempo y costo en los experimentos. Para este fin se utilizó la función de deseabilidad f ( d ) en el cual se consiguió agrupar las respuestas con valores que van de 0 a 1, siendo 1 el mejor valor de la respuesta. En la optimización del modelo se consiguió una ecuación que representa una superficie de respuesta. El punto óptimo de máxima función de respuesta se encontró para la siguiente combinación de medios: Bentonita cálcica 15%, Bentonita sódica 70% y carbón activado 15%. Palabras clave: alcohol de caña de primera destilación, bentonitas carbón activado, diseño experimental mezclas, función de deseabilidad, superficie de respuesta. ABSTRACT: In this work, the effects of calcic bentonite, sodium bentonite and activated coal mixtures were studied on the process of removal scent of sugar cane spirit of first distillation. The goal of this work was to find the material or the mixture of materials with the highest capacity of removing scent. The experimentation was made with a Scheffé's mixture experimental design, using Special cubic model (3, 3). The group of experiments was executed carrying out variations in the percentages of the mixtures. To predict the response two analysis methods were used. The first one consists on sensorial analysis. The main attribute to evaluate in the sugar cane spirit was the smell, but others attributes like aspect, colour and flavour were considered. The second one consists on gas chromatography analysis. The analyses were made before and after the elimination the scent process. It determines the variation in the concentration of compound causing of the scent in the sugar cane spirit. These two responses were unifying through desirability function, time and cost were included as a factor to get the desirability function. The single response obtained was a value between 0 to 1, been 1 the better value of response. The point of the maximum response is this material combination calcic bentonite 15%, sodium bentonite 70% and activated coal 15%. Keywords: sugar cane spirit of first distillation, bentonite, activated coal, mixture experimental design, , desirability function, response surface. destilación, en el cual se estudia la aplicación de mezclas de sustancias adsorbentes como bentonita sódica, cálcica y carbón activado. El olor del alcohol de caña de primera destilación es producido por un conjunto de sustancias volátiles, estas sustancias pertenecen principalmente al grupo de los ésteres, aldehídos, alcoholes superiores y

INTRODUCCIÓN: El alcohol de caña de primera destilación se lo somete a una serie de procesos para la eliminación de olores y sabores indeseables para la producción de licores, que generalmente son procesos de rectificación. (1).Este trabajo analiza un método alternativo para realizar el proceso de desodorización del alcohol de primera

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cetonas(2). Las bentonitas son minerales que presentan una estructura laminar, cuyas láminas están separadas por cationes hidratados de Ca, Mg y Na, (3), tienen una superficie específica de 80600m²/g, (3) y capacidad de intercambio catiónico de 80-200 meq /100 g (3).Las bentonitas con predominio de cationes de sodio se denominan sódicas, y con predominio de cationes de calcio, cálcicas. El carbón activado es el producto obtenido a partir del carbón amorfo, extremadamente poroso, con un área superficial de 500 -1500 m²/g (4).Para el estudio de este proceso se utilizó un diseño experimental de mezclas, (5), en el cual se evaluó las mezclas de tres componentes (bentonita Na, bentonita Ca y carbón MATERIALES Y MÉTODOS: Los materiales utilizados para realizar el proceso fueron: BCa Bentonita “cálcica” y BNa Bentonita “sódica” (donación de empresa MINMETEC Cuenca-Ecuador), CA Carbón activado (Merck # 1.02189) y Alcohol de caña de primera destilación (Paute-Ecuador). 1. Caracterización de las materias primas: Para la caracterización de las materias primas se utiliza varios métodos de análisis que son: superficie específica (7), (método de azul de metileno utilizando para realizar las lecturas un espectofotometro de marca PERKIN ELMER Lamba 2 UV/VIS Spectotrophotometer), intercambio catiónico, (8), (se determinó por absorción atómica con un instrumento PERKIN ELMER 3110 Atomic Absortion Spectrometer), análisis térmico diferencial (9), (LINSEIS L62 DTA) y análisis termogravimétrico (LINSES L81-11) (9), análisis gas cromatográfico (1) (HRGC 5300), Grado alcohólico (1) 2. Diseño experimental.

activado), frente a las siguientes respuestas: Análisis sensorial, análisis gas cromatográficos, en el cual se determinó la disminución de los componentes responsables de olores y sabores desagradables del alcohol de caña (Acetaldehído, Isopropanol, Propanol, Etilacetato, Sec-butanol, Isobutanol, Isoamilico y Furfural)(2). También se consideró factores relevantes como son el costo del material y el costo del tiempo empleado en el proceso. Las respuestas fueron unificadas mediante la función de deseabilidad (6), la cual premia las mejores mezclas y penaliza las mezclas que no satisfacen todas las necesidades. En la optimización del modelo se utilizó el método de superficie de respuesta (5). Se utilizó el diseño experimental de mezclas de Scheffé (5) de tercer orden reducido, en el cual se elaboraron 7 experimentos con mezclas. Cada experimento se realizó con un porcentaje de 3% de agentes desodorizantes y con un tiempo de actuación de 1 hora, estos parámetros se establecieron a partir de un diseño experimental mixto realizado previamente, que involucró un diseño factorial 2², que evaluó las condiciones de las variables de proceso (porcentaje y tiempo); y un diseño experimental de mezclas simplex central 2³-1 que evaluó las combinaciones entre los agentes desodorizantes, de este diseño se tomó la ecuación que con la mayor superficie de respuesta. En los experimentos se trabajó con un volumen de 250cc de alcohol, se colocaron los agentes desodorizantes, se agitó y tapó. Luego del tiempo esperado se filtró el alcohol. En la tabla de experimentos que está continuación se muestra el orden que se siguió para la experimentación.

Tabla 1. Matriz del diseño de mezclas de Scheffe 2³-1 # exp.

BCa

BNa

CA

1

1

0

0

Y Y1

2

0

1

0

Y2

3

0

0

1

Y3 Y4

4

0,5

0,5

0

5

0,5

0

0,5

Y5

6

0

0,5

0,5

Y6

7

1/3

1/3

1/3

Y7

Una vez realizado el proceso desodorización se realiza la valoración de la respuesta: análisis sensorial (11) y análisis gas cromatográficos. Para el análisis sensorial, se conformó el de catación, integrado

por 20 personas, las cuales llenaron una hoja de repuestas que evaluó principalmente el olor, pero también se consideró el aspecto, color y sabor en el alcohol de primera destilación. A la muestra se le redujo el grado

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alcohólico de 60º GL hasta llegar a una concentración de 20º GL para que sea aceptado por el paladar. Mediante el análisis gas cromatográfico se determinó la composición del alcohol de caña antes y después del proceso, los compuestos analizados fueron: Acetaldehído, Metanol, Isopropanol, Propanol, Etilacetato, Secbutanol, Isobutanol, Isoamilico y Furfural. La

medida de la respuesta es la diferencia de composición que existe entre los compuestos antes y después del proceso de desodorización. Se unificaron las dos criterios mas una valoración en el tiempo y costos del proceso mediante tres tipos función de deserabilidad f ( d ) con valores que van de 0 a 1, siendo 1 el mejor valor de respuesta:

♦

♦ ♦ ♦ ♦

Aspecto Color Olor (intensidad, alcohol, caña, fármacos, Madera, plástico) Sabor ( picante, amargo, dulce y alcohol).

Maximización

1 0 75 05 0 25 0

5

150 50 Y (Criterio)

150

Minimización

1 0 75 05 0 25 0

0

50 100 Y (Criterio)

150

Central

Sabor (caña).

d (deseabilidad)

♦

Disminución de compuestos presentes en el alcohol.

d (deseabilidad)

Atributo Evaluado

deseabilidad)

Tabla 2 Atributos evaluados en la función de deseabilidad

1 0 75 05 0 25 0

La funcion de deseabilidad se calcula de la siguiente manera:

0

25Y (Criterio) 50 75

100

resultados se presentaron mediante una superficie de respuesta de tercer orden, que representó las mezclas contra la función de deseabilidad.

Di = c d1i . d 2i ......d ci 0 ≤ Di ≤ . Donde D es la deseabilidad, d el criterio utilizado y c el número de criterios utilizado. Los

RESULTADOS: El alcohol de primera destilación con que se trabajó tenía un grado alcohólico de 60º GL, presentaba la siguiente composición inicial: Tabla 3. Composición del alcohol de primera destilación. Compuesto Acetaldehido

Metanol

Isopropanol

Propanol*

Etilacetato

Sec-butanol

Isobutanol*

Isoamilico*

Furfural

Total

12,915

2,005

0,435

113,43

37,255

30,725

25,19

79,41

1,14

302,505

Las características de la bentonita denominada cálcica, sódica y carbón activado son:

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Tabla 4. Superficie específica e intercambio catiónico de los agentes.

Bentonita sódica Bentonita cálcica Carbón activado

Superficie específica (m²/g) 59.8

Intercambio cationico (meq/100g) 25.16

79.5

202.56

833.97

-

Las gráficas de los termoanálisis (TG) y (DTA) de las bentonitas son:

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Figura 1. TG Bentonita sódica

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Figura 2. TG Bentonita cálcica

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Figura 3. DTA Bentonita sódica

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Figura 4. DTA Bentonita cálcica:

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En la parte experimental Se obtuvieron las siguientes respuestas: Tabla 5 Función de deseabilidad. e erimento 1 2 3 4 5 6 7

f (d ) A. sensorial + f (d ) Total (A. sensorial + A gas BCa 1 0 0 0,5 0,5 0 1/3

BNa 0 1 0 0,5 0 0,5 1/3

CA

A gas cromatograficos

cromatograficos tiempo y costo)

0 0 1 0 0,5 0,5 1/3

0,639

0.641 0.632 0.584 0.663 0.569 0.621 0.717

0,629 0,620 0,665 0,580 0,640 0,741

Se consiguió una ecuación que representa una superficie de respuesta ( Y ). Y = 0.641BCa + 0.632 BNa + 0.584CA + 0.107 BCa * BNa − 174 BCa * CA + 0.052 BNa * CA + 2.695 BCa * BS * CA Figura 5. Superficie de respuesta del proceso de desodorización del alcohol. Diseño experimetal de mezclas Y=0,641*X1+0,632*X2+0,584*X3+0,107*X1X2-0,174*X1X3+0,052*X2X3+2,695X1X2X3

0,579 0,593 0,607 0,622 0,636 0,65 0,664 0,678 0,692 0,707 above

Mediante el método de Lenth (10) se realizó el estudio de los coeficientes significativos al 95% de la ecuación anterior, el único coeficiente significativo es el que involucra a los tres componentes. Las proporciones óptimas de los agentes son: Bentonita cálcica 15%, Bentonita sódica 70% y carbón activado 15%. DISCUSIÓN: Los parámetros de 3% de agentes desodorizantes y 1 hora de actuación se consiguió una ecuación con la que se obtuvo una la superficie de respuesta (5) como se observa en la gráfica con un sinergismo de la respuesta, principalmente en la parte central. Al el realizar el análisis de los coeficientes significativos (10) se encontró, el coeficiente que involucra a los tres componentes, lo cual quiere decir que la mayor superficie de respuesta se da al utilizar la mezcla en las proporciones antes mencionadas, Aunque el carbón activado tiene una capacidad de adsorción mas alta (4), al realizar la mezcla de los agentes la superficie de respuesta en mayor, esto se debe a que también se considera factores como costo y porcentaje de agente utilizado.

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Este resultado obtenido, realizado a nivel de laboratorio, tiene la finalidad de sustituir procesos industriales para la desodorización del alcohol de primera destilación (1), por procesos mas económicos, consiguiendo los mismos o mejores resultados.

BIBLIOGRAFIA:(1) CARBONELL RAZQUIN, MATEO. “Aguardientes licores y aperitivos: su fabricación actual”, Editorial Sintes. Barcelona España (1965). (2) CUNHA NÓBREGA C, “The analysis of volatile compounds from Brazilian sugar cane spirit by dynamic headspace concentration and gas chromatography -mass spectrometry”, Scielo Brazil, Ciencia y Tecnologia de Alimentos. Volumen.23 N°.2 mayo/agosto (2003). http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S010120612003000200019&lng=es&nrm=iso (3) ROMERO EMILIA, SUÁREZ MERCEDES, “Las Arcillas: Propiedades y Usos”, Universidad Complutense, Universidad de Salamanca, Madrid España, http://www.uclm.es/s/higueras/yymm/Arcillas.htm#arccom (4) RODRÍGUEZ REINOSO Y M. MOLINA SABIO, “El carbón activado en procesos de descontaminación”, Departamento de Química Inorgánica. Universidad de Alicante. España, (1999). (5) CORNELL JOHN A, “Experiments with mixtures: designs, models and the analysis of mixture data”, Segunda edición, Editorial John Wiley, New York-USA (1990). (6)TODESCHINI ROBERTO, “Introduzione alla chemiometria”, Editorial EDISES, Milano Italia, (1998). (7) PINZON BELLO J, “Superficie específica de una bentonita mediante la adsorción de azul de metileno”, Revista Colombiana de Química, Volumen 26, Nº 1 (1997). http://www.icfecs.gov.co/revistas/recolqui/972601/970601~2.HTM (8) PRIMO E, CARRASCO JM, “Química Agrícola I suelos y Fertilizantes”, Primera edición, Editorial Alhambra S.A, Madrid-España (1973). (9) FABBRI B, FIORI C, RAVAGLIOLI, “Materie prime ceramiche, Tecniche analitiche e indagin di laboratorio”, Primera edición, Editorial Faenza, Faenza-Italia (1989). (10) G LEWIS, D MATHIEU, PHAN-THAN-LUU, “Drugs and pharmaceutical sciences”, primera edicion, Editorial Marcel Dekkr.Inc, New york-USA, (1999). (11) MONTEODORO G, “Caracteristiche olfative e gustative deglialimenti”, Primera edición, editorial Chirtiotti, Pinerolo-Italia (1985). AUTOR: Piercosimo Tripaldi C.,Universidad del Azuay, [email protected]

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