PROCEDIMIENTOS DE SEPARACIÓN DE ETANOL EN BEBIDAS
La destilación es el método de separación más común e importante para la purificación y separación de líquidos. En algunos casos se pueden separar hasta dos líquidos mediante la destilación simple siempre que sus temperaturas de ebullición difieran notablemente (más de60ºC). Hay tres tipos de destilación: la simple, la fraccionada y al vacío.
·En una destilación simple el líquido a presión atmosférica se calienta en un tubo cerrado que contiene una salida hacia un tubo refrigerado donde se condensas los vapores . Con esta operación podemos purificar un disolvente, pero no podemos separar completamente dos o más líquidos volátiles.
· La destilación fraccionada incorpora una columna de fraccionamiento entre la disolución y el refrigerante, lo que equivale a realizar etapas consecutivas de una destilación simple
· La destilación al vacío se trata de una destilación sencilla o fraccionada realizada a presión reducida. La presión reducida hace que las temperaturas de ebullición sean más bajas, lo que permite separar sustancias con puntos de ebullición elevados. El grado alcohólico de una bebida se define como el tanto por ciento en volumen de etanol contenido en la misma. Así el grado de alcohol de una mezcla de expresa:
Grado alcohólico=Vetanol/ Vdisolución
Si partimos de un vino por ejemplo, se trata de una mezcla muy compleja; contiene agua,etanol, azúcares, ácidos orgánicos, pigmentos (que le dan color) y otros ingredientes.
Loscomponentes volátiles que se encuentran en cantidad considerable son precisamente el agua y el etanol, cuyos puntos de ebullición son, respectivamente, 100,0 °C y 78,3 °C. Ambos pueden formar un azeótropo que hierve a 78,2 °C y cuya composición es 96 % de masa de etanol (97 % en volumen). En el vino, el contenido en alcohol se expresa en porcentaje de volumen y es algo mayor del 10 %. En la destilación de vino no se puede obtener ninguna fracción que contenga alcohol al 100 %, debido a que el “componente” más volátil es precisamente el azeótropo. No se van a obtener fracciones; lo que se hará es destilar todo el etanol contenido en la muestra, con la intención de determinar el contenido de alcohol de ese vino. En realidad lo que se determinará directamente es el contenido de alcohol en una mezcla de etanol y agua que remeda al vino que ha sido destilado. Para ello, se destilará hasta obtener todo el alcohol del vino y se le añadirá agua destilada hasta completar el volumen de la muestra de vino que se ha empleado. Entonces se sumergirá un alcohómetro en la disolución etanol-agua y en su escala se leerá directamente el grado alcohólico aproximado. Este método de medida está basado en que la densidad de la mezcla depende de su composición y un alcohómetro no es más que un densímetro cuya escala tiene “traducidos” los valores de densidad a valores de porcentaje de alcohol.
Los procesos de membrana han evolucionado notablemente durante las ultimas decadas, pasando de su uso a escala de laboratorio, hasta convertirse en un producto industrial de gran relevancia tecnica y comercial, resultando en muchos casos mas seguros, eficientes y economicos que las tecnicas de separacion convencionales tales como la destilacion, cristalizacion, extraccion, absorcion, etc. en el caso concreto de la pervaporacion, como alternativa a los procesos evaporativos de separacion, actualmente se estan obteniendo resultados prometedores, sobre todo en la separacion de mezclas etanol-agua, donde esta tecnologia esta siendo ampliamente estudiada. en este sentido, y considerando la creciente situacion excedentaria del sector vitivinicola en los ultimos años, asi como las exigencias del consumidor en relacion al contenido calorico de los productos de consumo, se ha definido un metodo de preparacion de membranas compuestas de pv, para su aplicacion a la desalcoholizacion de vinos. este metodo esta basado fundamentalmente en el estudio de las dos subestructuras fundamentales que constituyen dicha membrana: capa selectiva y estructura microporosa. la formacion de la estructura microporosa se realiza por el proceso de inversion de fase, siendo las variables mas importantes que del mismo: la concentracion del polimero constituyente de dicha estructura, el espesor depositado de polimero y la temperatura y tiempo de precipitacion. su estudio se ha realizado con ayuda de los diagramas de equilibrio, utilizando polisulfona (ps) como material de membrana, dimetilacetamida (dma) como disolvente y agua como medio no-solvente. la formacion de la estructura selectiva de la membrana, despues de un estudio previo de los materiales de membrana existentes, se obtiene a partir de la mezcla de polimeros de silicona: polihidrogenometilsiloxano (phms) y polidimetilsiloxano (pdms), que despues de un tratamiento termico entrecruza por la accion del catalizador. las variables mas importantes que intervienen en el proceso son: composicion de la mezcla de siliconas, disolvente, concentracion del catalizador y temperatura y tiempo de curado.
Las membranas formadas se han caracterizado con el fin de encontrar la relacion existente entre las variables que definen el proceso de formacion, su estructura y propiedades permeselectivas. para ello se ha utilizado una planta experimental de pv donde se miden las propiedades que definen el comportamiento de la membrana de pv: selectividad (alfa) y flujo (j), para el caso de la desalcoholizacion de soluciones etanol-agua (11% v/v) y para la desalcoholizacion de soluciones modelo de vino, ademas se determina el factor de separacion (beta) para cada uno de los componentes aromaticos constituyentes de la misma. finalmente se ha aplicado la tecnica de microscopia electronica de scanning para evaluar la estructura de la membrana con su comportamiento y causas de formacion. los resultados indican que se dispone de un metodo de formacion de membranas compuestas de pv, susceptibles de ser utilizadas tanto en procesos de separacion etanol-agua como en desalcoholizacion total o parcial de vinos, siendo su comportamiento mas selectivo al etanol que el mostrado por la unica membrana comercial para desalcoholizacion actualmente conocida, ensayada en las mismas condiciones de operacion. asi en la desalcoholizacion de soluciones modelo de vino (del 11% v/v de etanol), se ha obtenido un alfa=7.8 y un j=0.047 l/m2h.
Extracción.
La extracción es una técnica de separación que se puede aplicar a todo tipo de mezclas, ya sean éstas sólidas, líquidas o gaseosas. La extracción se basa en la diferencia de solubilidad de los componentes de una mezcla en un disolvente adecuado. La forma más simple de realizar una extracción consiste en tratar la mezcla de compuestos con un disolvente de manera que uno de los componentes se disuelva y los demás no. Sin embargo, la técnica de extracción más empleada consiste en la disolución de la mezcla a separar en un disolvente que disuelva a todos los componentes. A continuación, se procede a la adición de un segundo disolvente, no miscible con el primero, de manera que los componentes de la mezcla se distribuyan entre los dos disolventes según su coeficiente de reparto, que está directamente relacionado con la solubilidad de cada compuesto. Si algún componente de la mezcla es muy soluble en uno de los disolventes y muy poco en el otro quedará prácticamente todo en el que es soluble, mientras que los otros componentes de la mezcla quedarán en el otro disolvente. La separación de los dos disolventes y su evaporación suministrará residuos enriquecidos en los componentes más solubles.
Sublimación.
La sublimación es el paso de una sustancia del estado sólido al gaseoso, y viceversa, sin pasar por el estado líquido. Se puede considerar como un modo especial de destilación de ciertas sustancias sólidas. El punto de sublimación, o temperatura de sublimación, es aquella en la cual la presión de vapor sobre el sólido es igual a la presión externa. La capacidad de una sustancia para sublimar dependerá por tanto de la presión de vapor a una temperatura determinada y será inversamente proporcional a la presión externa. Cuanto menor sea la diferencia entre la presión externa y la presión de vapor de una sustancia más fácilmente sublimará. Generalmente, para que una sustancia sublime debe tener una elevada presión de vapor es decir, las atracciones intermoleculares en estado sólido deben ser débiles. Así, los compuestos que subliman fácilmente tienen una forma esférica o cilíndrica, que no favorece unas fuerzas intermoleculares fuertes La sublimación es un método excelente para la purificación de sustancias relativamente volátiles en una escala que oscila entre los pocos miligramos hasta 10 gramos.
Cristalización.
Es la técnica más simple y eficaz para purificar compuestos orgánicos sólidos. Consiste en la disolución de un sólido impuro en la menor cantidad posible del disolvente adecuado en caliente. En estas condiciones se genera una disolución saturada que al enfriar se sobresatura produciéndose la crisitalización. El proceso de cristalización es un proceso dinámico, de manera que las moléculas que están en la disolución están en equilibrio con las que forman parte de la red cristalina. El elevado grado de ordenación de una red cristalina excluye la participación de impurezas en la misma. Para ello, es conveniente que el proceso de enfriamiento se produzca lentamente de forma que los cristales se formen poco a poco y el lento crecimiento de la red cristalina excluya las impurezas. Si el enfriamiento de la disolución es muy rápido las impurezas pueden quedar atrapadas en la red cristalina. Para la elección de un disolvente de cristalización la regla “lo semejante disuelve a lo semejante” suele ser muy útil. Los disolventes más usados, en orden de polaridad creciente son el éter de petróleo, cloroformo, acetona, acetato de etilo, etanol y agua. Es mejor utilizar un disolvente con un punto de ebullición que sobrepase los 60°C,
pero que a su vez sea por lo menos 10°C más bajo que el punto de fusión del sólido
que se desea cristalizar. En muchos casos se necesita usar una mezcla de disolventes
y conviene probar diferentes mezclas para encontrar aquella que proporciona la cristalización más efectiva. En la siguiente tabla aparecen los disolventes más empleados en la cristalización
de las clases más comunes de compuestos orgánicos:
Clases de compuestos Disolventes sugeridos
hidrocarburos hexano, ciclohexano, tolueno
éteres éter, diclorometano
haluros diclorometano, cloroformo
compuestos carbonílicos acetato de etilo, acetona
alcoholes y ácidos etanol
sales agua
Cromatografía
Las técnicas cromatográficas para el análisis y purificación de los productos de reacción son ampliamente utilizadas en el laboratorio orgánico. La técnica cromatográfica de purificación consiste en separar mezclas de compuestos mediante la exposición de dicha mezcla a un sistema bifásico equilibrado. Todas las técnicas cromatográficas dependen de la distribución de los componentes de la mezcla entre dos fases inmiscibles: una fase móvil, llamada también activa, que transporta las sustancias que se separan y que progresa en relación con la otra, denominada fase estacionaria. La fase móvil puede ser un líquido o un gas y la estacionaria puede ser un sólido o un líquido. Las combinaciones de estos componentes dan lugar a los distintos tipos de técnicas cromatográficas.
A continuación, se explicarán con detalle las cromatografías de adsorción y la de gases, puesto que son las más usadas en el laboratorio orgánico. Cromatografía de adsorción Dentro de esta técnica pueden diferenciarse dos tipos de cromatografías de adsorción denominadas cromatografía cromatografía de columna y de capa fina (abreviada TLC, del inglés Thin Layer Chromatography). Para la técnica de cromatografía de adsorción en columna se emplean columnas verticales de vidrio cerrada en su parte inferior con una llave que permita la regulación del flujo de la fase móvil. Las columnas se rellenan con un adsorbente, como alúmina o gel de sílice (fase estacionaria), mojado con el disolvente que se vaya a emplear en el proceso cromatográfico. En la parte superior de la columna se pone la disolución de la mezcla a separar y a continuación un depósito que contenga el eluyente (fase móvil) que se va a utilizar en la separación. Se abre la llave inferior de manera que el eluyente comience a bajar por la columna. En este proceso, los componentes de la mezcla son adsorbidos por la fase estacionaria con diferente intensidad, de manera que el proceso de adsorción-desorción hace que unos componentes avancen más rápidamente que otros. El líquido que sale por la parte inferior de la columna se recoge de manera fraccionada. Si los componentes de la mezcla avanzan a muy diferente velocidad se podrán obtener fracciones cromatográficas constituidas por un solo componente.
