Aceites y Grasas Comestibles

Introducción al Proceso de Fraccionamiento

Definición de Fraccionamiento

Fraccionamiento es un proceso termomecánico mediante el cual, una mezcla de multicomponentes se separa en forma física en dos o más fracciones, las cuales exhiben diferentes propiedades físicas y químicas. 

Este proceso aplica a un sin fín de aplicaciones en diversos rubros de la industria actual.

En la industria de aceites y grasas comestibles

Es el proceso de separación donde una parte de la materia grasa, generalmente un aceite o una grasa, se cristaliza de un modo selectivo, luego del cual la fase líquida que permanece se separa de la sólida mediante filtración o centrifugación.

Según Tirtiaux (1976) el “fraccionamiento” es la frigelización de una grasa seguida de una separación de cristales, con el fin de obtener dos fases diferentes.

Se entiende por frigelización al proceso tecnológico de enfriamiento progresivo.

Tipos de Fraccionamiento

A lo largo de los años se han desarrollado diferentes sistemas de fraccionamiento para la industria de grasas y aceites.

En la actualidad, existen cinco principios básicos de fraccionamiento:

• Fraccionamiento con solvente
• Fraccionamiento mediante el uso de detergente
• Destilación
• Extracción supercrítica
• Fraccionamiento seco

Fraccionamiento con solvente

• El rendimiento y la selectividad del fraccionamiento se incrementa cuando se realiza utilizando un solvente, que puede ser hexano o acetona.
• El aceite disuelto en el solvente es enfriado con salmuera para llevar a cabo la cristalización, llevado a un filtro al vacío, y cada una de las miselas resultantes es destilada para remover el solvente.
• Con este proceso, es posible alcanzar 80% de oleína, en el caso del aceite de palma.
• Los altos costos del proceso, debido al equipo de recuperación del solvente, reposición de solvente y requerimientos de temperaturas más bajas, hacen este proceso factible solamente para productos de alto valor, por ejemplo, productos de aceite de palmiste equivalentes a la manteca de cacao (se puede obtener hasta un 40% de fase líquida, separación que sólo llega a un 25% con otros procesos).

Fraccionamiento mediante el uso de detergentes

• También conocido como proceso Lanza o Liprofac.
• Es llevada a cabo generalmente con aceite crudo de palma.
• El aceite es primero enfriado en el cristalizador con agua de enfriamiento para llevar a cabo la cristalización de los glicéridos de más alto punto de fusión.
• Cuando se alcanza la temperatura deseada, cerca de 20°C, la masa es mezclada con una solución acuosa de 0.5% de sulfato láurico de sodio y sulfato de magnesio como electrolito.
• Los cristales de estearina son separados en suspensión en esta fase acuosa.
• Las fases son separadas en una centrífuga.
• La fase acuosa es calentada a 95-100°C para romper la emulsión y recobrar la estearina. Las fases, cada una por separado, son lavadas con agua caliente para remover el exceso de detergente, y luego llevadas a un secador al vacío antes de almacenamiento.
• El porcentaje de separación alcanzado, es cerca del 80% de oleína.
• Esta técnica ha perdido interés por los altos costos y a los problemas de contaminación que puede generar.
• Tiene como principio la diferencia de puntos de ebullición de los diferentes componentes.
• No se aplica a los glicéridos debido a que estos productos tienden a descomponerse antes de evaporarse.
• Se aplica a gran escala en la industria oleoquímica para el fraccionamiento de los ácidos grasos con relación al largo de sus cadenas.
• Su aspecto más importante de la destilación de ácidos grasos, es la obtención de productos de alta calidad (excelente color, bajos niveles de impurezas, etc.)
• Generalmente se realiza en columnas rellenas especialmente diseñadas y sometidas a alto vacío.

Destilación

• Tiene como principio la diferencia de puntos de ebullición de los diferentes componentes.
• No se aplica a los glicéridos debido a que estos productos tienden a descomponerse antes de evaporarse.
• Se aplica a gran escala en la industria oleoquímica para el fraccionamiento de los ácidos grasos con relación al largo de sus cadenas.
• Su aspecto más importante de la destilación de ácidos grasos, es la obtención de productos de alta calidad (excelente color, bajos niveles de impurezas, etc.)
• Generalmente se realiza en columnas rellenas especialmente diseñadas y sometidas a alto vacío.

Extracción supercrítica de grasa

• Tiene su fundamento en la solubilidad de los triglicéridos en el fluido supercrítico, generalmente dióxido de carbono, el cual es a su vez, una función del largo de la cadena de ácidos grasos.
• Se han logrado separar experimentalmente, fracciones de grasa láctea ricas en triglicéridos de cadenas cortas, medianas y largas.
• No existe aplicación industrial como consecuencia de los altos costos y de la complejidad técnica, especialmente las presiones muy altas requeridas.

Fraccionamiento seco

• El aceite se cristaliza parcialmente mediante el enfriamiento del aceite fundido de manera controlada, a la temperatura final deseada.
• Luego el líquido restante se filtra en un filtro prensa de tipo membrana o en un filtro a vacío.
• Es la técnica de separación más simple y más económica ya que la misma no requiere postratamiento suplementario de los productos terminados.
• Debido al constante desarrollo del proceso de este proceso, mayor cantidad de materias grasas de diferentes orígenes pueden ser fraccionadas con un alto grado de selectividad.

Como resumen se puede ver la siguiente tabla a continuación:

Fraccionamiento seco

Este método recibe su nombre debido a que se lleva a cabo mediante una filtración directa a través de un medio filtrante, por lo general una lona permeable; en la cual no se lleva a cabo ninguna reacción del tipo químico. Es un proceso netamente físico.

Etapas del Proceso de Fraccionamiento Seco

• Cristalización 
• Separación (Filtración)

Cristalización

En esta etapa se lleva a cabo un proceso de enfriamiento controlado para formar cristales de determinadas características, que permita ser retenido en la etapa siguiente de separación.

Separación (Filtración)

Tipos de separación

• Filtración bajo vacío
• Filtración con prensa (el método más utilizado en la industria alimenticia)

Filtración bajo vacío

En este tipo de filtración el mecanismo que transmite el movimiento del fluido a separar, es la acción motriz del vacío.

Filtros a vacío más utilizados

• Filtro de tambor rotativo
• Filtro tipo cinta

Etapas de la filtración bajo vacío

• Formación de la torta de estearina
• Secado de la torta (aire o nitrógeno)
• Descarga de la torta

Filtración con prensa

Filtros con prensa más utilizados

• Filtro con prensa convencional
• (Placas “Compañeras”)
• Filtro con prensa de membrana
• (Placas con alternabilidad entre placas “Compañeras” y placas “Membrana”)

Ventajas de la filtración con prensa vs la filtración bajo vacío

• Mayor eficiencia de separación
• Mayor tolerancia a los cambios de la morfología del cristal
• Mejor protección contra la oxidación
• Filtración más rápida
• Consumo de energía menor
• La estearina presenta menor IV, mayor MP y un SFC más alto
• La oleína tiene características similares o mejores

IV – Índice de Yodo o Valor de Yodo

MP – Punto de Fusión

SFC – Contenido de grasa sólida

.

Tipos de placas membrana

Membranas Fijas

• Las más comunes son hechas de 100% polipropileno.
• Están conformadas por dos “membranas” colocadas individualmente sobre una placa central o núcleo en una sola pieza.
• Son las preferidas por la industria alimenticia por su carencia de uniones que evitan la contaminación.

Membranas Reemplazables

• Poseen un núcleo de polipropileno el cual es mecanizado para permitir la conexión y el sellado con una membrana por lo general hecha de goma.
• Estas caras membranas pueden ser reemplazadas fácilmente. Generalmente se utilizan para operaciones en las que se requiere que la membrana posea una mayor flexibilidad, como es el caso del tratamiento de efluentes industriales.

Tipos de superficies de las placas

Las placas de filtración al estar forradas con el material filtrante (lonas), requieren que su superficie esté preparada para sustentar a las mismas; de manera tal que el fluido que está siendo filtrado al pasar a través de la lona, pueda desplazarse con facilidad a través de pequeños canales en la superficie de las placas. Dicho en otras palabras, la idea es crear una micro separación entre la lona y la superficie de la placa.

En la actualidad existen diferentes diseños para llevar a cabo esta tarea y de alguna manera es dificil decir cuál de ellos es el mejor. EN la figura a continuación podemos ver algunos ejemplos de tipos de superficie de placas:

Lonas de Filtración

La lona tiene la función principal de actuarcomo elemento filtrante en los procesos de filtración de placas. Las mismas pueden ser de diferentes materiales (tela, poliéster, polipropileno, etc.) dependiendo de la aplicación.

De la misma manera, pueden venir en diferentes presentaciones, dependiendo de la forma y del tipo de placa que se disponga,

Filtración con prensa convencional

Filtración con prensa tipo membrana

Flujograma de un proceso típico de Fraccionamiento

Fraccionamiento del Aceite Refinado de Palma

Después de leer todo este marco teórico referente a los diferentes procesos de fraccionamiento que existen actualmente; nos vamos a dedicar a hablar en la sección a continuación, sobre un proceso relativo al contenido de este blog, como lo son los aceites y grasas vegetales. 

En particular, nos vamos a referir a específicamente al fraccionamiento del aceite refinado de palma, ya que, es donde tengo experiencia como profesional.

En el fraccionamiento de aceite refinado de palma se alimenta aceite de palma RBD y se obtienen sus dos fracciones: oleína y estearina de palma.

Otro punto importante y que es bueno dejar en claro antes de comenzar, es que para fraccionar aceite refinado de palma, se utiliza el filtrado tipo prensa, fundamentalmente del tipo membrana. Este último tipo de filtro permite obtener mayores rendimientos en el proceso, en comparación con los filtros prensa convencionales.

Cristalización

Factores claves en el control del proceso de cristalización

Formación de núcleos

• Se calienta al aceite a una temperatura por encima del punto de fusión para borrar la “memoria” del mismo.
• Se da cuando la fusión ocurre lejos del equilibrio termodinámico (cuando el aceite se transforma en superenfriado).
• Se presentan tres tipos de fenómenos de formación de núcleos:
• Homogénea: tiene lugar en la mayor parte de la fase madre
• Heterogénea: es la formación de núcleos con sustancias extrañas. Ocurre algunas veces antes de la homogénea ante la presencia de partículas sólidas, como polvo, paredes de los cristalizadores, etc.
• Secundaria: tiene lugar cuando se desprenden pequeños cristales de la superficie de cristales ya existentes, los cuales a su vez actúan como nuevos núcleos.

Crecimiento del cristal

• Ocurre una vez que se forman los núcleos.
• Su velocidad dependerá de diversos factores:

• Externos: grado de superenfriamiento, presencia de inhibidores, etc.
• Internos: forma polimórfica, morfología del cristal, defectos internos, etc.

• La velocidad del crecimiento es proporcional al superenfriamiento e inversamente proporcional a la viscosidad.
• Mientras más viscoso el aceite más lento el crecimiento de los cristales del mismo.
• La viscosidad también disminuye la transferencia de temperatura de cristalización desde la superficie del cristal hasta la superficie de enfriamiento.
• Para mantener una cristalización continua y uniforme se requiere que permanezca homogénea por lo que se necesita agitación intensa más no destructiva.

Aglomeración

• Debido a interacciones de atracción entre los cristales, los mismos suelen formar grupos.
• Los cristales de gran tamaño en la cristalización generalmente son pequeños cristales diferentes unidos por enlaces débiles.
• La aglomeración puede originar deficiencia de separación debido a un mayor transporte de líquido (oleína) entre los aglomerados.
• Por el contrario, los aglomerados debido al estrés mecánico pueden desintegrarse en forma parcial, lo que puede generar formación de partículas esteáricas en la fase de oleína.

Morfología

• Se encuentra determinada por condiciones internas y externas.
• Por lo general, el enfriamiento lento del aceite origina grandes cristales, mientras que el rápido produce cristales más pequeños.
• El tamaño del cristal no es tan importante como se cree. El tamaño óptimo del mismo va a depender en gran medida, por la técnica de separación, más específicamente por el espesor de las lonas del filtro o por el tipo de tela filtrante utilizada.
• Más importante que el tamaño, es la uniformidad y la forma de los cristales; como su resistencia al estrés mecánico.
• Para lograr este estado, se requiere una iniciación controlada y una cristalización selectiva.

Tipos de cristales en los aceites y grasas (forma polifórmica)

Componentes que afectan la cristalización

• Ácidos grasos y mono-diglicéridos forman mezclas eutécticas con los triglicéridos (ablandamiento) y demoran la transición de la forma cristalina α a la forma β’. Este efecto causa dificultades de filtración, posiblemente debido a los diferentes tamaños y formas de los cristales obtenidos.
• Los fosfátidos inhiben la cristalización por aumento de la viscosidad de la oleína o por ablandamiento de los aglomerados cristalinos.

Foto de microscopio con luz polarizada a cristales típicos esferulíticos desarrollados en el fraccionamiento del aceite de palma

Cristalizadores

• El diseño de los cristalizadores determina las condiciones bajo las cuales se controla el proceso de cristalización del aceite. 
• La velocidad de cristalización tiene que ver en gran medida por las características técnicas de estos equipos, más específicamente por las propiedades de intercambio de calor del recipiente cristalizador. 
• Existen diferentes cristalizadores industriales que operan de distintas maneras. 
• Algunos permiten que el proceso de cristalización se lleve a cabo en un tiempo relativamente corto (De Smet), mientras que otros sistemas implican tiempos de enfriamiento mucho mayores (Tirtiaux). Esta diferencia de tiempos es una consecuencia de la conceptuación de los cristalizadores y no quiere para nada decir que se tengan mejores resultados en el proceso con uno más que con otro

Diferentes Comportamientos de las Curvas de Enfriamiento

Concentración de los componentes menores del aceite de palma después del fraccionamiento

Fraccionamiento Multietapas del Aceite de Palma con posibles aplicaciones en la industria alimentaria.

El proceso de fraccionamiento del aceite de palma es muy versátil y permite hacer diferentes combinaciones en separaciones en etapas, para obtener diferentes fracciones con características especiales. A continuación ilustro algunos ejemplos de ello:

Ejemplo Nº1

Ejemplo Nº2

 Ejemplo Nº3

Características de la Oleína de Palma

Características de la Estearina de Palma