- Introducción
- Refinamiento de aceites
- Neutralización
- Decoloración
- Desgomado
- Desodorización
- Winterización
- Hidrogenación
- Generación de residuos y aspectos ambientales
- Apéndice A
- Apéndice B
- Bibliografía
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Este reporte, cuya finalidad primordial es informativa, lo realicé como proyecto del tema de grasas y lípidos de la clase de Bioquímica general.
Su tema es el de manufactura de grasas y aceites, y muestra al lector de manera sencilla y concreta los principales procesos en la tecnología de aceites comestibles.
La bibliografía utilizada es de alto reconocimiento, teniendo autores reconocidos como Badui o Primo en sus últimas ediciones.
Se evitó dar muchos ejemplos de los procesos, para que no se alargara mucho la información y en su lugar se colocaron esquemas y dibujos, las cuales son explicadas en el formato de CD que viene junto este trabajo.
No hubo muchas limitantes, pues los procesos descritos están altamente estudiados y estandarizados. El único problema aparente, fue el de búsqueda de información fuera de los libros, pues la mayoría de ellos viene o en inglés o proviene de otros países fuera de México, siendo información que necesitaba una "revisión" para incluirse dentro del reporte.
También, como parte del reporte, se incluyó una parte de los problemas ambientales que se producen a causa de los procesos de refinamiento. Esto encaminado a crear una conciencia al lector a utilizar y exigir tecnologías limpias cuando vaya a adquirir productos.
Además, quisiera recalcar la implementación de apéndices, donde, en el Apéndice A, se trata de explicar con detalles el proceso de extracción completo del aceite de soya. En el
Apéndice B , se nombran las partes de varios equipos utilizados en los procesos.
Finalmente, se recomienda a manera de conclusión, la investigación de nuevos usos para los aceites esenciales de especies y semillas oleaginosas, como en la medicina, en la industria de agroquímicos, de pesticidas "inteligentes" y claro esta, en la industria de los alimentos.
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Las grasas y los aceites de uso comercial en alimentos provienen de diferentes fuentes, pero existen muchas materias primas de donde se pueden extraer estos lípidos. Después de procesos para extracción de los tejidos adiposos de animales y los granos de oleaginosas, por medio de prensado o por diferentes solventes se obtiene los aceites de consumo.
Excepto algunos finos, como los de oliva extra virgen, los aceites contienes impurezas que deben ser eliminadas. Es por eso que tienen que ser sometidos a diferentes procesos y serie de operaciones para eliminar las impurezas y conseguir mejores propiedades organolépticas.
Es necesario someterle a dichos procesos para liberarlos de fosfátidos, ácidos grasos libres, pigmentos y sustancias que produzcan mal olor y sabor.
Es el proceso por el cual se eliminan ácidos grasos libres de los aceites, pero también reduce los monoacilglicéridos y fosfátidos que pudieron haber quedado después del desgomado.
La neutralización puede hacerse en caldera por cargas o en proceso continuo.
Cuando es por cargas, se hace añadiendo al aceite una solución de sosa al 12-15%, en la proporción estequiométrica deducida de una valoración previa. Esta operación se lleva a cabo en una caldera provista de un agitador y calefacción con vapor. La lejía se añade lentamente y se forma una emulsión en el aceite que luego se rompe. La emulsión, conforme aumenta la temperatura, se une en forma de pasta. La mezcla pasa a los decantadores donde se separa el jabón y el aceite.
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En la operación se producen perdidas por saponificación. El aceite decantado retiene residuos de jabón que debe someterse a un lavado, cuidando que no se forme emulsiones.
En las instalaciones continuas, el aceite disuelto en hexano, entra en un reactor de neutralización con agitación, junto con NaOH acuoso y alcohol. De allí pasa a un decantador donde se separan las fases y se recupera el aceite.
La neutralización de aceites con más de 12% de ácidos grasos libres es complicada, por que la abundante pasta formada es difícil de separar y las pérdidas son grandes. El proceso para la neutralización es entonces una destilación a vacío elevado.
El procedimiento se basa en que los ácidos grasos libres pueden destilarse a un vacío elevado. Para eliminar la totalidad de los ácidos grasos, sin deteriorar el aceite, se utiliza un vacío de hasta 5 mmHg y calentándolo a una temperatura de 180-240ºC.
Los aceites bien neutralizados contienen menos de 0.1% de ácidos grasos libres. Esto es recomendable especialmente si los aceites se utilizarán para el proceso de hidrogenación.
Mediante las formulas estequiométricas dadas en el American Oils Chemist´s Society y utilizando el valor del contenido de ácidos grasos libres (ACG) del aceite crudo, se calcula la cantidad de hidróxido de sodio necesario para la neutralización.
NaOH/100 g de aceite = % ACG + 0.71
4.36
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Figura 1.1. Dibujo de instalación de sistema de decoloración.
El aceite neutro y lavado se decolora añadiendo tierras adsorbentes (arcillosa o silícea). Las arcillas son tratadas con ácido clorhídrico o sulfúrico diluidos. El aceite y la tierra se agitan, a temperaturas máximas de 90ºC. La cantidad de tierra necesaria depende de la cantidad de color del aceite y del grado de decoloración que se quiera obtener. A veces se utilizan mezclas de tierras y carbón activado (5-10%) para obtener mejores resultados. El aceite decolorado se filtra mediante filtro prensa y la tierra usada se desecha.
(La clorofila se fija bien a las arcillas y los carotenoides oxhidrilados son absorbidos por las tierras neutras y básicas, mientras que los betacarotenoides y el gosipol no lo hacen así.)
En las instalaciones modernas la decoloración se hace en proceso continuo y al final se utilizan dos filtros prensa, uno en uso y otro en limpieza alternativamente.
El color de los aceites disminuye considerablemente durante la hidrogenación, debido a la desaparición de grupos cromóforos, debido a la reducción de enlaces π.
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El objetivo es eliminar los fosfátidos y glicolípidos, que se extraen de las semillas disueltas con el aceite. Es importante el proceso debido a que sin este refinamiento, los triglicéridos se alteran con mayor facilidad y adquieren sabores y olores desagradables (Otros problemas indeseables son: decantación en los tanques de almacenamiento, mayor susceptibilidad a la oxidación, formación de espumas durante el calentamiento).
El proceso consiste en tratar el aceite con agua o vapor, para que los fosfátidos se hidraten y precipiten, al hacerse insolubles en la fase grasa. Se realiza en tanques dotados de un agitador, para incorporar el agua (2% v/v) a una temperatura de 70ºC.
El aceite pasa a una centrifuga de gran velocidad, en la que se separan los fosfátidos, junto con el agua en exceso, del aceite desgomado.
Los fosfátidos son deshidratados, y éste contiene otros lípidos e impurezas, y es de donde se obtienen las lecitinas. Puede ser tratado con peróxidos para obtener productos más claros. (Las lecitinas obtenidas tienen un valor comercial y se aplican, por su carácter emulgente, en diversas industrias de alimentación.)
Figura 1.2 Esquema de equipo de neutralización.
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El aceite decolorado se desodoriza, a vacío, en un recipiente donde se caliente a
150-160ºC, mientras se la pasa una corriente de vapor directo. Las sustancias volátiles son arrastradas, dejando el aceite libre de olores y con sabor suave.
En los desodorizadores continuos el aceite cae en láminas delgadas, dentro de una torre de calefacción, a vacío y a vapor de agua a contracorriente.
Hay que evitar todo contacto con el oxigeno, pues produce oxidaciones indeseables; el vapor que se utiliza debe estar desaireado, no debe de haber entradas de aire y el vacío debe ser muy elevado.
A veces se añaden secuestradores (esteres de ácido cítrico) para impedir la acción catalítica de los iones metálico. En la operación se destruyen también los peróxidos.
Figura 1.3. Esquema de equipo de desodorización
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Los aceites con un índice de yodo (IY) de aprox. 105 contiene glicéridos de puntos de fusión lo suficientemente altos como para depositarse en forma de cristales sólidos cuando se mantienen a temperaturas moderadamente bajas. Esto perjudica las propiedades del aceite. El aceite de mesa debe mantenerse claro y brillante sin enturbiarse o solidificarse a temperaturas de refrigeración.
Para lograrlo es necesario precipitar previamente los componentes de punto de fusión altos, separándolos por filtración. La mayor dificultad del proceso reside en conseguir el crecimiento de los cristales del glicérido de forma que al separarlos, retenga la menor cantidad posible de aceite liquido. Por esto, conviene que durante el proceso se formen cristales grandes, bajando lentamente la temperatura. Algunos aceites contienen una cantidad considerable de sustancias cristalizables.
La precipitación se hace en grandes depósitos, mantenidos en cámaras refrigeradas. La cristalización se hace con la solución en hexano, y en este caso los sólidos precipitados cristalizan en forma más compacta, dura y fácil de separar. Una vez que se forma la nucleación, el aceite en cristalización se mantiene en reposo, para evitar la desintegración de los cristales. La masa separada se conoce como estearina.
Las grasas de punto de fusión alto retiradas pueden utilizarse en la elaboración de otros productos
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La saturación con hidrogeno de los enlaces dobles, en los glicéridos con cadenas de ácidos grasos insaturados, da lugar a la elevación de puntos de fusión y naturalmente a la disminución del ÍY.
La saturación se produce por reacción de los aceites con hidrogeno, en presencia de un catalizador de níquel.
La reacción de saturación es exotérmica y se realiza a presión y temperaturas elevadas, manteniendo muy poco contacto con el aire. Se utilizan aproximadamente 500 g de catalizador por tonelada de aceite. En la hidrogenación, el IY va disminuyendo. En un comportamiento ideal, la hidrogenación completa se obtiene cuando el IY=0.
La reacción de hidrogenación es selectiva y los ácidos grasos más insaturados tiene tendencia a reaccionar primero. Esta selectividad se usa para hacer hidrogenaciones parciales selectivas de aceites.
Pueden formarse someros trans por la acción del catalizador. Se producen reacciones hidrogenación-deshidrogenación que dan lugar a desplazamientos de dobles enlaces, existiendo glicéridos que son isómeros de posición y geométricos, de los naturales.
La hidrogenación puede dirigirse mediante el empleo de catalizadores selectivos.
El aceite seco se mezcla con el catalizador y se introduce en el reactor, en el que se calienta con agitación; cuando ha alcanzado una temperatura adecuada, se inicia la introducción del hidrogeno a presión. El aceite, el gas y el catalizador deben de estar en íntimo contacto, por lo cual se utilizan un agitador. La temperatura del proceso varía según el aceite utilizado, y oscila entre los 100 y 225ºC, y la presión 1-4 atm.
La hidrogenación es un proceso exotérmico, la temperatura se controla mediante agua que circula mediante unos serpentines de refrigeración.
Cuando se ha alcanzado el grado de hidrogenación deseado, se cierra la entrada de gas, se enfría la mezcla sin bajar el punto de fusión y se filtra par recuperar el catalizador y obtener grasa limpia.
El índice de refracción (IR) varia según el numero de enlaces dobles presentes. El valor absoluto del IR depende del IY y del peso molecular medio de los glicéridos.
Figura 4.1. Esquema de equipo de hidrogenación.
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GENERACIÓN DE RESIDUOS Y ASPECTOS AMBIENTALES.
Contaminación del aire.
La contaminación del aire en la industria aceitera se produce básicamente por las emisiones de las calderas.
Varias plantas están transformando sus calderas para trabajar con gas natural, y de esa forma cumplir los requisitos de la Norma de contaminación del aire en cuanto a material particular. Con el uso del gas natural podrían aumentar los índices de NOx en la calidad del aire. Este es un punto que requerirá análisis y es susceptible de mejorar vía optimización del balance energético de la fábrica.
El otro gran punto que puede provocar contaminación al aire son las emisiones de hexano en el proceso de extracción por solvente; y emisiones de hidrógeno y amoníaco.
Molestias.
El otro impacto ambiental asociado a la industria aceitera tiene relación con la generación de olores molestos. Los olores molestos son provocados principalmente en el proceso de refinación. Las inversiones asociadas a su tratamiento son caras, razón por la cual se privilegia la minimización de fugas y confinamiento de las zonas conflictivas.
Caracterización de efluentes líquidos.
El efluente líquido de la industria aceitera presenta como principales contaminantes aceites y grasas; sólidos suspendidos; contaminantes como DQO; DBO y conductividad.
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La DBO5 está normalmente ligada a los aceites, grasas y sólidos suspendidos, por lo tanto al remover estos, los valores de DBO5 se reducen en un altisimo porcentaje.
La DBO5 también puede verse afectada por el contenido de jabones y gomas, siendo éstas últimas muy comunes cuando se utiliza aceite de soya.
Los sulfatos son aportados básicamente en el proceso de inversión de ácidos grasos, producto de la adición de ácido sulfúrico, y en el tratamiento físico-químico mediante la neutralización con el mismo ácido y la utilización de sulfato de aluminio como agente coagulante.
Caracterización de residuos sólidos.
En general los residuos sólidos generados en la industria aceitera ofrecen la posibilidad de reciclarse hacia otros rubros industriales, como ocurre con los descartes de plásticos utilizados en envasado de productos terminados y papel utilizado en los envases.
El catalizador de Níquel utilizado en la hidrogenación es un polvo negro que queda retenido en los filtros prensa. Este se dispone como residuo sólido en vertederos en la mayoría de los casos, y en los menos se exporta a Estados Unidos para su recuperación. Este catalizador queda embebido en aceite. La recuperación del níquel puede ser electrolítica para producción de cátodos de níquel; o en ambiente ácido para producción de sulfato de níquel.
Las tierras de blanqueo representan un importante residuo sólido. De hecho, se estima su uso entre 1% a 1,5% del total del volumen de aceite procesado. Las tierras de blanqueo son utilizadas por todas las industrias aceiteras que efectúan el proceso de refinación. Estas quedan embebidas en aceite, siendo la
concentración de aceites del orden del 30-50% de las tierras evacuadas. A las tierras de blanqueo se les puede extraer el aceite por medio de un proceso de extracción por solvente. Este proceso de recuperación lo efectúan solo aquellas fábricas que procesan semillas.
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Cuando se separa el aceite de la tierra de blanqueo, el extracto resultante puede ser utilizada como relleno de caminos, y como alimento animal (se admite hasta un 2% de estas tierras en la formulación del alimento). Cuando no se recupera el aceite son dispuestas en vertederos.
Los lodos generados en la planta de tratamiento de aguas, con un altísimo nivel de aceites y grasas, son sometidos a un proceso de desdoblamiento. Este consiste en reducir el pH (<1) y agregar vapor para elevar la temperatura de estos. En esas condiciones, se generan tres fases: aceite, agua y borras. El aceite es reciclado al proceso productivo, el agua es retornada a la planta de tratamiento, y las borras son dispuestas como residuo sólido, o recicladas a otras industrias.
Impactos ambientales actuales y potenciales.
El impacto ambiental de la industria aceitera está concentrado en la problemática de riesgos potenciales de explosiones, efluentes líquidos, de los lodos producidos en su tratamiento y de los olores molestos.
Las empresas productoras están en su mayoría conectadas a servicios de alcantarillado público. Por ello, las que no han implementado planta de tratamiento, pueden provocar obstrucción de las redes de alcantarillado por solidificación de aceites y grasas. Si se implementa un tratamiento previo no se tendrá ningún problema para su disposición en redes de alcantarillado público.
La DBO5 disuelta de los efluentes tratados se mantiene en el rango de 300 mg/lt, con máximos posibles del orden de 500-600 mg/lt. Es por ello, que no tiene sentido la construcción de plantas biológicas para pulido de la DBO5 por cuanto son niveles que pueden tratarse sin problema alguno en las plantas municipales.
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Proceso de Refinamiento del aceite de Soya.
El aceite que contiene de 0.5 a 0.75% de ácidos grasos, se mezcla mecánicamente con un ligero exceso de álcali que reacciona con estos para formar jabones. Se lava con 0.1 partes de agua a 71-80ºC y el agua se separa del aceite en un segunda centrifuga. Algunas plantas utilizan ácido fosfórico o cítrico en el proceso de lavado. El aceite se atomiza en un secador al vacío, para disminuir la humedad hasta 0.5-0.05%. El aceite es entonces blanqueado utilizando tierras Fuller (silicato de aluminio hidratado) y arcillas activadas como las bentonitas, montmorilonitas o carbón activado. Se mezclan el aceite y tierras a 110ºC y se atomiza en la cámara para desprenderse de la humedad fija. El aceite se bombea por un filtro cerrado para eliminar las arcillas.
El aceite de soya se mezcla casi siempre con un 10 al 20% de aceite de algodón y se hidrogena para obtener las grasas correspondientes. El aceite blanqueado se hidrogena hasta que tenga un IY de 107 y se inverna para obtener un producto con un IY de 110.
La hibernación puede hacerse enfriando el aceite aproximadamente a 13ºC durante 12 horas hasta que aparezcan los primeros cristales de grasa sólida. En las siguientes 18 horas la velocidad de enfriamiento se hace más lenta hasta llegar a 4 o 5ºC, y se mantiene a esa temperatura durante 3 días más aproximadamente a 4ºC; después de que pasa una prueba en frío ( 20 hrs. a 0ºC) , el aceite se desodoriza haciendo pasar vapor caliente a presión reducida. Un aumento de la temperatura de 177º a 232ºC incrementaría la velocidad de eliminación en nueve veces.
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Algunos desodorizantes trabajan de 1 a 6 mmHG, mediante el uso de inyectores múltiples de vapor. Se considera normal una inyección de vapor del 5% del peso. Los tipos de desodorizantes utilizados son continuos y descontinuos: los últimos utilizan el mismo vacío para el aceite terminado y el que entra.
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Esquema de una instalación de neutralización de aceites De Smet.
404= Mezclador, 415= Lavador-Decantador, 415M= Fase hexano, 415Z= Fase alcohol, 418= Evaporador, 419= Condensador, 445= Columna rectificadora, 459 =Condensador,
U= Mucílagos, AG= Ácidos grasos, H= Aceite, Z= Jabón, M= Miscela, W= Efluente, X= Hexano, A= Alcohol.
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DESROSIER, N.W. "Elementos de tecnología de alimentos" Ed. Continental. 11ª Reimpresión, México 1996, pags. 210-211
BRENNAN, J.G. "Las operaciones de la ingeniería de los alimentos" Ed. Acribia,
3ª Edición, España 1998, pags. 257-258
PRIMO, Y.E. "Química de los alimentos", Ed. Síntesis. España 1998, pags. 186-195
BADUI, S. D. "Química de los alimentos" Ed. Pearson Education. 3ª Edición. México 1999, pags. 233-241
Excerpted with permission from The National Cottonseed Products Association Guide to Edible Oils.
http://oregonstate.edu/instruct/nfm236/lipids/index.cfm
"Manual de practicas de tecnología de granos II", Universidad de Sonora, México 1995,
pags. 18-20
JORGE ALEJANDRO JIMENEZ MARTINEZ
Hermosillo, Sonora, abril de 2004
[1] El níquel es el catalizador más utilizado, pero se han desarrollado varios otros que conducen a la hidrogenación por vías peculiares. El platino y paladio dan lugar a isomerizaciones. Las sales de cobre son muy selectivas para hidrogenar el a. linoleico y formando pocas isomerizaciones. Los compuesto carbonilitos de cromo, hierro y – 9 - cobalto produce, de igual forma, pocas isomerizaciones.