- 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.