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Tecnologas para la Industria Alimentaria

CRISTALIZACIN FRACCIONADA Ficha N 10

Alimentos Argentinos MinAgri Pg. 1 de 9 www.alimentosargentinos.gob.ar

En la Ficha N 5 Procesos alternativos para la redu ccin de grasas Trans, se describieron en lneas generales los procesos tecnolgicos de modificacin de grasas y aceites, que se aplican en la industria para reemplazar a aquellos que producen un aumento en el contenido de ismeros Trans sobre la composicin del producto final.

Entre las alternativas presentadas se mencion la tecnologa de fraccionamiento o cristalizacin fraccionada, la cual se diferencia de las dems por ser un proceso basado nicamente en principios fsicos de separacin, que no conlleva la modificacin qumica de los triglicridos. Por esto la tcnica posee un gran potencial de aplicacin sobre diversas materias grasas, ya que se obtienen fracciones con funcionalidad y propiedades fisicoqumicas especficas, que satisfacen la demanda de las industrias de margarina, panificados y confitera, fritura, cremas artificiales, aderezos y salsas, entre otras.

El origen de este proceso data de principios del Siglo XX y est estrechamente vinculado a la produccin y comercializacin de aceite crudo de palma en Malasia. Este aceite debido a la composicin de cidos grasos que presenta (aproximadamente un 40% de saturados, principalmente palmtico, y un 40% de insaturados mayormente oleico), tiene la particularidad de separarse en dos fases: una slida (estearina) y una lquida (olena) cuando se lo deja estacionar durante su almacenamiento a temperatura ambiente. Dadas las caractersticas este aceite, y como consecuencia de la incidencia positiva que tuvo la comercializacin de sus fracciones en la economa de los pases productores, a partir de la dcada del 70 se avanz notablemente en el desarrollo del proceso de fraccionamiento. Inicialmente se propusieron y se llevaron a cabo, tres tcnicas diferentes: fraccionamiento con solvente, fraccionamiento con uso de detergente y fraccionamiento en seco. Esta ltima es la de mayor importancia y aplicacin actual es el fraccionamiento en seco, ya que sus costos son bajos, es un proceso completamente reversible y no conlleva prdidas de aceite durante la operacin.

A nivel internacional se emplea en aceites vegetales y en grasa de leche con resultados superadores, en nuestro pas se utiliza con el fin de separar las distintas fracciones de grasa animal. Los Artculos 537 y 551 del Captulo V del Cdigo Alimentario Argentino (CAA), aprueban la aplicacin del proceso de cristalizacin fraccionada slo para modificacin de materia grasa de origen animal. Sin embargo dado que las fracciones de aceites de origen vegetal son empleadas en todo el mundo como una alternativa vlida a los aceites parcialmente hidrogenados con alto contenido de cido grasos Trans; en los ltimos aos se plante la necesidad de contemplar y normalizar el proceso de cristalizacin fraccionada, tambin sobre aceites vegetales. Al respecto en la reunin ordinaria de la Comisin Nacional de Alimentos (CONAL) llevada a cabo los das 13 y 14 de junio del presente ao, se acord elaborar y enviar un proyecto al Consejo Asesor de la CONAL (CONASE), para responder a la propuesta de modificacin de los artculos del CAA citados, presentada por la Cmara de Fabricantes de Alimentos Dietticos y Afines.



APLICACIONES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

Como se mencion antes, el proceso de fraccionamiento en general se utiliza para la modificacin de grasas y aceites, con el fin de otorgarles las caractersticas fsicas y qumicas requeridas para su funcionalidad final. Los principales objetivos que se persiguen son el cambio del punto de fusin y el aumento de la estabilidad de las fracciones lquidas y slidas. Debido a ello habitualmente se llevan a cabo procesos de refinamiento y modificacin qumica de los aceites previos al fraccionamiento, con el fin de optimizar los resultados.

En el sector alimentario la cristalizacin fraccionada, ya sea por simple o mltiple etapa, se utiliza para la transformacin de una gran variedad de aceites vegetales y grasas animales, los cuales pueden ser crudos, refinados o modificados (hidrogenados o interesterificados) previamente. Otra de las aplicaciones importantes de este proceso es conseguir fracciones de aceites obtenidos de semillas hbridas obtenidas por cruzamientos convencional, como por ejemplo el aceite de girasol alto esterico alto oleico que se produce en nuestro pas desde 2008. Estos aceites presentan caractersticas favorables respecto a la distribucin y composicin de cidos grasos, lo cual determina puntos de fusin marcadamente mayores a los de aceites convencionales. Esto ltimo los hace adecuados para la aplicacin exitosa de tecnologa de cristalizacin fraccionada.

Materias primas del proceso de cristalizacin fraccionada

Aceites Vegetales Grasas Animales

Aceite de palma Aceite de coco Aceite de algodn Aceite de soja hidrogenado Aceite de palmiste Aceite de girasol alto esterico alto

oleico

Grasa bovina Grasa ovina Grasa de la leche Aceite de pescado

Fuente: Desarrollos en la tecnologa de fraccionamiento. Libro de Oro de A&G 10 Aniversario Tomo II 225

Las distintas fracciones obtenidas se utilizan como materia prima en la fabricacin de: Aderezos y salsas

Margarinas Shortenings Aceites para fritura, ya sean de uso industrial o domstico Grasas sustituto de la manteca de cacao Productos de panificacin y pastelera



VENTAJAS DE LA CRISTALIZACIN FRACCIONADA

Es un proceso fsico de separacin, totalmente reversible que no implica cambios en la composicin qumica de la grasa, por lo tanto el producto obtenido no contiene cidos grasos Trans.

Permite obtener fracciones especiales de funcionalidad especfica, como son los sustitutos de la manteca de cacao.

Costos de operacin menores que otros procesos de modificacin de grasas. Se aplica a aceites crudos, refinados o modificados previamente por interesterificacin o

hidrogenacin. Es un proceso que se utiliza desde hace aos en la industria de grasa y aceites por lo que

se ha avanzado mucho en el desarrollo de equipos automatizados, a distintas escalas, que facilitan las operaciones durante el proceso.

FUNDAMENTOS DE LA TECNOLOGA DE CRISTALIZACIN FRACCIONADA

Las grasas comerciales utilizadas como materia prima de distintos procesos de modificacin poseen un comportamiento polimrfico caracterstico. Es decir presentan fases slidas de idntica composicin qumica que difieren en la configuracin de su estructura cristalina. Cada una de estas formas polimrficas, tiene propiedades especficas que permiten diferenciarlas de las dems, como por ejemplo volumen especfico y punto de fusin.

Los triglicridos pueden adoptar hasta varias formas cristalinas, pero existen tres principales: , y . Segn la estabilidad relativa que presenten entre si dos formas cristalinas pueden clasificarse como enantiotrpicas o monotrpicas. Las grasas naturales son mayormente monotrpicas, lo que significa que presentan una forma estable y otra metaestable, siempre se produce una transicin hacia la forma ms estable.

Caracterstica Forma Forma Forma

Empaquetamiento Hexagonal Rmbico Triclnico

Densidad Menos denso Densidad intermedia Ms denso

Punto de Fusin Ms bajo Medio Ms alto

Fuente: Qumica de los alimentos. Owen R. Fennema. Segunda Edicin.

El comportamiento polimrfico de una grasa est determinado por varios factores, principalmente por su composicin en cidos grasos y por la posicin relativa que ocupan cada uno de estos en los triglicridos. En general aquellas grasas cuya composicin en triglicridos es homognea, tienden a cristalizar en formas , como por ejemplo los aceites de soja, man, maz, oliva, coco y crtamo y la manteca de cacao. Distinto es lo que ocurre con las grasas de composicin heterognea donde los cidos grasos estn distribuidos al azar, cristalizan a formas ; como los aceites de palma, de semilla de algodn y de colza, como tambin las grasas de origen animal.



En la tecnologa de los alimentos, el comportamiento polimrfico de las grasas permite inducir la formacin de cristales con un tamao y una estabilidad determinados. Esto se logra mediante el control de las diferentes variables durante el proceso de cristalizacin. Generalmente es deseable la cristalizacin en la forma , ya que estos cristales persisten durante un tiempo mayor, y esencialmente porque contribuyen a la incorporacin de aire en forma de pequeas burbujas durante la preparacin de shortenings, margarinas y panificados, dando mayor plasticidad y cremosidad a los productos finales.

Por otro lado como se mencion antes una consecuencia directa del polimorfismo de grasas y aceites es la existencia de mltiples puntos de fusin. Esto ltimo se utiliza para la separacin de las distintas fracciones de una grasa mediante enfriamiento controlado.

PROCESOS DE FRACCIONAMIENTO

En la industria de grasas y aceites se han desarrollado y utilizado distintos procesos de fraccionamiento que se basan en el polimorfismo y en el principio de cristalizacin:

Fraccionamiento con solvente

Consiste en diluir el aceite en solventes orgnicos (acetona o hexano) previamente a la etapa de cristalizacin. De esta forma se logra reducir el tiempo de cristalizacin y facilitar la filtracin. Las ventajas del fraccionamiento con solvente son la selectividad y el alto rendimiento, que dan como resultado productos de alta pureza. Sin embargo requiere de altos costos de produccin e inversin y presenta riesgos relacionados con el uso de solventes. Por esto ltimo actualmente se aplica muy poco en las industrias de fraccionamiento de grasas y aceites, en general slo se utiliza para la produccin de fracciones grasas muy especficas, como son las grasas sustitutas de la manteca de cacao.

Fraccionamiento con uso de detergente Este mtodo utiliza agentes tensioactivos (detergentes) con el objeto de facilitar la

separacin de las fases luego de la cristalizacin. El detergente acta sobre la fase cristalizada ocasionando un aumento en el peso especfico de los cristales, lo cual permite y facilita la separacin de las fases por centrifugado. Luego es necesario lavar la estearina y olena obtenidas para eliminar los residuos de detergentes. Si bien esta tcnica presenta buenos resultados respecto a la selectividad y rendimiento de los productos, tiene costos de operacin altos y no es sustentable, por lo cual ha dejado de utilizarse en la actualidad.

Fraccionamiento en seco

Tambin denominado cristalizacin fraccionada, es la ms simple y econmica de las tcnicas desarrolladas. Consiste bsicamente en la separacin de las distintas fracciones de una grasa o aceite por cristalizacin bajo enfriamiento controlado, hasta una temperatura final determinada. Luego la fase lquida se filtra y a diferencia del fraccionamiento con solvente o con detergente no se requiere de tratamientos posteriores al producto final. Si bien es una tcnica simple puede aplicarse para la obtencin de fracciones especficas de una gran variedad de materias grasas, siempre y cuando se conozcan las condiciones ptimas de proceso.



CRISTALIZACIN FRACCIONADA La cristalizacin fraccionada o fraccionamiento en seco es un proceso que comprende dos

etapas principales: cristalizacin y separacin. A pesar de ser un proceso simple desde el punto de vista operacional, es necesario que estn perfectamente determinadas las condiciones del proceso, las cuales dependen en mayor medida de la materia prima y del producto final que se desea obtener. Para ello es esencial que se realicen ensayos de laboratorio donde se evale el comportamiento de la grasa bajo las condiciones de proceso, y determinar de esta forma la curva de enfriamiento del aceite o grasa que se quiere modificar.

Cristalizacin Debido al polimorfismo de las grasas y a la intersolubilidad de los distintos componentes

slidos, el proceso de cristalizacin resulta complejo. Como se mencion antes la forma cristalina deseada es la , ya que adems de lo descripto anteriormente estos cristales facilitan la etapa de separacin por ser firmes y de tamao esfrico uniforme. Si se logra que la grasa cristalice en la forma indicada la etapa de separacin posterior se llevar a cabo con facilidad y se obtendrn ptimos resultados. Por esto ltimo es clave la selectividad durante la etapa de cristalizacin, y su xito depende directamente del control de las variables o parmetros de cristalizacin durante el enfriamiento. Para entender cul es el grado de incidencia de cada una de las variables en el resultado final, es necesario explicar las distintas etapas en las que se divide la cristalizacin.

a) Formacin de ncleos: Para iniciar el proceso es necesario calentar la materia grasa a fraccionar hasta una temperatura mayor a la de su punto de fusin, de forma tal de fundir todos los cristales de la fase slida, esto se lleva a cabo en un equipo denominado homogeneizador. Con esto se logra que la formacin de ncleos de cristalizacin se determine por factores externos, mediante el control de la temperatura de enfriamiento, de acuerdo al esquema o curva de enfriamiento determinada que depende de la materia prima, del producto final y de los equipos de fraccionamiento con los que se trabaje, principalmente del diseo de cristalizador elegido. La formacin de ncleos se establece cuando las condiciones de presin y temperatura son tales que el aceite fundido est superenfriado y puede llevarse a cavo por tres tipos distintos de fenmenos:

i. Formacin de ncleos homognea: ocurre en fases lquidas superenfriadas sin impurezas, cuando las molculas del lquido se unen formando grupos crecientes, que si se mantienen estables y el nivel de sobresaturacin es suficiente, llegan a formar un ncleo de cristalizacin. Sin embargo en la prctica la formacin de ncleos homognea es poco probable, ya que siempre se presentan impurezas en la fase fundida.

ii. Formacin de ncleos heterognea: Ocurre por la presencia de impurezas o sustancias extraas, las que actan como aceleradores de la cristalizacin. Generalmente las paredes del cristalizador, las paletas del agitador o impurezas mecnicas son slidos que determinan la formacin heterognea de ncleos.

iii. Formacin de ncleos secundaria: Ocurre como fase posterior a la formacin de ncleos por otro fenmeno, y se debe a las partculas que pueden perderse de los cristales ya formados.

b) Crecimiento del cristal: Las variables que determinan la velocidad de crecimiento de los cristales, luego de la formacin de los ncleos, son la temperatura y la viscosidad. Una vez que comienzan a crecer los cristales de la fase slida, aumenta progresivamente la viscosidad del sistema, lo cual afecta a la transferencia de temperatura.



Es por esto que el equipo donde se lleva a cabo la cristalizacin debe poseer un sistema de agitacin continua, que pueda ser ajustado dependiendo la etapa del proceso y el producto que se desea obtener. La agitacin permite mantener condiciones homogneas dentro del cristalizador, y por lo tanto que la cristalizacin se lleve a cabo de manera continua y uniforme.

Las dos etapas descriptas se deben disear de forma tal de lograr que la fase cristalina sea uniforme y de elevada resistencia al estrs mecnico. Estas dos caractersticas son fundamentales para el xito de la etapa de separacin, y del proceso en general. Si la formacin de los ncleos durante la iniciacin se realiza de forma controlada, bajo condiciones establecidas previamente segn la curva de enfriamiento del producto, la selectividad de la cristalizacin ser ptima, y esto facilitar la etapa posterior. Cabe mencionar que la selectividad tambin est determinada por las caractersticas tcnicas del equipo cristalizador, la forma en que se transfiere la temperatura y la homogeneidad del sistema durante el proceso.

Diseo y eleccin del cristalizador Como se mencion antes las caractersticas y especificaciones tcnicas del cristalizador son

determinantes para el xito de la etapa de cristalizacin. Puntualmente el sistema de intercambio de calor y de agitadores que presente el equipo es fundamental para la velocidad de formacin y crecimiento de los cristales, como as tambin de su selectividad. Respecto a la transferencia de calor esta se hace por circulacin de agua de enfriamiento a travs de serpentines que pueden ser horizontales o verticales; o tambin a travs de encamisados, tipo intercambiador de calor de placas verticales. Para todos ellos se ha comprobado un alto grado de eficiencia. Por otro lado del diseo que presente el cristalizador depender el tiempo que requiera la etapa de cristalizacin para ser completada. Por otro lado el sistema de agitacin ms comn es por agitadores tipo impulsores.

Vista Lateral

Vista Vertical

Sistema de enfriamiento

por serpentines laterales


por serpentines verticales


por placas verticales

Diagrama de tanques cristalizadores convencionales con agitadores tipo impulsores



Separacin Una vez finalizada la cristalizacin se obtienen una fraccin slida y una lquida que deben

ser separadas para finalizar el proceso. Debido a las caractersticas fsicas de ambas fases la separacin se realiza por filtracin. Esta es una operacin mecnica, por lo cual el resultado depende mayormente de las caractersticas tcnicas y del tipo de filtro utilizado. Inicialmente se utilizaban filtros de prensas formadas por una nica placa y un bastidor. Sin embargo estos dispositivos presentaban dificultades para secar la fase slida que quedaba en la prensa y para su vaciado, ya que era una operacin manual. En la actualidad se utilizan mayormente dos tipos de filtros, cada uno presenta ventajas y desventajas, por lo que deben tenerse en cuenta cules son las propiedades que se pretende para el producto final al momento de la eleccin del sistema de filtracin:

- Filtro de tambor rotativo de vaco: La operacin de este equipo es un proceso continuo, que implica tres etapas principales donde se lleva a cavo la separacin de las fases por presin reducida. Inicialmente los cristales se concentran debido a la succin de la fase lquida que realiza la bomba de vaco, y se forma la torta de estearina sobre la superficie del tambor rotativo. Luego esta se seca por la accin de una corriente gaseosa (aire, nitrgeno) y finalmente se realiza la descarga del filtro por contracorriente de aire y raspado. Las ventajas de este mtodo son su sencillez de operacin y su bajo costo. La utilizacin de filtros de vaco es recomendable cuando se desean obtener estearinas blandas, denominadas as porque contienen una mayor proporcin de olena en la fraccin slida. Esto se debe a que durante la filtracin con filtros de vaco los cristales quedan recubiertos con olena por efecto capilar, o bien permanece ocluida en la aglomeracin de cristales. Estas estearinas blandas se utilizan en la elaboracin de algunos productos como ghee o vanaspati.

- Filtro prensa de membranas: Este tcnica presenta ventajas varias ventajas sobre los filtros de tambor rotativo de vaco: mayor eficiencia de separacin, mayor tolerancia a los cambios de morfologa del cristal, mayor proteccin contra la oxidacin, mayor rapidez de filtracin y menor consumo de energa. Gracias a estas mejoras actualmente esta tcnica es la preferida para la separacin en procesos de Cristalizacin Fraccionada. Estos equipos estn formados por una serie de placas de material filtrante unidas por un cilindro hidrulico. La superficie de estos filtros es mucho mayor a la disponible en los filtros de vaco (filtro prensa de membrana: 60 m2, filtro de vaco: 6 m2 aproximadamente). La operacin de filtracin es un proceso semicontinuo dividido en dos etapas. La primera comienza con el llenado del filtro con la mezcla obtenida de la cristalizacin (lechada), y consiste en aplicarle presin para separar una primera parte de la fase lquida. La segunda etapa consiste en el estrujado de los cristales concentrados producto de la primera etapa. De esta forma se logra extraer la fase lquida que se encuentra retenida dentro de la slida. Finalmente el filtro se abre y se descarga la estearina mediante gravitacin. Las presiones aplicadas sobre la lechada durante la primera etapa de filtracin pueden variar segn el equipo, y estn en el rango de 4 8 bar para filtros estndar.

Sin embargo se encuentran en desarrollo filtros que operan con presiones mayores de hasta 50 bar, para ser utilizados en la produccin de fracciones especiales, como por ejemplo para

http://mexico.acambiode.com/producto



DEBILIDADES DE LA CRISTALIZACIN FRACCIONADA

El mayor inconveniente de este proceso es lograr que la selectividad durante la cristalizacin se realice correctamente. Para esto es necesario contar con los conocimientos suficientes respecto a las propiedades fsicas de la materia grasa que se desee modificar.

En muchos casos debido a la compleja composicin qumica de grasas y aceites, es difcil conocer por completo su comportamiento frente a cambios de presin y temperatura. Es por ello que an se contina investigando y desarrollando esta tecnologa, con el objetivo de ampliar su campo de aplicacin, y aumentar el nmero de fracciones que pueden obtenerse a partir de una grasa o aceite determinado (superestearinas, top-olnas, equivalentes a la manteca de cacao, etc.).

grasas sustituto de la manteca de cacao. Por otro lado es necesario mencionar que existen distintos tipos de filtro respecto a las caractersticas tcnicas que presentan, al respecto se conocen filtros con barras laterales y filtros con barras superiores; filtros de alimentacin central o alimentacin a travs de la esquina. Por lo tanto la eleccin del filtro adecuado estar determinada por las caractersticas de las materias primas y de los productos finales, como as tambin del espacio disponible para la instalacin de los equipos, del costo, del volumen de producto, etc.



FUENTES CONSULTADAS

Desarrollos en la tecnologa de fraccionamiento. Marc Kellens De Smet Group. Antwerp, Blgica. Libro de Oro de A&G 10 Aniversario To mo II

Una visin del fraccionamiento en seco. Alain TIRTIAUX, Veronique GIBON. S.A. Fractionnement TIRTIAUX. Rue de Fleurjoux, 8. B-6220 FLEURUS BELGIUM. Libro de Oro de A&G 10 Aniversario Tomo II

Desarrollos en la modificacin de grasas: Interesterificacin y Fraccionamiento. Caractersticas y beneficios. Marc Kellens, Marc Hendrix, De Smet Group Blgica. Jose Melo, De Smet Mercosur

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