TEMA 14 - Extracción sólido-líquido PDF

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TEMA 14: Extracción sólido-líquido 1. INTRODUCCIÓN La transferencia de masa entre dos fases tiene un interés considerable en la industria de alimentos. Las fases pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas; y podemos tener implicadas una u otra fase. Por ejemplo, uno de los componentes de la fase líquida puede ser más volátil que el resto, y en una operación de destilación pasará a la fase gaseosa. Otro ejemplo puede ser que otro de los componentes sea más soluble en una fase distinta, y pueda ser transferido entre las fases de manera rápida; en esto se basa la extracción con disolventes. La extracción sólido-líquido es una operación que permite separar los componentes presentes en una mezcla sólida mediante contacto con un disolvente que disuelve selectivamente algunos de esos componentes. Tenemos dos tipos de extracción: extracción positiva y extracción negativa. En cuanto a las aplicaciones de la extracción sólido-líquido en la industria de alimentos cabe citar las siguientes: -

Extracción del contenido en azúcar de la remolacha azucarera. Extracción de aceites a partir de frutos secos y semillas. Recuperación del aceite restante en el residuo obtenido por prensado de la aceituna. Fabricación de café instantáneo por extracción de los granos de café tostados y molidos. Recuperación de aromas por extracción con CO2 supercrítico.

2. EQUILIBRIO DE EXTRACCIÓN La extracción sólido-líquido se lleva a cabo poniendo en contacto el alimento sólido de partida con el disolvente durante un periodo de tiempo determinado. Este periodo de tiempo dependerá de la cantidad de soluto en el sólido y de la afinidad que tenga el disolvente por el soluto. La mezcla resultante se separará para dar lugar a dos fases: -

Extracto: es la fase líquida formada por el disolvente y el soluto (o solutos) que se han solubilizado. Residuo: también denominado agotado o refinado.

3. CINÉTICA DE EXTRACCIÓN La velocidad a la que se produce la extracción sólido líquido viene determinada en gran medida por las etapas y fenómenos que tienen lugar: -

Absorción de disolvente por la fase sólida, lo que provoca un hinchamiento de las partículas. Disolución del soluto. Transporte interno del soluto a través de los poros del sólido hasta alcanzar la superficie externa de las partículas. Transporte externo del soluto a través de la capa límite que rodea las partículas sólidas hasta el seno de la disolución.

4. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA EXTRACCIÓN SÓLIDOLÍQUIDO Las variables que ejercen una mayor influencia sobre la extracción sólido-líquido y que, por tanto, han de seleccionarse cuidadosamente cuando se vaya a llevar a cabo este proceso son: -

-

Disolvente: es la variable que determina en mayor medida el resultado de la extracción. Debe tener afinidad por el soluto. Temperatura: es una variable que afecta positivamente tanto al equilibrio como a la velocidad de extracción. Hay que tener especial cuidado con ella en la extracción de compuestos volátiles. pH: se trata de una variable que afecta en gran medida a la solubilidad del soluto. Tamaño de las partículas sólidas: a menor tamaño de partículas sólidas, éstas apenas se rellenan, y se dificulta bastante el paso del soluto al disolvente.

5. EQUIPOS DE EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO Existen dos tipos de extractores para este tipo de extracción: 

Extractores de lecho estático: son sistemas en los que la fase sólida permanece estática durante la extracción, por lo que operan de forma discontinua respecto a la misma. Consiste en un recipiente abierto provisto de un doble fondo en el que se coloca el sólido a extraer. El disolvente se distribuye sobre la superficie del sólido, pasa a su través, y la disolución se retira por medio de un drenaje que se encuentra situado bajo el falso fondo. Este tipo de extracciones suelen llevarse a cabo a presiones y temperaturas elevadas. En el caso de la extracción de aceites, el disolvente suele ser relativamente volátil. El residuo agotado puede extraerse manualmente o por vertido a través de una salida colocada en el fondo del recipiente. Cuando se utilizan disolventes volátiles es posible incorporar un recuperador del disolvente y sistemas de reciclaje, lo cual posibilita la obtención de una disolución relativamente concentrada. Las unidades de gran tamaño pueden necesitar ser equipadas con bandejas perforadas, cadenas, u otras estructuras internas que sirvan de soporte al lecho de sólidos y minimicen la consolidación que dificultaría el flujo de la disolución a través del lecho. Este tipo de unidades se emplean a escala de planta piloto, o bien en operaciones industriales a pequeña escala, para la extracción de aceites de semillas, frutos secos, solubles de café… etc.

Con objeto de llevar a cabo una extracción a contracorriente se pueden acoplar numerosas unidades en serie. Cada una de estas unidades tiene un determinado producto dentro. El disolvente entra por la parte superior, entra en contacto con el sólido que se encuentra, arrastra los componentes que tenga que arrastrar, sale por la parte inferior, y vuelve a entrar a la unidad siguiente por la parte superior. Lo que ocurre es que realmente no hay un movimiento físico de los sólidos de una unidad a la siguiente, en dirección contraria al flujo de la disolución. Se obtiene sin embargo un efecto a contracorriente por lo siguiente: en todo momento de la operación quedan aisladas una o varias unidades. Estas tres unidades (cargado, lavado y listo para descarga) se están utilizando para cargar, lavar la torta, y descargar. En la unidad 13 está entrando disolvente fresco, mientras que en la unidad 9 está saliendo el extracto, que es el disolvente con todo el soluto que tiene. Cuando el sólido que haya en la unidad 13 haya sido agotado, esta unidad se aísla del circuito y se sustituye por la unidad 10. Entonces, el disolvente puro entraría en la unidad 14, y la disolución saldría por la unidad 10. De este tipo de extractores son los extractores rotocel. Se trata de un tanque cilíndrico dividido en diversas unidades sectoriales que rotan lentamente en el interior de un tanque estacionario, compartimentado, cubierto con tela metálica o con un disco perforado. La alimentación del sólido tiene lugar a medida que cada una de las celdillas pasa bajo un transportador. Terminado el ciclo completo, se descarga y es arrastrado por un tornillo sinfín. El disolvente fresco ingresa en el sistema dispersándose finamente sobre el sólido, inmediatamente antes de la descarga de éste. 

Extractores de lecho móvil: en este tipo de sistemas las fases sólidas se encuentran también en movimiento, por lo que suelen operar de forma totalmente continua. Un ejemplo de estos extractores es el extractor Hildebrandt. Consta de dos torres cilíndricas verticales que se encuentran conectadas entre sí a través de un cilindro horizontal corto. En el interior de cada cilindro se mueve un tornillo sinfín que tiene las aletas perforadas. Estos tornillos sinfín arrastran los sólidos de arriba a abajo a lo largo de la torre cilíndrica más corta, a través del cilindro horizontal que comunica con la torre más alta, y de abajo a arriba en esta última. Por la parte superior de la torre más alta entra el disolvente, en una zona un poco por debajo de la compuerta para la descarga del residuo sólido. El disolvente fluye por gravedad a contracorriente de la trayectoria de los sólidos, y pasa a través de filtros al exterior del sistema a través de un conducto situado cerca del extremo superior de la torre más baja, ligeramente por debajo de donde se produce la carga del sólido a extraer.

Otro ejemplo es el extractor Bonotto. Está constituido por una sola torre vertical dividida en secciones por platos horizontales. Cada plato tiene una abertura a través de la cual puede pasar el sólido. Las aberturas de cada plato están distanciadas 180º respecto a la anterior y al posterior. La alimentación del sistema con sólidos tiene lugar por el plano superior por medio de una cuchilla giratoria, se desplaza el sólido hasta la abertura del citado plato. A través de ella cae al siguiente, y así cuchillas similares ejercen idéntica función dentro del resto de los platos, de tal modo que el sólido realiza una trayectoria en espiral descargando en la base de la torre. El disolvente entra por la base y es bombeado hacia arriba a contracorriente del flujo del sólido, saliendo a través de un conducto situado en un extremo cerca de la parte superior. Se utiliza sobre todo para la extracción de aceites de semillas y frutos secos.

6. EXTRACCIÓN CON FLUIDOS SUPERCRÍTICOS Un fluido supercrítico es aquel que se encuentran a una presión y a una temperatura superiores a las correspondientes al punto crítico (P c y Tc). La extracción con fluidos supercríticos presenta un elevado poder de disolvente y se utiliza para la extracción de gran cantidad de componentes. Las características de los fluidos supercríticos son: -

La densidad de los fluidos supercríticos se encuentra próxima a la densidad de la mayoría de los líquidos, resultando dos o tres veces mayor que la de los gases. La viscosidad de los fluidos supercríticos es similar a la de los gases. En los fluidos supercríticos la solubilidad depende tanto de la temperatura como de la presión. La difusividad de los componentes en los fluidos supercríticos es mucho mayor que en los gases.

7. EJEMPLO DE APLICACIÓN AGROALIMENTARIA

EN

LA

La extracción sólido-líquido se utiliza en la extracción de aceite de soja.

INDUSTRIA

Se utiliza como alternativa al estrujado o se puede utilizar combinada con él. También puede aplicarse a otras semillas o frutos secos. Suele ser una extracción bastante completa. Generalmente se utilizan como disolventes fracciones ligeras de éteres de petróleo de tipo heptano, hexano, o hidrocarburos cíclicos como el ciclohexano. Son disolventes altamente inflamables, y por tanto es necesario tener mucho cuidado durante la manipulación. Se pueden utilizar otros disolventes menos inflamables, pero más tóxicos. El rendimiento y la calidad del producto final pueden verse fuertemente influidos por el pretratamiento de la carga, como por ejemplo la reducción de tamaño y el tratamiento térmico de la carga. También se podría utilizar en la elaboración de café instantáneo, del té instantáneo, y en la extracción del azúcar de la remolacha azucarera. Normalmente en este caso el azúcar se extrae de las rodajas de remolacha utilizando como disolvente agua, y generalmente para ello se emplean extractores de contacto múltiple, los cuales operan a contracorriente, o bien algún tipo de extractor de lecho móvil. El corte en rodajas de la remolacha permite que exista un mayor área para el contacto entre los sólidos y el disolvente que favorezca la liberación de los compuestos de interés....