MODELO DE CENTRIFUGACIÓN DE LA PASTA DE ACEITUNA PARA LA OBTENCIÓN DE ACEITE DE OLIVA VIRGEN

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1 TEC-17 MODELO DE CENTRIFUGACIÓN DE LA PASTA DE ACEITUNA PARA LA OBTENCIÓN DE ACEITE DE OLIVA VIRGEN Espínola Lozano, F.; Moreno Romero, MV.; Fernández Valdivia, DG.; Moya Vilar, M. Grupo de Investigación: Ingeniería Química y Ambiental (RNM-343) Dpto. Ingeniería Química, Ambiental y de los Materiales. Universidad de Jaén FORO DE LA TECNOLOGÍA OLEÍCOLA Y LA CALIDAD RESUMEN Para poner en práctica sistemas de automatización y control del proceso de obtención del aceite de oliva virgen, como en cualquier otro proceso, se debe disponer de modelos o ecuaciones matemáticas que predigan los rendimientos y parámetros de calidad del aceite obtenido, los cuales serán resultado de un conjunto planeado de actuaciones. Estas predicciones o modelos pueden tener una base teórica o simplemente de base empírica, pero en cualquier caso deben tratar de simular el comportamiento del proceso. En este sentido, el objetivo de este trabajo consiste en proponer un modelo teórico para relacionar el rendimiento de extracción de aceite de oliva virgen con el tiempo de centrifugación de la pasta de aceituna, y de esta forma poder optimizar dicho tiempo. El modelo se ha validado experimentalmente y permite determinar el rendimiento máximo de extracción de aceite por centrifugación, el aceite suelto, la velocidad inicial de extracción, la velocidad específica de extracción y el tiempo óptimo de centrifugación, observándose diferencias en dichos parámetros para las cuatro muestras de aceitunas estudiadas. Finalmente se propone profundizar en el estudio para determinar de qué propiedades físicas y reológicas dependen los parámetros cinéticos de extracción, y la conveniencia de realizar ensayos de centrifugación a lo largo de la campaña en las almazaras. INTRODUCCIÓN El uso de sistemas de supervisión y control de procesos se convierten cada vez más en herramientas básicas para la optimización de los recursos existentes. Las almazaras no son ajenas a este hecho, el empleo de los mejores procesos de elaboración y la correcta gestión de éstos se dirigen a maximizar el rendimiento de la producción y hacer frente a las exigencias del mercado. Poder disponer de modelos matemáticos que simulen los procesos se considera fundamental para la automatización y control de un proceso. Un modelo perfecto nos permitiría predecir las cantidades y calidades de los aceites obtenidos, Himmelblau (004), Box et al. (00), Montgomery (00). No obstante, la pasta de aceituna molturada y batida es un sistema complejo, difícil de estudiar y trabajar, con el agravante de que no se conocen muchos datos de sus propiedades físicas y reológicas, tales como densidad, calor específico, conductividad térmica, viscosidad, etc.; a pesar de que en el rendimiento de extracción influyen de forma decisiva. Es sabido, por ejemplo, que se obtienen mejores rendimientos elevando la temperatura, y que en las pastas difíciles el rendimiento aumenta al disminuir la relación aceite/sólidos, favoreciendo las fases sólidas hidrófilas. En cuanto a la relación aceite/agua, también en las pasta difíciles, se pone de manifiesto que una mayor humedad hace disminuir el rendimiento. MATERIALES Y MÉTODOS Modelo propuesto Basándonos en el estado actual de los conocimientos y técnicas de la separación sólido-líquido por centrifugación, Amirante y Catalano (000), Espínola (000), Svarousky (1990), nos ha llevado a considerar un modelo teórico en forma de ecuación diferencial sencilla para relacionar el rendimiento de la extracción de aceite, r, con el tiempo de centrifugación, t, cuando las demás variables de operación permanecen constantes: 1

2 dr dt = k(r r) (1) MAX donde r representa el porcentaje de aceite extraído en un tiempo t, r MAX sería la cantidad máxima de aceite que podría extraerse en un periodo de tiempo infinito y k sería la constante cinética del proceso que llamaremos velocidad específica de extracción de aceite. Pero para formular un modelo completo es necesario disponer, además de la ecuación algebraica o diferencial, de las adecuadas condiciones iniciales y límites. La ecuación 1 se podría resolver con dos condiciones diferentes, lo cual conduciría a dos soluciones o modelos completos distintos: a) Para t = 0 y r = 0, tendríamos el Modelo I: kt r = r (1 e ) () MAX b) Para t = 0 y r = r I, siendo r I el porcentaje de aceite suelto, es decir, el aceite que se podría separar simplemente por decantación y sin recurrir a la centrifugación, tendríamos el Modelo II: MAX kt kt Ie r = r (1 e ) + r (3) Las Figuras 1 y muestran sendos gráficos correspondientes a las representaciones gráficas de r frente a t según las ecuaciones y 3. Además, se han representado las tangentes a las curvas para t = 0, cuyas pendientes nos darían las velocidades iniciales de extracción de aceite, v 0. Prolongando las líneas de la velocidad inicial de extracción y la correspondiente a r MAX hasta cortarse, se obtiene un valor en la abscisa, t p, que coincide con la inversa de la velocidad específica de extracción: 1 t p = (4) k También se señala en las gráficas, t s, o tiempo de saturación, correspondiente al tiempo necesario para alcanzar el rendimiento máximo, que de forma práctica se establece cuando la diferencia entre el rendimiento obtenido y el máximo es inferior al 1%. Finalmente, se puede establecer en los modelos el tiempo necesario para un rendimiento del 50% mediante la expresión: 1 ln( ) 1 = (5) k t Caracterización de las muestras Se ha trabajado con cuatro muestras de aceitunas (Olea europaea L.) de la variedad picual, recogidas en tres lugaress próximos a la ciudad de Jaén y en cuatro estados de maduración diferentes. La recogida de aceitunas se ha realizado siguiendo el método propuesto por Rodríguez et al. (1959) y el índice de madurez según el método desarrollado por el CIFA Venta del Llano de Mengíbar (Jaén), Uceda y Frías (1985). La humedad y contenido en aceite se ha determinado en estufa a 105 ºC y siguiendo el método soxhlet, reglamento nº 568/91 (CEE, 1991). Extracción de los aceites Los aceites han sido extraídos utilizando el analizador de rendimientos Abencor, que consta esencialmente de tres elementos: molino de martillos, termobatidora y centrífuga, además de una serie de elementos auxiliares, Martínez et al. (1975). Las aceitunas procedentes de las cuatro muestras indicadas anteriormente (A, B, C y D) fueron molturadas en el molino, las pastas se batieron durante una hora a 30 ºC y se centrifugaron inmediatamente a diferentes tiempos. Finalmente el aceite era recogido en probetas de 100 ml ó 50 ml.

3 Programa informático Los ajustes estadísticos se han llevado acabo con el programa estadístico SPSS versión 11 (SPSS Inc. Chicago, USA) utilizando la opción de regresión no lineal. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la Tabla I se muestran las características principales de las cuatro muestras de aceitunas utilizadas, y en la Tabla II se muestran los resultados de los rendimientos de extracción a diferentes tiempos de centrifugación. Los datos de la Tabla II se han ajustado a los modelos I y II propuestos, obteniendo los diferentes parámetros cinéticos que se muestran en la Tabla III, donde aparecen, además, los coeficientes de correlación de cada modelo para cada muestra. Se observa que en todos los casos el modelo II ajusta mejor los resultados, hecho que cabía esperar porque es de todos conocido que cuando se bate la pasta de aceituna siempre aparece en menor o mayor medida aceite suelto. En la Figura 3 se muestra una representación gráfica de los datos experimentales recogidos en la Tabla II y el ajuste mediante el modelo II. Por otra parte, en el rendimiento de extracción por centrifugación influyen de forma marcada las propiedades físicas y reológicas de las pastas, es sabido que se obtienen mayores rendimientos al aumentar la temperatura de la pasta, fundamentalmente por la disminución de la viscosidad de la misma. Las propiedades reológicas de las pastas difieren según la composición de las mismas, variedad de aceituna, índice de madurez, condiciones agronómicas, etc., y desgraciadamente existe poca información al respecto. Para poner de manifiesto este hecho, se ha representado el rendimiento máximo de extracción y la velocidad específica de extracción de aceite frente a la relación aceite/sólidos de las muestras, Figura 4, y frente a la humedad, Figura 5. No se ha intentado correlacionar los datos representados en las Figuras 4 y 5, aunque se ven tendencias muy significativas, por considerar que la información es insuficiente y por creer que estos estudios deberían basarse en propiedades físicas y reológicas que son más rigurosas científicamente hablando que la variedad, índice de madurez o zona geográfica de producción. La velocidad específica de extracción en la centrifugación puede depender básicamente de la viscosidad y diferencia de densidades entre las diferentes fases que componen la pasta de aceituna, no obstante, no se conoce ningún trabajo realizado al respecto. Del estudio descrito, se deducen varias conclusiones: a) Se puede modelizar, y resulta muy satisfactorio el modelo propuesto, la operación de centrifugación de la pasta de aceituna en el proceso de extracción del aceite de oliva virgen. b) Según el modelo propuesto es posible determinar la velocidad inicial y velocidad específica de extracción de aceite, por tanto, se puede hallar el tiempo óptimo de centrifugación. c) Existen marcadas diferencias en las velocidades iniciales y velocidades específicas de extracción de aceite para las cuatro muestras de aceitunas ensayadas. d) Es necesario profundizar en el estudio de velocidad inicial y velocidad específica de extracción de aceite para determinar de que propiedades físicas y reológicas depende. e) Es recomendable realizar ensayos de centrifugación en las almazaras con objeto de optimizar el proceso en cada una de ellas a lo largo de la campaña, porque como se ha puesto de manifiesto la eficacia en la extracción depende de la composición e índice de madurez de la aceituna. REFERENCIAS Amirante, R.; Catalano, P. (000) Fluid dynamic análisis of the solid-liquid separation process by centrifugation. J. Agric. Engng. Res. 77() Box, G. E. P.; Hunter, W. G.; Hunter, J. S. Estadística para investigadores: introducción al diseño de experimentos, análisis de datos y construcción de modelos. Barcelona: Reverté, 00. 3

4 Comisión de la Unión Europea (1991) Reglamento (CEE) nº 568/91 relativo a las características de los aceites de oliva y de los aceites de orujo de oliva y sobre sus métodos de análisis. Diario Oficial de las Comunidades Europeas. L48. Espínola, F. (000) Centrifugación de la pasta de aceituna para la obtención del aceite de oliva virgen. Alimentación, Equipos y Tecnología 5: Himmelblau, D. M.; Bischoff, K. B. Análisis y simulación de procesos. Barcelona: Reverté, 004. Martínez, J. M.; Muñoz, E.; Alba, J.; Lanzón, A. (1975) Informe sobre utilización del Analizador de Rendimientos Abencor. Grasas y Aceite 6(6) Montgomery, D. C. Diseño y Análisis de Experimentos. Mexico: Limusa Wiley, 00. Rodríguez de la Borbolla, J. M.; Gómez Herrera, C.; Gómez Caucho, F.; Fernández Díez, M. J. Conservación de aceitunas de molino. Sindicato Nacional del Olivo. Madrid Uceda, M.; Frías, L. Épocas de recolección. Evolución del contenido graso del fruto y de la composición y calidad del aceite. En: La mecanización de la recolección. pp FAO-PNUD. Córdoba Svarousky, L. Separation by Centrifugal Sedimentation. En: Solid-Liquid Separation, Svarousky L. (Ed). London: Butterworths,

5 v 0 = k r MAX r MAX Rendimiento r 1/ t 1/ t p t s Tiempo Figura 1. Representación gráfica de los principales parámetros cinéticos del modelo I. v 0 = k (r MAX - r I ) Rendimiento r MAX r 1/ t 1/ t p t s Tiempo Figura. Representación gráfica de los principales parámetros cinéticos del modelo II. 5

6 30,0 5,0 Rendimiento, % 0,0 15,0 10,0 5,0 0, Tiempo, min Figura 3. Representación gráfica de los rendimientos obtenidos experimentalmente frente al tiempo y su ajuste según el modelo II: Muestra A ( ), Muestra B ( ), Muestra C ( ) y Muestra D ( ) r MAX, % k, min ,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 Aceite/Sólidos Figura 4. Representación gráfica del rendimiento máximo ( ) y la velocidad específica de extracción ( ) frente a la relación aceite/sólidos de las muestras. 6

7 r MAX, % k, min Humedad, % Figura 5. Representación gráfica del rendimiento máximo ( ) y la velocidad específica de extracción ( ) frente a la humedad de las muestras. TABLA I. Caracterización de las muestras de aceitunas Muestra A Muestra B Muestra C Muestra D Índice de madurez,36 3,96 5,38 6,91 Agua, % 66,5 63,73 53,65 34,65 Aceite, % 13,5 15,45 0,18 31,41 Sólidos, % 0,50 0,8 6,17 33,94 7

8 TABLA II. Rendimiento obtenido en la centrifugación de las pastas a diferentes tiempos Rendimiento, % Tiempo, min Muestra A Muestra B Muestra C Muestra D 0,17 4,8 7,1 10,1 18,3 0,5 5,9 8,3 11,6 0,1 0,4,0 0,50 6,7 9, 13,4,4 0,75 9,9 1,00 7,4 9,4,6 1,50 10,7 15,3,00 8,5 11,0,9,50 15,6 3,00 8,7 4,00 9, 10,5 3,1 6,00 9,6 10,7 7,50 15,6 8,00 4, 9,00 8,9 3,8 1,0 14,9 TABLA III. Parámetros cinéticos de los modelos propuestos para la centrifugación de las pastas de aceituna Muestra A Muestra B Muestra C Muestra D Modelo I r MAX, % 8,7 10,3 15, 3,1 r = r MAX (1 e -k t ) k, min -1 4,0 6,4 5,9 8,6 v 0, %/min t p, min 0,5 0,16 0,17 0,1 t 1/, min 0,17 0,11 0,1 0,080 t s, min 1, 0,8 0,8 0,6 R (*) 0,837 0,831 0,94 0,901 Modelo II r MAX, % 9, 10,7 15,4 3,3 r I, % 4,5 6,0 5,9 11,5 k, min -1 1,1,1 3,1 5,0 r = r MAX (1 e -k t )+r I e -k t v 0, %/min 4,9 9, t p, min 0,95 0,47 0,3 0,0 t 1/, min 0,67 0,33 0, 0,14 t s, min 4,4, 1,5 1,0 R (*) 0,964 0,93 0,985 0,940 (*) Coeficiente de correlación 8