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Aceite / Almazaras

Se ha observado que la monitorización del esfuerzo (torque) puede emplearse para controlar la diferencia de velocidad y ajustarla en tiempo real, para conseguir el mejor agotamiento del orujo en ese momento

Optimización y regulación de variables de una centrífuga horizontal de dos fases

Héctor Rodríguez Marrero1,2, Gabriel Beltrán Maza1, Antonio Jiménez Márquez1 

1 Centro IFAPA Venta del Llano

2 Agromillora Iberia S. L.

18/02/2019

El caudal de inyección de masa y la velocidad diferencial son parámetros de regulación del decanter que tienen influencia en el proceso de separación sólido-líquido y en las características finales del aceite. Estos parámetros deben ser regulados conforme a las características de la aceituna que se está procesando y de las características reológicas de la pasta, para un funcionamiento estable y eficaz de la máquina.

Los sistemas antiguos de extracción del aceite de oliva han evolucionado desde las prensas hidráulicas a sistemas más modernos de extracción por centrifugación. La separación de fases se realiza mediante máquinas denominadas centrífugas horizontales o decanter. El decantador centrífugo horizontal somete a la pasta a una fuerza centrífuga que produce la separación de las fases debido a la diferencia de densidad existente entre las mismas (Alba, 2008). Estos sistemas son denominados continuos, puesto que la alimentación de masa al decanter se realiza de forma continua. Esto provoca una reducción del tiempo de elaboración y una considerable reducción de los costes (Di Giovacchino et al., 2002b; Altieri et al., 2013). Es una máquina esencial en una almazara moderna donde grandes cantidades de aceituna tienen que ser procesadas en un corto periodo de tiempo (Ranalli et al., 1996; Piacqadio et al., 1998).

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Interior del decanter Alfa Laval X4.

Hay un gran número de variables que tienen influencia directa o indirecta sobre la separación de fases, por lo que su control es complicado, debido también a las interacciones entre estos parámetros (Hermoso et al., 1998). La optimización y regulación de los parámetros de funcionamiento de la centrífuga horizontal es necesaria para obtener unos altos rendimientos en la extracción y calidad (Catalano et al. 2003; Altieri et al. 2013; Leone et al., 2015; Caponio et al., 2016).

Establecer un correcto caudal de inyección de masa al decanter está condicionado por las características de la aceituna y por la preparación de la pasta antes de la separación sólido-líquido. Como es lógico, un aumento del caudal de inyección de pasta al decanter produce una disminución del tiempo de residencia. Desde el punto de vista del rendimiento de la extracción, en ocasiones puede suponer que el tiempo de sedimentación sea mayor que el tiempo de residencia de la pasta en el interior del decanter, y se produzcan pérdidas de aceite en el orujo (Jiménez et al., 2009). Por otro lado, desde el punto de vista organoléptico, un mayor ritmo de inyección de masa puede provocar un mayor contenido en polifenoles y, como consecuencia, aceites más amargos y estables (Jiménez et al., 1995).

La velocidad diferencial es también un parámetro de gran importancia en la separación sólido-líquido (Jiménez et al., 2009; Altieri et al., 2013). Es importante señalar que velocidades diferenciales bajas provocan un mayor tiempo de permanencia de la pasta en el interior del decanter. Algunos fabricantes incorporan en sus máquinas la posibilidad de modificar las velocidades diferenciales entre el bol y el sinfín sin necesidad de parar la máquina, lo cual conlleva diferentes efectos sobre la extracción del aceite y la calidad del aceite de oliva (Caponio et al., 2014 y 2016).

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Recogida muestras aceite sin filtrar. Se instaló una llave para poder recoger muestras a la salida de la centrífuga horizontal.

El caudal de inyección y la velocidad diferencial tienen efecto sobre el torque, que es el esfuerzo que realiza el tornillo sinfín para el transporte de los sólidos hacia la parte cónica de la centrífuga horizontal, donde son evacuados. El torque es una medida que aporta una gran información sobre el proceso de centrifugación y tiene influencia sobre la eficiencia del proceso (Leung, 1998; CornerWalker, 2000; Corner-Walker and Records, 2000).

Así mismo, las características de la aceituna ejercen una gran influencia a lo largo de todo el proceso de elaboración. Por un lado, la variedad determina la extractabilidad del aceite contenido en los frutos, y afecta por lo tanto a la eficacia de la separación (Beltrán et al., 2003). La eficacia en la separación del aceite está influenciada también por las características propias de la aceituna: humedad, variedad y madurez. La recolección de la aceituna se realiza a lo largo de varios meses, por lo que está sujeta a numerosos cambios. Progresivamente disminuye el porcentaje de humedad y aumenta el contenido en aceite y sólidos. Por lo tanto, un adecuado control de la aceituna y del proceso es necesario para conseguir altos niveles de rendimiento y calidad (Di Renzo and Colelli, 1997; Hermoso et al., 1998; Piacqadio et al., 1998; Ranalli et al., 2001; Uceda et al., 2006; Jiménez et al., 2001; Jiménez et al., 2009; Altieri, 2010 y 2013).

En este trabajo se describe el efecto del caudal de inyección de masa al decanter y de la diferencia de velocidad entre el rotor y el tornillo sinfín de la centrífuga horizontal sobre la capacidad de extracción de la máquina y sobre las características del aceite obtenido, en una extracción a baja temperatura y en dos épocas de recolección diferentes.

Materiales y métodos

Se llevan a cabo dos ensayos durante la campaña 2016/2017 en la almazara experimental del IFAPA 'Venta del Llano' de Mengíbar (Jaén). El primer ensayo se llevó a cabo el 1 de diciembre de 2016 y el segundo el 10 de enero de 2017. Para los dos ensayos realizados, se ha molturado aceituna de la variedad Picual, recolectada en lotes homogéneos de unos 6.000-7.000 kg por medios mecánicos, transportada y procesada en menos de 24 h en la almazara experimental situada en el mismo centro. Se realizó una extracción en frío (<20 °C), con un batido medio de 60 minutos, sin aplicar calor a la batidora durante el mismo y trabajando en continuo. Tampoco se añadió agua durante el proceso de extracción.

La almazara cuenta con una línea Alfa Laval. Esta línea dispone de un molino de discos con criba de 5 mm (30 hp), tres batidoras con posibilidad de inertización de atmosfera y 650 kg de capacidad (Atmosphera Module 650), centrífuga horizontal (X4 1.800 kg/h) y centrífuga vertical (UVPX 507).

El fruto de cada ensayo fue caracterizado mediante la determinación del índice de madurez, el peso medio y la relación pulpa/hueso.

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Muestras de orujo desecadas.

Las muestras de aceituna y orujo se tomaron por triplicado y se determinó el contenido graso y la humedad de las muestras.

En el primer ensayo se establecieron caudales de 1.000, 1.500 y 2.000 kg/h (55%, 83% y 110% de la capacidad máxima de la máquina respectivamente), mientras que en el segundo los caudales fueron de 1000, 1500 y 1800 kg/h (55%, 83% y 100% de la capacidad máxima de la máquina respectivamente). La metodología utilizada fue empezar por el menor caudal de inyección de masa, para aumentarlo a medida que se evaluaban las cinco velocidades diferenciales analizadas.

Las diferencias de velocidad entre el tornillo sinfín y el rotor establecidas fueron: 9, 12, 15, 18 y 21 (Dn1, Dn2, Dn3, Dn4 y Dn5, respectivamente). Se empezó el ensayo con diferencias de velocidad mayores y progresivamente se fueron reduciendo.

Se tomaron muestras por triplicado de aceite filtrado y sin filtrar a la salida del decantador. Se evaluó la humedad e impurezas volátiles, las impurezas insolubles en éter de petróleo y el contenido en polifenoles del aceite sin filtrar. Para los aceites filtrados se evaluó la calidad reglamentada (acidez libre, índice de peróxidos, K232 y K270), pigmentos (clorofila y carotenoides), polifenoles totales y amargor (K225) (CEE (UE) 2016/1227).

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Muestra de aceite filtrado.

Resultados y discusión

Torque y pérdidas de aceite en el orujo

En las tablas 1 y 2 se muestran las características de la aceituna, la temperatura de la pasta a la salida de la batidora y los resultados obtenidos en estos dos ensayos para el torque, la humedad, y el contenido graso en peso fresco y seco del orujo, con respecto al caudal y al diferencial de vueltas.

Los datos obtenidos para el torque en el primer ensayo muestran que a menores caudales de inyección de masa al decanter, se obtienen torques significativamente menores. En cuanto al contenido graso en peso seco del orujo, los caudales Q1 y Q2 (50-75% Capmáx) produjeron significativamente orujos con menores pérdidas. En lo que al diferencial se refiere, los datos muestran como velocidades diferenciales mayores produjeron torques significativamente menores, a excepción de Δn4 y Δn5, que no fueron significativamente diferentes entre ellos. Además, trabajando a un diferencial de 18 o 21 se produjeron orujos con un menor contenido graso.

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Tabla 1: Características de los orujos y torque en función de los caudales y las velocidades diferenciales del ensayo del 1 de diciembre de 2016. También se indican las características del fruto y la temperatura media de la masa a la salida del batido. Valores medios con distinta letra indican diferencias significativas con p<0.05. Letras mayúsculas indican diferencias significativas con respecto al caudal. Letras minúsculas indican diferencias significativas con respecto a las diferencias de velocidad.

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Tabla 2: Características de los orujos y torque en función de los caudales y las velocidades diferenciales del ensayo del 10 de enero de 2017. También se indican las características del fruto y la temperatura media de la masa a la salida del batido. Valores medios con distinta letra indican diferencias significativas con p<0.05. Letras mayúsculas indican diferencias significativas con respecto al caudal. Letras minúsculas indican diferencias significativas con respecto a las diferencias de velocidad.

Los resultados del segundo ensayo muestran diferencias significativas entre los tres tratamientos. Confirmando los resultados del primer ensayo, a menores caudales (Q1) y diferencias de velocidad del sinfín mayores (Δn2, Δn3, Δn4 y Δn5) se produjeron torques significativamente más bajos y menores pérdidas de aceite.

Además, se observa una clara relación inversa entre la diferencia de velocidad y el torque producido, de tal forma que al aumentar el diferencial disminuye el torque. Si nos fijamos en la relación existente entre el caudal y el torque, observamos que al aumentar el caudal se produce un aumento del esfuerzo ‘torque’. Es importante indicar que el aumento del caudal y la reducción de la diferencia de velocidad origina un menor tiempo de permanencia de la masa dentro del decantador centrífugo y, por lo tanto, un mayor esfuerzo del sinfín para transportar los sólidos.

Según muestran los resultados obtenidos para el torque en los dos ensayos, éste se ve influenciado por la composición de la aceituna. El torque producido por la aceituna del primer ensayo fue significativamente menor que en el segundo. Esto es debido a que las características de la aceituna tienen efecto sobre el torque, al incrementarse el contenido en materia seca y disminuir el contenido en humedad como resultado de la maduración de la aceituna, el torque aumenta.

Como muestran los datos de la temperatura y los resultados medios de agotamiento del orujo de ambos ensayos (Tablas 1 y 2), la temperatura tuvo efecto sobre el proceso de extracción, de tal modo que, al disminuir la temperatura, aumentaron las pérdidas de aceite en los orujos.

Aceite sin filtrar

Las características de los aceites sin filtrar producidos se muestran en la tabla 3. Los resultados muestran que la humedad y las impurezas del aceite se incrementan al aumentar el ritmo de inyección de masa al decanter. Es decir, al reducir el tiempo de permanencia de la masa en su interior. No se observaron diferencias significativas para el rango de velocidades diferenciales ni para las épocas de recolección evaluadas. En cuanto al contenido en polifenoles, no se obtuvieron diferencias significativas en los aceites sin filtrar.

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Tabla 3. Valores medios de la humedad y de las impurezas de los aceites sin filtrar a la salida de la centrífuga horizontal para los diferentes tratamientos de caudales y velocidades diferenciales estudiadas el día 1 de diciembre de 2016 y el día 10 de enero de 2017. Valores medios con distinta letra indican diferencias significativas con p<0.05. Letras mayúsculas indican diferencias significativas con respecto al caudal. Letras minúsculas indican diferencias significativas con respecto a las diferencias de velocidad. Valor medio ± SD (n = 3).

Aceite filtrado

Calidad reglamentada: Todos los aceites obtenidos durante el transcurso de los ensayos se encuentran dentro de los límites para la categoría de aceites de oliva vírgenes extra (CEE, 2016). Aunque no existen diferencias significativas, en ambos ensayos se observa que el contenido en peróxidos, K232 y K270 tienden a aumentar ligeramente con caudales bajos, es decir, cuanto mayor es el tiempo de residencia de la pasta dentro del decanter. Estas tendencias pueden ser originadas por una mayor oxigenación debido al movimiento giratorio a altas revoluciones por minuto y a un mayor tiempo de contacto entre el aceite, las aguas de vegetación y los sólidos (Rodis et al., 2002).

Pigmentos: clorofilas y carotenoides: Existe poca información sobre los coeficientes de reparto de los pigmentos en el aceite de oliva. Sin embargo, según los datos obtenidos en ambos ensayos llevados a cabo (Figuras 1 y 2), se observó una relación inversa entre el contenido en carotenoides y clorofilas de los aceites producidos y el caudal de inyección de pasta. No se encontraron diferencias para el diferencial en ninguno de los dos ensayos.

Se observa también que el contenido en pigmentos de los aceites del primer ensayo es mayor al del segundo, debido a que el contenido en carotenoides y clorofilas se reduce a medida que avanza la maduración del fruto (Gutiérrez et al., 1999; Beltrán et al., 2008; Criado et al., 2007).

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Figura 1: Valores medios de los carotenos del aceite filtrado (mg/kg) para los diferentes caudales evaluados en los ensayos del 1 de diciembre de 2016 y 10 de enero de 2017. Valores medios con distinta letra indican diferencias significativas con respecto al caudal con p<0.05. Valor medio ± SD (n = 3).

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Figura 2_ Valores medios de las clorofilas del aceite filtrado (mg/kg) para los diferentes caudales evaluados en los ensayos del 1 de diciembre de 2016 y 10 de enero de 2017. Valores medios con distinta letra indican diferencias significativas con respecto al caudal con p<0.05. Valor medio ± SD (n = 3).

Contenido en polifenoles: La Figura 3 muestra gráficamente el contenido en polifenoles de los aceites obtenidos durante las dos épocas de recolección evaluadas. Se obtuvieron diferencias significativas para los caudales evaluados, no encontrándose cambios estadísticamente significativos para el diferencial de vueltas, aunque se observa una tendencia a aumentar el contenido en polifenoles según disminuye ?n. Por lo general, se observa un incremento de polifenoles a reducir el ritmo de inyección de masa a la centrífuga horizontal. En el primer ensayo, Q1 y Q2 mostraron un mayor contenido en polifenoles en el aceite, mientras que en el segundo ensayo Q1 obtuvo un contenido significativamente mayor.

Los resultados de este estudio ponen de manifiesto una relación directa entre el contenido en polifenoles y un mayor tiempo de contacto entre las fases, originado por un mayor tiempo de permanencia. Los compuestos fenólicos se reparten entre las fases acuosa y oleosa en la medida que indica el coeficiente de reparto (Petrakis, 2006; Herrera, 2007), si bien, los compuestos fenólicos son más solubles en agua que aceite (Rodis et al., 2002).

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Figura 3: Contenido en polifenoles (mg ácido cafeico/kg) del aceite filtrado para los diferentes caudales evaluados en los ensayos del 1 de diciembre de 2016 y del 10 de enero de 2017. Valores medios con distinta letra indican diferencias significativas con respecto al caudal con p<0.05. Valor medio ± SD (n = 3).

Amargor: Los resultados obtenidos para el amargor en los dos ensayos realizados se muestran en las Figuras 4 y 5. En general, el amargor se ve influenciado por el caudal y por la diferencia de velocidad entre el sinfín y el rotor. En ambas épocas de recolección se observa que al reducir el caudal de inyección se producen aceites más amargos. En el primer ensayo, un ritmo de inyección de masa al decanter bajo (Q1) produjo aceites significativamente más amargos, mientras que en el segundo Q1 y Q2 mostraron mayor amargor. Por otro lado, a velocidades diferenciales bajas se observa la tendencia a producir aceites más amargos en ambas épocas de recolección.

Existe una estrecha relación entre el contenido en compuestos fenólicos y el amargor (Gutiérrez et al., 1989; García et al., 2001; Gutiérrez et al., 2003; Beltrán et al., 2000 y 2007). A la vista de los datos obtenidos, se puede afirmar que un mayor tiempo de permanencia de la pasta dentro del decanter (caudales bajos y diferencias de velocidad bajas), provoca una mayor retención de polifenoles y por tanto aceites más amargos. Un mayor tiempo de permanencia permite que parte de los polifenoles que contienen las aguas de vegetación pasen al aceite (Jiménez et., 1995; Petrakis, 2006).

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Figura 4: Valores medios del amargor de las muestras de aceite filtrado recogidas durante los ensayos del 1 de diciembre de 2016 y del 10 de enero de 2017 para los diferentes caudales evaluados. Valores medios con distinta letra indican diferencias significativas con respecto al caudal con p<0.05. Valor medio ± SD (n = 3).

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Figura 5: Valores medios del amargor de las muestras de aceite filtrado recogidas durante los ensayos del 1 de diciembre de 2016 y del 10 de enero de 2017 para las diferencias de velocidad evaluadas. Valores medios con distinta letra indican diferencias significativas con respecto a la diferencia de velocidad con p<0.05. Valor medio ± SD (n = 3).

Conclusiones

Se ha observado que la monitorización del esfuerzo (torque) puede emplearse para controlar la diferencia de velocidad y ajustarla en tiempo real, para conseguir el mejor agotamiento del orujo en ese momento.

Se concluye que a mayores ritmos de inyección de masa al decanter se producen mayores pérdidas de aceite en el orujo y aceites con mayor humedad e impurezas. Por otro lado, a bajos ritmos de inyección se obtienen orujos más agotados y aceites con un mayor contenido en pigmentos, polifenoles y más amargos.

La extractabilidad del aceite se ve influenciada por la velocidad diferencial y tiende a aumentar a medida que se incrementa el diferencial. La diferencia de velocidad tiene también efecto sobre el amargor, de forma que al reducirse se producen aceites más amargos.

Adicionalmente, puede afirmarse que las características de la aceituna, las temperaturas del proceso, el caudal de alimentación y el diferencial no tienen influencia en la calidad reglamentada del aceite final obtenido, pero sí en su composición y en el contenido en humedad e impurezas de los aceites sin filtrar.

Las características de la aceituna que se está molturando y las condiciones de preparación de la pasta tienen efecto sobre la extractabilidad del aceite y sobre el contenido en humedad e impurezas de los aceites obtenidos.

Dentro del rango estudiado, el caudal de inyección de masa al decanter y el diferencial de vueltas deben optimizarse de acuerdo con las características de la aceituna que se está molturando y de la masa de aceituna, con el objetivo de conseguir un mejor agotamiento de los orujos y modular las características del aceite final obtenido, pudiendo controlar el proceso para obtener aceites con mayor intensidad de color, con un mayor contenido en polifenoles y, por lo tanto, aceites más amargos y más estables.

Agradecimientos

Trabajo llevado a cabo dentro del proyecto 'Transferencia de Tecnología y Cooperación en Olivar y Aceite de Oliva (PP.TRA.TRA201600.2), cofinanciado al 80% por el FONDO EUROPEO de Desarrollo Regional, Programa Operativo FEDER de Andalucía 2014-2020 'Andalucía se mueve con Europa'.

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