robotaid.com.mx

Noviembre 2018

Pablo Alan Calderón Carrasco¹

¹ Universidad Autónoma Chapingo, Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola. Carretera México-Texcoco km 38.5, Chapingo, Estado de México, C.P. 56230, MÉXICO.

Resumen

Se revisaron, de fuentes documentales revisadas por pares de publicación reciente (2018), las características principales de las técnicas de extracción de aceites de oleaginosas, profundizando en los métodos continuos de extracción mecánica, las variables de estudio, las investigaciones disponibles sobre predicción del desempeño del proceso y comportamiento del fluido dentro de la prensa, se notó la ausencia de modelos de predicción de desempeño del proceso para simularlo de manera íntegra,  y se identificó el proceso de extracción mediante prensa de tornillo doble como la alternativa de extracción de aceite que presenta mayores ventajas en cuanto al compromiso entre rendimiento, calidad y salud para el consumidor.

Palabras clave: Prensa de tornillo, oleaginosa, optimización, CFD.

Abstract

The main features of seed oil extraction techniques were reviewed in documentary sources of recent publication, exploring the continuous methods for mechanical oil extraction, its involved variables, prediction performance models to explain process and fluid behavior within the press, it was noted the lack of prediction models to perform complete simulations of the whole process. The twin screw press extraction process shows the greatest number of advantages.

Keywords: Screw press, oilseed, mechanical oil extraction,Mechanical oil extraction, optimization, CFD.

Introducción

La materia prima a partir de la cual se producen los aceites vegetales son semillas o frutos, todas las semillas y frutos contienen aceite, pero son las oleaginosas las que por concentrarlo en mayor porcentaje se utilizan en la producción comercial de aceite. Las oleaginosas más estudiadas y para las que la mayoría de procesos de extracción están diseñados son cacahuete, canola, ricino, soja, girasol, cártamo, jaltrofa y olivo. En la producción de aceite vegetal se distinguen tres técnicas; prensado mecánico, extracción mediante solventes y extracción con fluidos en estado supercrítico (Ariçanu & Rus, 2017), ver Tabla 1.

Tabla 1. Técnicas y procedimientos para la extracción de aceite

En este contexto este estudio pretende revisar el estado tecnológico de la extracción por prensado mecánico de aceites de semillas oleaginosas, los estudios recientes en el desarrollo de nuevos diseños para aumentar el porcentaje de extracción de aceite mediante el proceso de prensado mecánico.

De manera adicional, debido a la utilidad de emplear la simulación de modelos de predicción del rendimiento y desempeño de la extracción de aceite, se ha considerado importante revisar las variables principales identificadas en el proceso, las relaciones entre ellas, así como los modelos de predicción del desempeño que han sido aplicados o se encuentran en desarrollo.

Metodología

Se realizó una búsqueda bibliográfica en julio de 2018 en Scopus y los recursos bibliográficos de CONRICyT limitada a los últimos 5 años, excluyendo los artículos de áreas temáticas que no guardan relación directa con el tema. Los descriptores empleados son:

• “Oilseed” AND “screw” AND “press”
•  “Seed” AND “oil extraction”

Se seleccionaron para su análisis los documentos con menos de 5 años de antigüedad revisados por pares, para consultar las diferentes técnicas de extracción de aceite de semillas oleaginosas, identificar las variables de estudio, los parámetros de diseño de prensas de tornillo y la tendencia de desarrollo en la industria y la investigación. Se consultaron trabajos relevantes de mayor antigüedad cuando fueron referidos en trabajos recientes para ampliar la información y ponerlos en contexto.

También se seleccionaron artículos sobre modelos matemáticos y reológicos, así como trabajos de simulación por computadora sobre extracción mecánica de aceite para identificar la precisión alcanzada por éstos, los modelos empleados destacando sus suposiciones. En este caso empleando los descriptores siguientes:

• “Mechanical pressing” AND “model”
• “Model” AND “screw press”

Finalmente fueron analizados los hallazgos para concluir con la Identificación de las líneas de investigación e interrogantes que continúan abiertas sobre este tema.

Estado actual de la extracción mecánica de aceite de semillas

El método más empleado es la extracción con solventes, principalmente con n-hexano, en segundo lugar, el prensado mecánico es usado por pequeños y medianos  productores, pero también en procesadoras comerciales a gran escala como pretratamiento antes de un proceso de extracción con solventes. El método de extracción mediante fluidos en estado supercrítico no ha sido adoptado por la industria por el alto costo de implementación y el uso intensivo de la energía durante el proceso.

En años recientes debido a consideraciones medioambientales y de salud de los consumidores, ha vuelto el interés por profundizar en el prensado mecánico (Uitterhaegen & Evon, 2017) considerado el más limpio, por ello en este documento se revisará el estado del arte de esta técnica de extracción de aceite,  que como ventaja adicional, es el método idóneo para producir el aceite destinado al nicho de mercado de alimentos y cosméticos orgánicos que admite solo los productos cultivados y procesados sin la utilización de fertilizantes químicos y pesticidas, que además no provengan de organizamos transgénicos, no hayan sido procesados usando irradiación, solventes industriales, o aditivos químicos para alimentos.  

Versiones de la prensa de tornillo.

Prensa de tornillo simple (Single screw)

Los componentes básicos de una prensa de tornillo simple se presentan en la Figura 1, estos componentes se diseñan en una variedad de configuraciones acordes a los diferentes procesos, que van desde extrusión de polímeros, procesamiento de alimentos, pre-tratamiento de oleaginosas y/o extracción de aceite.

Figura 1. Esquema de la prensa de tornillo helicoidal utilizada para la extracción de aceite. Fuente: Savoire, Lanoisellé, & Vorobiev (2013)

Tornillo de sección doble o Two section screw Al usar prensas de tornillo simple es común que la masa comprimida se vuelve a alimentar en la tolva (reproceso) para obtener más aceite, llegando a requerir hasta

cinco reprocesos para obtener un porcentaje alrededor del 90% del aceite disponible en las semillas, lo que lleva a una drástica disminución de la capacidad de procesamiento de la máquina y mayor desgaste. Para agilizar el proceso, Singh & Bargale (2000) desarrollaron un prototipo de prensa con un tornillo sin fin de mayor longitud pero dividido por una estrangulación en dos secciones; sección primaria dividida en tres zonas (alimentación, transporte y exudación) y sección secundaria dividida en dos zonas (de transporte y de exudación), ver Figura 2.

Este prototipo fue diseñado a partir de la experiencia de los investigadores quienes en ese momento consideraron inviable un análisis de flujo no newtoniano por la complejidad de la máquina. La compresión de la sección primaria de este prototipo tiene una relación de compresión de 5:1 y en la zona secundaria de 3:1 dando como resultado una relación de compresión teórica total de 15:1, que contrasta con la relación de compresión típica de 10:1 de las prensas de tornillo simple, esta compresión se produce por el aumento gradual del diámetro principal del tornillo al acercarse a la zona de exudación mientras que el paso del tornillo se mantiene constante.  Con esto, se logró recuperar 90% del aceite de colza con un reproceso.

Figura 2. Semi sección de una maquina extractora de aceite por tornillo sin fin de dos secciones con sus principales partes; (1) tolva, (2) motorreductor, (3) marco, (4) bandeja de recolección de torta, (5) eje de tornillo sin fin, (6) barril o cilindro, (7) espaciadores, (8) bandeja de recolección de aceite, (9) ajuste de la holgura de la estrangulación, (10) motor eléctrico, (11) estrangulación. Fuente: Singh y Bargale (2000).

Prensa de doble tornillo o Twin screw

Mientras que en una prensa de tornillo simple el material es trasportado en dirección del eje del tornillo solo por la fuerza de fricción con las paredes del tornillo, con el inconveniente en la zona cercana al estrangulamiento de salida se induce por la presión un flujo contrario a la dirección de salida, la suma del flujo de salida y el contraflujo inducido determinan la velocidad de alimentación del tornillo y por ende la capacidad de proceso de la prensa, esto no ocurre en las prensas de doble tornillo, porque la combinación del giro en el mismo sentido de los dos tornillos funciona como una bomba de desplazamiento positivo, avanzando el material de manera continua independientemente de la presión y la velocidad de rotación de los tornillos. Esto representa una ventaja en cuanto a que no hay que elegir en las prensas de doble tornillo entre un alto porcentaje de extracción de aceite o una capacidad de producción más alta, porque en las prensas de tornillo simple estas variables son inversamente proporcionales.

Figura 3. Representación esquemática del diseño del extrusor de doble tornillo que comprende dos secciones de prensado diferentes, desarrollado por Bouvier y Guyomard para el prensado termo-mecánico de semillas oleaginosas (Bouvier y Guyomard, 1996). A. Vista esquemática a través de un plano vertical que pasa por uno de los ejes de los tornillos; B. Vista esquemática a través de una semi sección que muestra ambos ejes de tornillo.

Además de lo anterior, numerosos reportes indican que tienen muy buena capacidad de mezclado y representan una ahorro de energía de entre el 40 y el 60 % respecto a las prensas de tornillo simple.

Variables del proceso de prensado mecánico continuo.

Con el fin de mejorar el rendimiento de la extracción de aceite mediante prensado mecánico se han desarrollado estudios en 3 frentes principales; optimización de los parámetros de proceso, mejoramiento de la configuración geométrica de la prensa de tornillo y pre-tratamientos de las semillas (Ionescu, Voicu, Biris, Matache, & Stefan, (2015), Koubaa et al., (2016)) muchos de los cuales han sido conducidos de manera empírica (Toscano & Foppa Pedretti, 2012), esta revisión se centra en los dos primeros aspectos.

En numerosos estudios se reporta el efecto de los parámetros de operación -velocidad de rotación, temperatura y contrapresión- y propiedades de la materia prima -especie de la semilla, variedad, contenido de humedad y pre procesos de acondicionamiento- en el desempeño del proceso (rendimiento de aceite y capacidad. Para una semilla dada, los factores más influyentes son la presión, la temperatura, y el contenido de humedad (Savoire et al., 2013).

 Temperatura

Arișanu (2013) destaca el papel de la temperatura que incide de varias maneras en el desempeño y rendimiento de la extracción de aceite; el incrementar la temperatura causa disminución en la viscosidad del aceite y este se separa con mayor facilidad, pero, por otro lado, si se eleva demasiado, puede alterar la estructura celular y afectar la plasticidad de la torta (fase solida de la materia prima) además de desnaturalizar las proteínas y deteriorar el aceite por lo que se busca mantenerla alrededor de 60°C, una opción podría ser controlar la cantidad de semilla que ingresa al proceso (Hu, 2015), o variar la velocidad de los tornillos en tiempo real para mantener una presión y temperatura constantes.

Presión

En general a mayor presión mayor rendimiento y eficiencia de la extracción, independientemente de la semilla que se trate, a su vez la presión alcanzada en el barril guarda relación con la velocidad de rotación. Esta presión es generada por la gradual compresión volumétrica a lo largo del tornillo (J. Singh & Bargale, 2000)

Contenido de humedad

El contenido de humedad es un factor clave a controlar en la extracción mecánica de aceite, para algunas semillas el rendimiento no se ve afectado significativamente, pero en general existe un rango de humedad en el que se obtiene mayor rendimiento en la extracción de aceite, por ejemplo ha sido reportado que para las nueces y los cacahuetes un aumento en el contenido de humedad de 2.4% a 7% incrementa el rendimiento de extracción de aceite de 61% a 84% mientras que en algunos materiales como el sésamo, existe un contenido de humedad óptimo (Ezeh, Gordon, & Niranjan, 2016).

Parámetros de diseño

La relación de compresión del tornillo es uno de los criterios de diseño más importantes en el desempeño de una prensa de tornillo. Se define como la relación ente el volumen de material desplazado en cada revolución del tornillo en la sección de alimentación respecto al volumen desplazado por revolución en la sección de estrangulamiento. En la practica se emplean relaciones de compresión mayores a las relaciones de compresión de semillas oleaginosas para compensar el deslizamiento y la rotación de la masa de semillas respecto al tornillo, por ejemplo el cacahuate puede comprimirse en teoría hasta una relación de 4.3:1 pero se emplea en la prensa para procesarlo relaciones de compresión de 10:1 (J. Singh & Bargale, 2000)

Simulaciones del rendimiento de extracción de aceite de semillas oleaginosas.

El prensado mecánico es una operación complicada de modelar porque mezcla fenómenos de sólidos y semi-sólidos con el desprendimiento de una fase liquida, proceso en el que claramente las propiedades del material prensado cambian en casi todas las secciones de la prensa, al ingresar son semillas sólidas, en alguna parte intermedia del proceso se convierten en una mezcla heterogénea de semillas mullidas y en todo momento la temperatura cambia y hace variar algunas propiedades importantes como la viscosidad, al desprenderse del aceite se ven afectadas las propiedades reológicas de la torta proteica o fase semisólida obtenida como producto secundario del proceso. Por esta complejidad de los fenómenos presentes durante el proceso, no hay todavía una teoría uniforme del proceso, los modelos conocidos hasta ahora tienden a generalizar aspectos notados en laboratorio o durante la operación de equipo industrial (Ariçanu & Rus, 2017),  actualmente se desarrolla el modelo de exudación solido-liquido para materiales biológicos, en el que se toman en cuenta la estructura de los materiales a nivel celular y los espacios extracelulares y son vistos como un material poroso formulado por la ley de filtración de Darcy y las ecuaciones de continuidad, con esto se puede obtener la distribución de presiones dentro de la partículas porosas y en los espacios entre partículas (Petryk & Vorobiev, 2013), sin embargo no se encontró alguna simulación empleando este modelo pero parece el enfoque más prometedor.

sin embargo, el diseño de modelos que describan matemáticamente la operación de prensado continuo permitiría predecir el comportamiento y desempeño de varios procesos de prensado (Savoire et al., 2013).

Simulación por dinámica de fluidos computacional

Bahadar, Khan, & Mehran (2013) reportan emplear dinámica de fluidos computacional para simular el proceso de extracción mecánica de aceite de semillas de jaltrofa alcanzado hasta un 98% de rendimiento de aceite en pruebas experimentales que no se reportan, el modelo empleado presenta simplificaciones importantes; la jaltrofa fue considerada un fluido no newtoniano homogéneo desde la alimentación hasta la descarga, las variaciones de propiedades del material que son afectadas directamente por la temperatura no se consideraron como las viscosidad. Estas simplificaciones generan resultados no válidos para estudiar el flujo dentro de la prensa de tornillo, pero que constituyen una guía para predecir la presión alcanzada en cada sección del tornillo, lo cual es útil para determinar si la prensa tiene la capacidad de alcanzar una determinada presión en el interior para exudar el aceite. Las suposiciones la necesidad de generar o adaptar modelos que tomen en cuenta la variación de propiedades en función de la temperatura y describan de manera más precisa el comportamiento reológico de las semillas dentro de una prensa de tornillo. Para mejorar la calidad de los resultado podría instrumentarse una prensa de tornillo como lo reportan S. K. Singh & Muthukumarappan (2017) quienes presentan un experimento más completo, referido a el proceso de extrusión de hojuelas de soya para emplearse como alimento para peces, se realizó una caracterización reológica de la masa de soya en el cabezal del extrusor empleando un reómetro capilar, la caracterización se usó como propiedad del material en una simulación CFD. Para obtener las curvas de viscosidad del material, la presión y la temperatura fueron mediadas antes y después de la estrangulación donde se colocó un reómetro capilar, en el referido estudio también se realizó una validación mediante la comparación del torque demandado por la extrusora a diferentes velocidades de rotación y el torque simulado entre el tornillo y el dominio fluido encontrado mediante dinámica de fluidos computacional. El modelo validado fue empleado para optimizar la extrusión y mejorar la calidad de los productos.

Conclusiones

La técnica de extracción de mayor rendimiento, mediante la cual se obtiene el mayor volumen de producción es la extracción por el disolvente n-hexano, sin embargo, el prensado mecánico en máquinas de doble tornillo se le acercar en rendimiento, pero sin la desventaja de afectar la calidad del aceite y la torta proteica.

La variable de diseño de la prensa de tornillo que más afecta su funcionamiento es la relación de compresión, valor que normalmente se encuentra en una relación 10:1, en segundo lugar, está el área libre de la estrangulación de salida.

No se encontró ningún modelo para simular de manera íntegra el proceso continuo de extracción de aceite en una prensa de tornillo.  Sin embargo, la aplicación del modelo de exudación solido-líquido para materiales biológicos se ve como un claro candidato para alcanzar este fin.

La simulación CFD analizada ha tenido simplificaciones que ponen en duda su validez interna, precisamente por la falta de un modelo adecuado para simular el comportamiento de los materiales biológicos dentro de la prensa de tornillo.

Bibliografía

Ariçanu, A. O., & Rus, F. (2017). Current techniques and processes for vegetable oil extraction from oilseed crops. Bulletin of the Transilvania University of Brasov, Series II: Forestry, Wood Industry, Agricultural Food Engineering, 10(1), 65–70.

Arișanu, A. O. (2013). Mechanical Continuous Oil expression from oilseeds: Oil yield and press capacity. 5 Th International Conference of Computational Mechanics and Virtual Engineering, (October), 347–352. Retrieved from http://aspeckt.unitbv.ro/jspui/bitstream/123456789/422/1/347 – 352, Arisanu 2.pdf

Bahadar, A., Khan, M. B., & Mehran, T. (2013). Design and development of an efficient screw press expeller for oil expression from Jatropha Curcas seeds: A computational flow dynamics study of expeller for performance analysis. Industrial and Engineering Chemistry Research, 52(5), 2123–2129. https://doi.org/10.1021/ie302572d

Ezeh, O., Gordon, M. H., & Niranjan, K. (2016). Enhancing the recovery of tiger nut (Cyperus esculentus) oil by mechanical pressing: Moisture content, particle size, high pressure and enzymatic pre-treatment effects. Food Chemistry, 194, 354–361. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.07.151

Hu, Z. G. (2015). Design and Simulation of Closed-Loop Control System for Screw Oil Press, (Eame), 731–734.

Ionescu, M., Voicu, G., Biris, S., Matache, M., & Stefan, M. (2015). Mathematical models for expressing the oil extraction at screw presses. UPB Scientific Bulletin, Series D: Mechanical Engineering, 77(3), 249–260.

Koubaa, M., Mhemdi, H., Barba, F. J., Roohinejad, S., Greiner, R., & Vorobiev, E. (2016). Oilseed treatment by ultrasounds and microwaves to improve oil yield and quality: An overview. Food Research International, 85, 59–66. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2016.04.007

Petryk, M., & Vorobiev, E. (2013). Numerical and Analytical Modeling of Solid–Liquid Expression from Soft Plant Materials. AIChE Journal, 59(504), 3–194. https://doi.org/https://doi.org/10.1002

Savoire, R., Lanoisellé, J. L., & Vorobiev, E. (2013). Mechanical Continuous Oil Expression from Oilseeds: A Review. Food and Bioprocess Technology, 6(1), 1–16. https://doi.org/10.1007/s11947-012-0947-x

Singh, J., & Bargale, P. C. (2000). Development of a small capacity double stage compression screw press for oil expression. Journal of Food Engineering, 43(2), 75–82. https://doi.org/10.1016/S0260-8774(99)00134-X

Singh, S. K., & Muthukumarappan, K. (2017). Rheological Characterization and CFD Simulation of Soy White Flakes Based Dough in a Single Screw Extruder. Journal of Food Process Engineering, 40(2). https://doi.org/10.1111/jfpe.12368

Toscano, G., & Foppa Pedretti, E. (2012). Evaluation Ofamathematical Model for Oil Extraction From Oleaginous Seeds. Journal of Agricultural Engineering, 38(2), 11–20. https://doi.org/10.4081/jae.2007.2.11

Uitterhaegen, E., & Evon, P. (2017). Twin-screw extrusion technology for vegetable oil extraction: A review. Journal of Food Engineering. Elsevier. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2017.06.006