Procesos de Cristalización, Secado y Reducción de Tamaño en la Industria

¿Qué es la cristalización?

Es el proceso mediante el cual se forman cristales sólidos a partir de una fase diferente, normalmente una solución líquida o una mezcla.

Conceptos fundamentales

• Cristales: Se denomina así a las partículas sólidas en las que las moléculas, los átomos o los iones constituyentes conforman una red o un patrón tridimensional fijo, rígido y que se repite.
• Precipitación: Se trata de un sinónimo de “cristalización”, pero se usa más a menudo cuando esta se produce con mucha rapidez mediante una reacción química.
• Solubilidad: Es una medida de la cantidad de soluto que se puede disolver en un disolvente concreto a una temperatura determinada.
• Solución saturada: A una temperatura determinada, existe una cantidad máxima de soluto que se puede disolver en el disolvente. En este punto, la solución está saturada. La cantidad de soluto disuelto en este punto constituye la solubilidad.
• Supersaturación: Se trata de la diferencia entre la concentración real de soluto y la equilibrada a una temperatura determinada.

La cristalización se produce cuando la solubilidad de un soluto en una solución se reduce por algún medio.

Métodos comunes para reducir la solubilidad

• Refrigeración
• Adición de antidisolvente
• Evaporación
• Reacción (Precipitación)

Tipos de cristalización

Retos típicos de la cristalización

Durante el proceso, se pueden presentar diversos desafíos técnicos como:

• Nucleación
• Crecimiento
• Aceitado
• Aglomeración
• Rotura
• Transición polimorfa

Fases de la cristalización

1. Elección del disolvente: Debe considerarse la cantidad de soluto que se puede disolver (solubilidad) y la practicidad de su manipulación (seguridad).
2. Disolución: Disuelva el producto en el disolvente aumentando la temperatura hasta que desaparezca la última molécula del producto.
3. Reducción de solubilidad: Mediante enfriamiento, adición de antisolventes, evaporación o reacción. La solución se volverá supersaturada.
4. Cristalización: A medida que se reduce la solubilidad, se alcanza un punto en el que los cristales se nuclean y luego crecen.
5. Equilibrio: Deje que el sistema alcance el equilibrio después del enfriamiento u otro método.
6. Filtración y secado: Filtre y seque el producto purificado.

Cristalización fraccionada

El proceso de fraccionamiento en general se utiliza para la modificación de grasas y aceites, con el fin de otorgarles las características físicas y químicas requeridas para su funcionalidad final.

Los principales objetivos que se persiguen son el cambio del punto de fusión y el aumento de la estabilidad de las fracciones líquidas y sólidas.

Materias primas del proceso

• Aceite de palma, coco, algodón, soja hidrogenado y palmiste.
• Aceite de girasol alto esteárico alto oleico.
• Grasa bovina, ovina y de la leche.
• Aceite de pescado.

Estas materias poseen un comportamiento polimórfico característico: presentan fases sólidas de idéntica composición química que difieren en la configuración de su estructura cristalina. Los triglicéridos pueden adoptar varias formas cristalinas, siendo tres las principales. Según la estabilidad relativa, pueden clasificarse como enantiotrópicas o monotrópicas.

Descripción del proceso de cristalización fraccionada

En la tecnología de los alimentos, el comportamiento polimórfico de las grasas permite inducir la formación de cristales con un tamaño y estabilidad determinados mediante el control de variables.

Etapas principales

• Formación de núcleos: Es necesario calentar la materia grasa hasta una temperatura mayor a su punto de fusión para fundir todos los cristales, utilizando un homogeneizador.
• Nucleación homogénea: Se da en fases líquidas sin impurezas cuando las moléculas forman grupos crecientes estables.
• Nucleación heterogénea: Ocurre por la presencia de impurezas que actúan como aceleradores.
• Nucleación secundaria: Acontece por partículas que se desprenden de cristales ya formados.
• Crecimiento del cristal: Determinado por la temperatura y la viscosidad.

Diseño y elección del cristalizador

Las especificaciones técnicas del cristalizador son determinantes. El sistema de intercambio de calor y de agitadores es fundamental para la velocidad de formación y crecimiento de los cristales.

Separación por filtración

Una vez finalizada la cristalización, se obtienen fracciones sólidas y líquidas que deben separarse:

• Filtro de tambor rotativo de vacío: Operación continua que incluye succión, secado por corriente gaseosa y descarga por raspado.
• Filtro prensa de membranas: Ofrece mayor eficiencia, tolerancia a cambios de morfología, protección contra la oxidación y menor consumo de energía.

Factores críticos en el proceso

Solvente ideal

El solvente adecuado debe cumplir con:

• No reaccionar con el compuesto.
• Hervir por debajo del punto de fusión del compuesto.
• Disolver gran cantidad en caliente y poca en frío.
• Ser volátil, no tóxico, no inflamable y económico.

Pureza y rendimiento

Cuando se separa la cosecha de cristales, la masa de sólidos retiene aguas madres. Si el producto se seca directamente, se produce una contaminación proporcional a la impureza de estas aguas. El equilibrio se alcanza cuando las aguas madres están saturadas a la temperatura final del proceso.

Efecto de las impurezas

Las impurezas pueden alterar significativamente la cinética de cristalización y la distribución de tamaño del cristal. Sin embargo, su adición controlada puede mejorar la calidad del producto o el rendimiento.

Preservación por deshidratación

La técnica de secado se utiliza para prevenir el crecimiento de microorganismos mediante la extracción de humedad. En este proceso ocurren dos fenómenos:

1. Transmisión de calor del medio externo al interno del sólido.
2. Transferencia de humedad interna al medio externo.

Ecuación de intensidad de deshidratación (Ic)

Ic = U A (Ta - Ts) / L = KM A (pvs - pva)

Donde U es el coeficiente de transmisión de calor, A el área, Ta la temperatura del aire y Ts la de la superficie.

Aspectos que afectan la velocidad de secado

• Superficie: Grandes superficies y capas delgadas aceleran el proceso.
• Temperatura: Un mayor diferencial térmico aumenta la transferencia de energía.
• Velocidad y sequedad del aire: El aire seco y en movimiento es más efectivo para absorber humedad.
• Presión atmosférica: El vacío permite extraer humedad a menores temperaturas.

Tipos de secadores industriales

Clasificación general

• Secadores directos (Convección): Contacto directo entre sólidos y gases calientes.
• Secadores indirectos (Conducción): El calor se transfiere a través de una pared de retención.

Equipos comunes

Secador de bandejas o anaqueles

Consiste en un gabinete donde circula aire caliente sobre el material. Existen versiones al vacío para materiales sensibles.

Secadores de túnel

Túneles de hasta 24 metros donde bandejas sobre rieles se mueven a contracorriente del aire caliente.

Secador rotatorio

Cilindro inclinado que gira, permitiendo que el sólido se deslice mientras entra en contacto con gas caliente.

Secador por aspersión (Spray Dryer)

Atomiza una suspensión líquida en una corriente de aire caliente, obteniendo partículas sólidas instantáneamente.

Secador de tambor rotatorio

Un tambor metálico calentado donde una cuchilla raspa el sólido seco de las paredes; ideal para pastas y suspensiones.

Reducción de tamaño: Trituración y Molienda

Trituración

Proceso de reducción para tamaños de entrada de 1 m a 1 cm. Se divide en primaria (1 m a 10 cm) y secundaria (10 cm a 1 cm). Utiliza fuerzas de compresión, cizallamiento, percusión y abrasión.

Molienda

Utilizada en la fabricación de cemento, harinas y alimentos balanceados. Los tipos de molinos incluyen:

• Rulos y muelas: Ruedas que aplastan el material en una pista.
• Discos: Dos discos enfrentados que giran en sentidos opuestos.
• Bolas y barras: Cilindros horizontales con elementos moledores que actúan por fricción y percusión.
• Martillos: Actúa por impacto mediante elementos de percusión que giran a gran velocidad.
• Rodillos: Común en la industria del cemento, utiliza presión hidráulica sobre pistas giratorias.
• Doppel-Rotator: Molino de doble cámara con descarga periférica central.

Molienda húmeda vs. seca

Tamizado

Operación unitaria que separa la muestra por granulometría dándole homogeneidad. Se utilizan mallas estandarizadas (como la serie Tyler), donde un mayor número indica una abertura más pequeña.

Clasificación del tamizado

• Macrotamizado: Partículas mayores a 0,2 mm.
• Microtamizado: Mallas inferiores a 100 micras para eliminar sólidos suspendidos muy pequeños.
• Tamizado mojado: Utilizado para suspensiones o polvos finos que tienden a aglomerarse.

Tipos de tamices

• Tamiz-tornillo: Tamiza, transporta y compacta en un solo equipo.
• Tamiz rotativo: Incluye cepillos de limpieza y agua a presión.
• Tamiz vibratorio: Para grandes capacidades, con vibración mecánica o eléctrica.

El análisis de tamiz asume que las partículas son casi redondas. Para partículas alargadas o planas, los resultados pueden no ser del todo confiables debido a la orientación de la partícula al pasar por la abertura cuadrada.