La cantidad de agua de vegetación y materia sólida orgánica (impurezas) en el aceite de oliva virgen justo antes de ser almacenado, va a depender en gran medida, de la etapa de clarificación. La composición de estos sólidos orgánicos, principalmente azúcares, fosfolípidos, proteínas y componentes fenólicos (Koidis y Boskou, 2006; Papadimitriou et al., 2013), junto con la presencia de agua y microorganismos (Ciafardini y Zullo, 2002; Koidis et al., 2008), pueden provocar fermentaciones no deseadas durante el almacenamiento y en consecuencia, deteriorar la calidad final de los aceites.
Los dos sistemas de clarificación empleados hoy en día en las almazaras son la centrifuga vertical (CV) y los depósitos de clarificación de fondo cónico (DDFC), que aunque son bien diferentes, ambos se rigen por el mismo principio físico descrito por la ley de Stokes. Su aplicación en la clarificación del mosto oleoso a la salida del decánter, depende de algunas de las propiedades de las diferentes fases que lo forman, como densidad y viscosidad del aceite o el tamaño de partícula de los sólidos. En este sentido, la caracterización de este aceite recién extraído es importante para profundizar en el estudio de la etapa de clarificación, objetivo de estudio.
De hecho en un conjunto de aceites monovarietales, se observó que la densidad y viscosidad presentaban gran variabilidad mostrando valores comprendidos entre 0,904-0,915 g/cm3 y 0,034-0,242 Pa-s, para temperaturas en los rangos 10-40 °C y 0-40 °C, respectivamente. Tanto la densidad como viscosidad dependen de la composición en ácidos grasos del aceite (Jiménez et al., 2007; Bonnet et al., 2011), y ésta muestra un elevado componente genético (Beltrán et al., 2004). Los resultados obtenidos en el presente estudio mostraron como la viscosidad de los aceites de oliva tienden a aumentar con un mayor contenido en ácido oleico (C18:1), por lo que la variedad se puede considerar un factor que afecta directamente al funcionamiento de las diferentes etapas de separación del proceso de elaboración de los aceites de oliva vírgenes, en particular, la separación líquido-líquido o etapa de clarificación.
Asimismo, también se ha observado como la temperatura muestra una gran influencia sobre estas propiedades (densidad y viscosidad) de los aceites. Así, un incremento de la temperatura provocó un descenso tanto de la viscosidad como de la densidad, por lo que, este comportamiento favorece el transporte de los líquidos y puede determinar el rendimiento del proceso de extracción.
A su vez, se analizaron también propiedades térmicas de estos mismos aceites, con el objetivo de relacionarlas con su composición en ácidos grasos. El perfil de ácidos grasos de cada aceite esta relacionado con su comportamiento térmico, y por tanto influye en el estado físico de los aceites de oliva vírgenes en función de la temperatura, aspecto que interviene en la solidificación de ceras, triglicéridos… y puede influir en las operaciones de separación. Temperaturas de cristalización más elevadas está relacionados con un alto contenido en C18:1 y bajos porcentajes en C18:2 y C16:0, como en el caso de variedades como ‘Picual’ y ‘Hojiblanca’. En cuanto al proceso de fusión de los aceites de oliva, aunque se encontraron algunas correlaciones en su composición acídica, estas no presentaron un buen ajuste, lo que podría explicarse por el fenómeno denominado polimorfismo, en el cual se produce una recristalización de los aceites originales (Tan y Che Man, 2000; Maggio et al., 2014). En definitiva tanto densidad como viscosidad, parámetros relacionados con los fenómenos de separación de fases, van a depender en gran medida de su composición en ácido grasos fundamentalmente de la temperatura.
El contenido de agua y sólidos orgánicos del aceite depende fundamentalmente de las características del fruto (variedad, humedad, estado de madurez.), y algunas variables del proceso de elaboración como: grado de molienda, caudal de adición de agua a las pastas, ritmo de inyección de la pasta al decánter y fundamentalmente, de la distancia de la salida del aceite al eje de giro (Di Giovacchino et al., 2002; Uceda et al. 2006). Tanto el agua como la materia sólida orgánica presentes en estos aceites, pueden encontrarse como fases libres o en forma agregada, y en el caso del agua, parcialmente emulsionada con el aceite, lo que dificulta su separación durante la clarificación.
En la operación de clarificación, además de la diferencia de densidad de las diferentes fases y la viscosidad del aceite, el tamaño de la partícula es otro parámetro que va a influir en la separación de acuerdo con la ley de Stokes; para sólidos de igual densidad, un mayor tamaño de partícula aumenta la velocidad de decantación (Rodríguez et al., 2002). En un análisis del tamaño de partícula de los sólidos presentes en los aceites procedentes del decánter, se observó como el tamaño de partícula d50 fue de 165 pm, donde la mayor parte de las partículas (65%) presentaron tamaños comprendidos entre 81 y 256 pm. El tamaño de las partículas de dimensiones mayores va a estar condicionado por la abertura de malla del tamiz vibratorio a la salida del decánter. Además, habría que tener en cuenta, que a pesar de esta distribución del tamaño se pueden formar agregados de mayores dimensiones.
A partir de los datos obtenidos en cuanto a las variables que pueden afectar a la clarificación del aceite, se ha estudiado la separación de partículas del aceite procedente del decánter usando una columna de sedimentación, poniéndose de manifiesto la gran influencia de la temperatura a la que se lleva a cabo esta separación mecánica. De hecho, se observó como a la temperatura más elevada se obtiene una mayor eficiencia en la clarificación del aceite.
El proceso de decantación en columna presenta un modelo con dos etapas diferenciadas. Una primera decantación lineal rápida durante los primeros 80 minutos, momento en el cual comienza una segunda etapa de compresión o ralentización, en la que la velocidad de decantación decrece hasta que ésta se estabiliza. Tal y como se ha descrito anteriormente, un aumento de temperatura significa una disminución de la viscosidad dinámica de los aceites, por lo que este hecho facilita la sedimentación de las partículas durante la operación de decantación, aumentando la velocidad de eliminación de las partículas y mejorando así los tiempos de clarificación.
La tecnología en dinámica de fluidos computacional (DFC), herramienta de ingeniería basada en cálculo matemático para la modelización de situaciones de flujo de fluidos, permite diseñar y analizar nuevos equipos antes de ser fabricados o implementados, se ha aplicado para la modelización de la clarificación del aceite en columna. Los resultados obtenidos mediante DFC confirmaron el modelo experimental de dos etapas descrito anteriormente y además, permitió obtener información adicional de estas operaciones de decantación. Se determinó una densidad de las partículas sólidas en un amplio rango (1025-1225 kg/m3), valores similares a los descritos por otros autores (Hermoso et al., 1998; Alba, 2008). Además, se estableció una decantación a diferentes velocidades dependiendo del tamaño de partícula, acorde a lo descrito por la ley de Stokes (Calleja et al., 1999; Rodríguez et al., 2002). Las partículas de menor tamaño permanecieron parcialmente decantadas (59 pm) o en suspensión (menor a 27,5 pm) en el momento de transición de las dos etapas del modelo (80 minutos). Por tanto, tras aplicar esta tecnología por primera vez en la etapa de clarificación, la DFC podría ser considerada como una herramienta útil para el diseño de equipos de almazara o mejora de los diseños actuales, como pueden ser los depósitos de decantación entre otros, permitiendo conocer el sistema de separación en estos nuevos dispositivos antes de ser construidos.
A nivel industrial, se llevó a cabo el estudio de los actuales sistemas de clarificación utilizados en las almazaras. Actualmente, el uso de la centrífuga vertical se caracteriza por operar con una adición de agua considerable, que genera una elevada cantidad de agua de lavado y que afecta a las características finales de los aceites (Di Giovacchino et al., 1994; Jiménez et al., 1995; Masella et al., 2009). Por el contrario, los DDFC requieren de menor consumo de agua, por tanto menor producción de agua de lavado, y un menor consumo energético. Sin embargo, no existe información de la operación de decantación para este tipo de aceites de oliva vírgenes, tanto en estático como en dinámico, y su efecto sobre sus características.
Se ha estudiado el proceso de decantación estática (DE) en DDFC a nivel industrial, mediante el estudio de la evolución de las impurezas durante la operación de clarificación y su eficiencia en la eliminación de los decantados.
Al igual que la decantación en columna, la DE en DDFC se basa en la teoría de sedimentación descrita por la ley de Stokes, en la que la separación se lleva a cabo únicamente por la fuerza de la gravedad, lo que requiere de un mayor tiempo de separación. La DE tiene lugar en depósitos aclaradores con fondo cónico, construidos fundamentalmente en acero inoxidable y con una gran variabilidad en su diseño (capacidad, inclinación del cono…).
En la DE en DDFC, los niveles de impurezas en la parte superior de los depósitos (a 18 cm del nivel del aceite) no están influenciados por su contenido inicial de estas en los aceites procedentes del decánter, presentando concentraciones similares para todos los aceites estudiados. Sin embargo, a niveles inferiores (88 cm), punto de entrada del aceite a clarificar, la variación del porcentaje de impurezas depende del contenido inicial de estas en los aceites de decánter. Un porcentaje elevado de impurezas en los aceites de decánter hacen que su contenido a esta altura sea nayor, debido a una concentración de los decantados de las capas superiores del depósito en ese punto.
Al igual que en la decantación en columna, en la DE en DDFC a nivel industrial, también se observó el modelo de dos etapas descrito anteriormente, un comportamiento similar al especificado en la teoría de la sedimentación por Kynch et al. (1952). La etapa lineal rápida al inicio determina la velocidad de decantación, que varía en función del contenido inicial en impurezas del aceite procedente del tamiz del decánter, observándose una relación directa entre la pendiente de dicha etapa y el contenido inicial de impurezas en el aceite. Tras esta primera etapa (que independientemente del contenido en impurezas de los aceites de decánter estudiados correspondió a los primeros 300 minutos) la velocidad de decantación desciende hasta valores mínimos, correspondiente a la denominada etapa de compresión.
Las impurezas acumuladas en el fondo de los depósitos se eliminan mediante su purgado. El momento en el que con el purgado se consigue una mayor eliminación de impurezas coincide con la fase de transición de las dos etapas, lineal y de compresión (a los 300 minutos), momento en el cual la mayor parte de las impurezas ya han decantado. Sin embargo, las impurezas decantadas no son eliminadas totalmente de los depósitos, independientemente de la periodicidad y del tiempo de purga. La principal causa de esta ineficiencia de eliminación se debe a la geometría del fondo cónico, que origina una corriente preferente en el punto de purgado, equivalente al efecto Venturi, por donde se pierde una cantidad considerable de aceite, quedando los sólidos adheridos a la pared interna del cono.
Estos mismos aceites procedentes del decánter, han sido clarificados también mediante centrífuga vertical con mínima adición de agua (CVMAA), 0,05% de agua con respecto al aceite, con la finalidad de poder comparar la eficiencia de clarificación de cada sistema y su efecto sobre las características de los aceites.
En ambos sistemas de clarificación (DE y CVMAA) la eficiencia de esta operación está condicionada por el contenido de impurezas del aceite de decánter. Un mayor contenido inicial de impurezas ha presentado una mayor eficiencia en su eliminación. La CVMAA resultó ser el sistema de clarificación más eficiente, ya que además de ser una operación más rápida, prácticamente instantánea, presentó una mayor eficiencia de clarificación, hasta un 96% cuando los aceites de decánter presentaron un mayor contenido en impurezas. Por el contrario, la DE necesita un mayor tiempo de separación (> 48 h) para alcanzar una eficiencia de eliminación de impurezas similar a la CVMAA. Así, mayor un tiempo de decantación dio lugar a un ligero incremento en la eficiencia de eliminación. Sin embargo, en una comparación detallada, habría que tener en cuenta como la eficiencia del sistema de DE se ve afectada negativamente por las pérdidas de aceite que se producen en las continuas purgas realizadas para eliminar las impurezas decantadas.
Los parámetros de calidad estudiados en los aceites (acidez libre, índice de peróxidos, K232, K270 y ésteres etílicos) no se vieron alterados por el sistema de clarificación siendo clasificados, en todos los casos, dentro de la categoría ‘virgen extra’ (EEC, 2015). Estos resultados difieren de los descritos por Parenti et al. (2007) y Masella et al. (2009) para la centrifugación vertical, quienes usando una mayor adición de agua, observaron una alteración de los parámetros de oxidación.
Con respecto a la composición de los aceites, algunos de los compuestos minoritarios, como los tocoferoles y los pigmentos, no se vieron afectados por los sistemas de clarificación estudiados. Sin embargo, el contenido en compuestos fenólicos de los aceites clarificados presentó un descenso en la operación de clarificación, cuya reducción varió en función del sistema empleado. Así, la DE tras 24 h de decantación presentó pérdidas de hasta un 42%, principalmente hidroxitirosol (25-28%), tirosol (34- 37%) y 3,4-DHPEA-EDA (66-67%), sin que tiempos de decantación mayores dieran lugar a contenidos en compuestos fenólicos más bajos. Esta gran pérdida de componentes fenólicos se debe a la solubilización de estos en las gotas de agua que va descendiendo durante la decantación. La CVMAA presentó una reducción menor de estos compuestos (<15%), ya que el efecto de solubilización fue mínimo debido a la escasa adición de agua (0,05% con respecto al aceite) y el reducido tiempo de residencia del aceite en la centrífuga.
Sensorialmente, los aceites clarificados mediante CVMAA presentaron mejores características, mayor puntuación en los atributos positivos, como el frutado, así como en amargo y picante, relacionados con el mayor contenido en compuestos fenólicos totales. Asimismo, no se observaron defectos (clasificación ‘virgen extra’ en todos los casos de acuerdo con CEE, 2016). En cambio, los aceites clarificados mediante DE, además de mostrar menor intensidad de los atributos positivos, en especial amargo y picante, causado por el gran descenso en compuestos fenólicos, fueron clasificados dentro la categoría ‘virgen’ por la presencia del defecto ‘avinado/avinagrado’ tras 24 h de decantación. La aparición de este defecto es debido a un mayor tiempo de contacto entre el aceite y las impurezas no eliminadas durante la decantación, en especial en aquellos aceites de decánter con un alto contenido en impurezas (agua, compuestos disueltos y partículas sólidas) lo que provoca que los procesos de fermentación se intensifiquen.
Como se ha descrito anteriormente, la otra opción en la clarificación es la decantación dinámica (DD), que también ha sido comparada con la clarificación mediante CVMAA. En la DD intervienen, además del efecto de la gravedad, la fuerza generada por el propio flujo del fluido y el tiempo de residencia del aceite en el sistema de decantación.
Respecto a la eficiencia de la DD, al igual que en la CVMAA, ésta depende del contenido inicial en impurezas del aceite procedente del decánter, alcanzando mayor eficiencia de clarificación cuando los aceites de partida muestran un elevado contenido en impurezas. En los ensayos comparativos, la CVMAA vuelve a mostrarse como el sistema de clarificación más eficiente (> 85%) en comparación con la DD (< 85%). Además, en la DD los depósitos que componen la batería de decantación presentan porcentajes relativos de clarificación diferentes. El segundo tanque presenta una mayor tasa de clarificación (> 45%), seguido del primero (< 45%) y con una tasa inferior, el tercer tanque (< 35%).
Para la clarificación de los aceites, la DD necesita como mínimo el tiempo preciso para llenar completamente la batería de decantación; este tiempo depende del volumen total de la batería y del caudal de alimentación de aceite. Por lo que, un mayor caudal de alimentación implica un menor tiempo de residencia y una disminución de la eficiencia de clarificación. Sin embargo, la CVMAA permite llevar a cabo una clarificación en un periodo mínimo, que disminuye el tiempo de contacto entre el aceite y la las impurezas presentes en el mosto de partida.
Al igual que en la DE, los depósitos de la batería de decantación deben ser purgados periódicamente para eliminar las impurezas decantadas. En la DD, los sistemas de purgado tampoco fueron eficientes, al igual que en la DE, ya que la gran parte de las impurezas (entre 44,9 y 91,3%) no pudieron ser eliminadas tras la operación de decantación. Un porcentaje elevado de impurezas fue separado en el primer tanque, ya que este es el que recepcionó el aceite inicial con una mayor carga en estas impurezas. Esta circunstancia hizo que, este primer depósito necesitase de purgas más frecuentes y de más duración para eliminar el mayor contenido de impurezas decantadas, en comparación con el resto de depósitos de la batería.
La decantación dinámica no alteró los parámetros de calidad estudiados en los aceites clarificados (acidez libre, índice de peróxidos, K232, K270 y ésteres etílicos), al igual que la CVMAA categoría ‘virgen extra’ (CEE, 2016).
Como en los trabajos anteriores, los sistemas de clarificación no mostraron efecto sobre compuestos como los tocoferoles y los pigmentos. Para los compuestos fenólicos se observó un descenso considerable para los aceites clarificados mediante la DD, al igual que en la DE, con pérdidas de estos compuestos de hasta un 39%, principalmente 3,4-DHPEA-EDA (74%) y 3,4-DHPEA-EA (40%). El porcentaje más elevado de pérdida de estos compuestos se produjo en el primer tanque de decantación, posiblemente debido al efecto de su solubilización en agua durante la decantación, considerando que la mayor parte del agua presente en el aceite de decánter se separa en este primer depósito. La CVMAA debido a la mínima adición de agua (solo el 5% con respecto al aceite), al igual que en el caso anterior, dio lugar a un ligero descenso del contenido de estos compuestos.
Como se observa para la decantación estática, los aceites clarificados mediante decantación dinámica presentaron peores características sensoriales que los clarificados por centrifuga vertical con mínima adición de agua. Los aceites de decantación dinámica mostraron una menor puntuación en atributos positivos, y en especial del amargo y picante debido a la mayor pérdida de compuestos fenólicos. Además, los aceites de decantación dinámica presentaron defectos con mayor intensidad, al igual que en la decantación estática, debido a una mayor presencia de impurezas no eliminadas que aumentan la intensidad de aromas no deseados típicos de procesos fermentativos.