Hidrogenação de ácido graxo

Hidrogenação:
Óleos e Gorduras
Prof. Marcos Villela Barcza
Hidrogenação de ácidos graxos
1- Introdução:
Gorduras e óleos encontram-se amplamente distribuídos na natureza,
não só no reino vegetal, mas também no animal.
As gorduras podem ser classificadas como saturadas, mono-insaturadas
e poli-insaturadas; uma única ligação dupla, ele será mono-insaturado. Se
houver mais de uma, será poli-insaturado. A maioria das gorduras contém
diferentes proporções de cada um desses três tipos básicos de ácidos graxos,
mas costumam serem classificadas segundo o tipo predominante. As gorduras
animais tendem a ser gorduras saturadas, e são sólidas à temperatura
ambiente. Banha, sebo e a gordura da carne são gorduras saturadas. As
gorduras insaturadas são líquidas à temperatura ambiente. Costumam ser de
origem vegetal, embora os óleos de peixe também possam ter grande
quantidade de ácidos graxos poli-insaturados. Os óleos vegetais podem ser
endurecidos com a adição de átomos de hidrogênio e a conversão de ligações
duplas em ligações simples.
Óleos e gorduras são, ambos, triglicerídeos; na temperatura ambiente,
gorduras são sólidas e óleos são líquidos. Uma molécula de gordura ou óleo
consiste de 3 moléculas de ácido graxo esterificada em uma molécula de
glicerol, como visto abaixo:
O
H2C
HC
H2C
C O R1
O
C O R2 + H2O
O
C atalis ador
C O R3
R1
C
R2
C
R3
C
- R1, R2 e R3: iguais ou diferentes;
- Rn:12 a 18 carbonos.
O
OH
O
OH
O
+ H2C CH CH2
OH OH OH
OH
Na maioria dos óleos e gorduras, existem de 12 a 18-22 carbonos nas
moléculas de ácidos graxos. Por exemplo, cerca de 80% do óleo de oliva é
constituído por moléculas de ácido oléico. Este ácido graxo, assim como o
ácido linoléico, são insaturados, isto é, possuem duplas ligações na cadeia
carbônica, como ilustrado abaixo:
17
15
14
16
18
13
8
11
12
7
10 9
4
6
2
1
3
5
OH
O
Ácido Oléico
18
16
17
11
14
15
13 12
8
10 9
4
6
7
Ácido Linoléico
5
2
1
3
O
OH
Existem ácidos graxos saturados, isto é, sem duplas ligações na cadeia
carbônica, como é o caso do ácido esteárico (octanodecanóico):
18
16
17
14
15
13
8
10
12
11
9
4
6
7
Ácido Esteárico
5
2
1
3
OH
O
A hidrogenação das duplas de um ácido insaturado leva a um aumento
do índice de saturação e, consequentemente, a uma elevação do ponto de
fusão da gordura. Um exemplo é a margarina, que é obtida pela hidrogenação
catalítica de óleos vegetais. É um processo que transforma um óleo líquido em
um óleo semilíquido, o qual é chamado de gordura. Quanto mais hidrogenado
for o óleo, mais sólido ele será na temperatura ambiente, portanto, mais
saturado. De um modo geral, as gorduras saturadas são encontradas
principalmente em alimentos de origem animal, enquanto as gorduras
cremosas ou líquidas (mono e poliinsaturadas) são mais abundantes em
determinados vegetais. Por isso é que o grau de saturação é facilmente
identificável nos três tipos de gordura: pela sua dureza em temperatura
ambiente. As saturadas são sólidas; as gorduras mono-insaturadas são
cremosas, porém se solidificam se colocadas no refrigerador. Já as gorduras
poli-insaturadas são muito cremosas, até mesmo líquidas, não se solidificam
nem mesmo quando colocadas no congelador.
O grau de insaturação influencia o ponto de fusão da mistura de ésteres,
quanto mais insaturado o ácido mais baixo é o ponto de fusão dos ésteres. As
gorduras com grande conteúdo de ácidos graxos insaturados são líquidas ou
oleosas (o termo óleo refere-se a consistência e não a estrutura química).
As insaturações podem ser hidrogenadas pela adição de hidrogênio às
duplas ligações. O ponto de fusão das gorduras eleva-se por esse processo,
tanto que as gorduras anteriormente oleosas, se tornam sólidas a temperatura
ambiente, daí o termo solidificação das gorduras. O processo desempenha
importante papel na produção e redução de óleos - margarina e,
conseqüentemente, na alimentação humana. Observa-se, portanto, que o fator
determinante da denominação de um composto, como gordura ou óleo, é
simplesmente seu ponto de fusão.
No processo de fabricação das margarinas utiliza-se hidrogênio
(hidrogenação dos óleos). Esta técnica, reconhecida e comprovada ao longo
dos anos, permite modificar o estado líquido do óleo para o seu estado
cremoso e consistente, no entanto ela vem sendo amplamente estuda por
profissionais e órgãos de saúde em todas as partes do mundo. Segundo os
pesquisadores durante o processo de hidrogenação dos óleos são formadas
substâncias tão nocivas à saúde como a manteiga pela semelhança com a
gordura saturada chamadas ácidos graxos trans. De acordo os estudos se a
hidrogenação for realizada por completo os ácidos graxos trans não são
criados. Em geral isto acontece na fabricação das halvarinas.
Os óleos e gorduras de origem animal e vegetal encontram grande
aplicação também no campo industrial. A produção mundial destes compostos
tem aumentado significativamente para atender a demanda. Os processos
químicos empregados são:
-
Hidrogenação – Saturação total ou parcial dos ácidos não saturados;
Desidratação – Retirada de uma molécula de água de um hidroxi-ácido;
Polimerização – Polimerização das duplas existentes na molécula dos ácidos
polisaturados, conjugados ou não.
Além das industrias alimentícias, os óleos e gorduras, são empregados nas
indústrias de sabão, perfumaria, farmacêutica, detergentes, explosivos,
polímeros, metalurgia do pó, óleos para freio, fabricação de tintas e em certas
fases de laminação na metalurgia do ferro, entre outras.
Classificação dos óleos e gorduras:
Grupo
Tipo
Exemplos
Manteiga,
creme
de
Gorduras
Leite; Vegetal; Animal;
leite;
cacau;
banha,
sebo.
Coco, babaçu; algodão,
Ácido láurico; Ácidos oléico amendoim, milho; arroz,
Óleos
e linóleico; Óleos marinhos. soja, linhaça; baleia,
peixe.
2- Refinação de óleos brutos:
O óleo extraído contém alguns constituintes, como por exemplo, uma
certa quantidade de ácidos livres, que lhe confere acidez, coloração bastante
acentuada proveniente da matéria prima e uma certa quantidade de material
vegetal não saponificável, solúvel ou insolúvel, que lhe confere odor
acentuado, ainda que em pequenas quantidades. Desta forma o refino do óleo
tem como objetivo quebrar a acidez, reduzir a coloração e reduzir os odores.
Esse processamento envolve a refinação alcalina, lavagem com água e
secagem, clarificação, hidrogenação e desodorização, de forma contínua. No
método alcalino, os ácidos graxos livres são neutralizados por soda cáustica ou
por barrilha, formando sabões, chamadas também de borras, que são
removidos por centrifugação dos ácidos graxos. Após, são clarificados com
argila adsorvente, por processo contínuo ou descontínuo. A desodorização é
realizada mediante sopragem de vapor de água superaquecido no óleo. Para
obtenção de gordura, o óleo é clarificado antes e depois da hidrogenação,
sendo em seguida desodorizado. Neste caso, o óleo hidrogenado ainda quente
e, portanto, no estado líquido, é desodorizado sob vácuo de aproximadamente
71 cm Hg e entre 200 a 260 ºC.
A qualidade das gorduras e dos óleos animais foi bastante melhorada
pelo processamento químico que propiciou há tempos pela hidrogenação e foi
intensificado, nos dias de hoje, pela interesterificação e pela isomerização. A
engenharia química conseguiu reduzir o custo do processamento pela
passagem dos processos descontínuos para os contínuos.
Os novos processos aplicam resultados de conversões químicas
recentemente desenvolvidas, além da hidrogenação, a esterificação e a
isomerização,. Os óleos, de origem animal ou vegetal, possuem etapas de
processamento em comum, como a refinação, o alvejamento, a hidrogenação,
e a desodorização.
3- Hidrogenação:
Hidrogenação ou endurecimento de óleos e gorduras, é conversão dos
diversos radicais insaturados dos glicerídeos graxos em glicerídeos mais
saturados, ou completamente saturados, mediante a adição de hidrogênio em
presença de um catalisador. Diversas gorduras e óleos são convertidos por
hidrogenação parcial em gorduras de composição mais apropriada a gorduras
de cozinha, margarina e outros comestíveis e, também, na fabricação de
sabões e outros empregos químicos. O objetivo da hidrogenação está não
apenas na elevação do ponto de fusão, mas também em melhorar em grande
medida as qualidades de estocagem e propriedades lépticas e aromáticas de
muitos óleos.
A hidrogenação na tecnologia moderna de óleos e gorduras naturais é
empregada em larga escala para o processamento de óleos comestíveis,
graxas lubrificantes, sabão e óleos industriais. A aplicação da hidrogenação na
conversão química dos óleos foi a mais importante e a mais significativa de
todas as melhorias químicas verificadas na indústria graxa. Como a reação é
exotérmica, as principais exigências de energia se referem ao aquecimento de
óleo, ao bombeamento e à filtração.
A fabricação de óleos hidrogenados envolve equipamentos para catálise
heterogênea, refinação do óleo antes da hidrogenação e tratamento da
gordura depois da hidrogenação. O hidrogênio necessário é adquirido de
terceiros ou produzido na própria planta. Em virtude de traços de compostos
gasosos de enxofre são fortes envenenadores de catalisadores e, também,
embora em menor grau, o monóxido de carbono, é indispensável que o
hidrogênio seja completamente livre destes compostos, bem como de
substâncias capazes de atribuir propriedades lépticas aos alimentos. A
quantidade de hidrogênio necessária é função da redução da insaturação,
medida pela diminuição do número de iodo durante a hidrogenação. Para
ocorrer a hidrogenação é necessário que hidrogênio gasoso, óleo líquido e
catalisador estejam juntos a uma pressão e temperatura adequados, trata-se
de uma catálise heterogênea.
A carga é mantida na temperatura máxima por um tempo superior a 1 h
e depois resfriada. Durante o período de redução e de resfriamento, o
hidrogênio é borbulhado através do óleo, somente para arrastar os produtos
de decomposição. Completada a redução, a carga pode ser bombeada para o
conversor ou então moldada em blocos, em flocos ou em grânulos, para
utilização posterior.
A redução catalítica com hidrogênio é um dos métodos utilizados na
indústria. É uma das mais simples e ao mesmo tempo mais complexas reações
químicas utilizadas nos processos industriais de óleos e gorduras naturais.
Considera uma da mais importantes na transformação destas matérias primas
industriais.
Como os óleos naturais são ésteres triglicerídeos, a posição do ácido
graxo no glicerol determina as propriedades físicas da molécula. Por exemplo,
a hidrogenação parcial do óleo de soja pode resultar na produção de até 30
diferentes tipos de ácidos graxos parcial ou totalmente hidrogenados.
Fluxograma do processamento contínuo de óleos comestíveis (Origem: vegetal ou animal)
Instalação para hidrogenação de ácidos graxos
Processo em Batelada
Instalação para hidrogenação de ácidos graxos
Processo Contínuo
Vista tridimensional da instalação para hidrogenação de
ácidos graxos
a- Hidrogenador
b- Filtro prensa
c- Tanque de catalisador
d- Bomba
Reatores para hidrogenação de ácidos graxos
010203040506070809-
Bomba para circulação;
Serpentina para aquec/refrig;
Para filtro prensa;
Escape;
Hidrogênio;
Vapor;
Água;
Bomba p/ circulação de H2;
Condensado.
a- Sistema de aquec./resfriam.
b- Agitador tipo turbina
c- Chicanas
0102030405060708-
Bomba para circulação;
Entrada de gordura;
Circuito para gordura;
Câmara de separação;
Circuito para H2;
Camisa de vapor;
Entrada de H2;
Bomba para hidrogênio.
a- Autoclave
b- Zona de mistura e reação
c- Óleo graxo e catalisador
d- Bomba de recirculação
e- Aquecimento/Resfriamento