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El
presente es un pequeño trabajo de recopilación apuntando
a entender como funcionan los coloides y su aporte a la turbidez.
Para comprender el concepto de clarificación veamos previamente
algunas definiciones y conceptos teóricos los cuales trataremos de
simplificar y usar las
expresiones matemáticas solo para ver como influye cada parámetro.
A mediados del siglo XIX, el ingles John Tyndall demostró que
la dispersión de la luz en la atmósfera era causada por las partículas
en suspensión en el aire.
Este efecto lo utilizaremos para diferenciar, una disolución
o solución verdadera
de una dispersión coloidal. Cuando un rayo de luz que atraviesa
un líquido con partículas en suspensión invisibles al ojo, es dispersado,
estamos en presencia de un coloide. Si el rayo de luz no experimenta ninguna dispersión,
el líquido es una disolución o una solución verdadera.
Ejemplos
de coloides:
Vino, Sidra, Cerveza, Licores, Jugos de frutas
Ejemplo de soluciones verdaderas:
Lavandina, Vinagre
Solución verdadera
En general las substancias iónicas que se disuelven en un solvente están presentes como iones y las no-iónicas están
presentes como moléculas.
Se considera que una sustancia está en una solución
verdadera si la
misma está disuelta en iones individuales o moléculas
cuyo tamaño es menor que 0.001 micrones, un tamaño de partícula que tiende
a no precipitar fuera de la solución porque la fuerza de la gravedad es insignificante.
Las partículas están separadas unas de otras y cada una se mueve en forma
más o menos independiente en el solvente.
Todas las moléculas en una solución verdadera están
en un constante movimiento al azar.
Coloides
y emulsiones
Los agregados de moléculas no disueltas forman coloides más
bien que soluciones verdaderas y tales agregados son raramente más pequeños
que 0.001 micrón. Un coloide es un sistema en el cual diminutas
partículas, en un rango de tamaño desde 0,005 a 0.3 micrones de diámetro,
se encuentran dispersas en algún medio. Los agregados y el medio en el cual
los mismos están dispersos pueden ser gaseosos, líquidos o sólidos.
Un coloide formado por dos fases líquidas es llamado una emulsión.
Ejemplo: Mayonesa.
Las moléculas en un líquido están un constante
movimiento errático, y las partículas coloidales son constantemente bombardeadas y
empujadas en todas direcciones por las moléculas del líquido que
las rodea.
Este movimiento hace que las partículas coloidales no sedimenten debido a la leve fuerza que la gravedad ejerce sobre ellas. Ellas
también resisten el empuje gravitacional porque las cargas eléctricas
sobre las partículas coloidales en un sistema dado son del
mismo signo (positivo o negativo) y su mutua repulsión evita el efecto de sedimentación
de la gravedad.
No obstante, hay una ligera tendencia en las partículas de
un coloide hacia la sedimentación en el fondo del recipiente.
Las partículas en un coloide pueden ser inducidas a precipitar
por el agregado de un compuesto químico que pueda llegar a neutralizar
las cargas eléctricas de las partículas en suspensión, eliminando
las fuerzas de repulsión.
Los agregados más grandes de las partículas coloidales
forman suspensiones o emulsiones que son inestables. Esto significa que las partículas suspendidas pueden eventualmente separarse de la
suspensión y decantar debido a la fuerza de la gravedad; partículas más
grandes y densas precipitan más rápidamente. Las partículas con
una menor gravedad específica que el medio en el cual están dispersas pueden ascender y agregarse
en la superficie superior, por ejemplo aceite en agua, espuma que se forma
en la olla de cocción. Para mantener los agregados dispersos en una suspensión
o emulsión inestable el medio debe ser agitado continuamente.
Cuando el Ph de la solución es bajo la carga total es positiva
(caso de la cerveza), cuando el Ph es alto la carga total es negativa y cuando
el Ph es neutro la carga es neutra (llamado punto isoeléctrico). En
el punto isoeléctrico precipitan los coloides por falta de repulsión eléctrica,
solo actúa la fuerza de la gravedad.
En general los coloides no tienen un límite fijo de tamaño
y se suelen estudiar bajo un enfoque fisicoquímico desde el punto de vista
de sus propiedades. Un material coloidal puede tardar 755 días en
sedimentar por tanto es importante cambiar esta condición.
Un coloide no puede ser Clarificado por filtración debido al tamaño de las partículas de tamaño inferior a 1 micrón.
Coagulación y Floculación
La clarificación artificial consiste en agregar determinadas
sustancias en estado coloidal, las cuales al coagular y flocular, arrastran por
acción físico
química los compuestos coloidales.
La Coagulación y Floculación son dos procesos dentro
de la etapa de
clarificación. Ambos procesos se pueden resumir como una etapa
en la cual las
partículas se aglutinan en pequeñas masas llamadas flocs
tal que su peso
específico supere a la del líquido y puedan precipitar.
La coagulación se refiere al proceso de desestabilización
de las partículas
suspendidas de modo que se reduzcan las fuerzas de separación
entre ellas.
La floculación tiene relación con los fenómenos
de transporte dentro del líquido
para que las partículas hagan contacto. Esto implica la formación
de puentes químicos entre partículas de modo que se forme una malla
de coágulos, la cual sería tridimensional y porosa. Así se formaría,
mediante el crecimiento de partículas coaguladas, un floc suficientemente
grande y pesado como para sedimentar.
El término coágulo se refiere a las reacciones que suceden
al agregar un reactivo químico (coagulante) en el líquido, originando
productos insolubles. La coagulación comienza al agregar el coagulante al líquido
y dura fracciones de segundo.
Algunos coagulantes son: Carrageninas, Agar Agar, Gelatina, Bentonita
Modelos
Teóricos de la Coagulación y de La Floculación
Existen dos modelos de la coagulación. El modelo físico
o de la doble capa, basado en fuerzas electrostáticas de atracción y repulsión.
El otro modelo es
químico, llamado "puente químico", que relaciona
una dependencia entre el
coagulante y la superficie de los coloides.
Para la floculación existen también dos modelos. El
primero es llamado
ortocinético, el cual es promovido por agitación externa
principalmente
(Generación del Whirpool, remolino o fuerza centrífuga).
Influye partículas de tamaño superior al micrón y tiene relación con
los gradientes de velocidad del líquido. El segundo modelo se llama pericinético y se
diferencia del primero en
que su fuente de agitación es interna. Principalmente importarán
el movimiento
browniano y la sedimentación. Su efecto es principalmente sobre
partículas de tamaño inferior a 1 micrón.
Floculación
La floculación es el proceso mediante el cual las moléculas
ya desestabilizadas
entran en contacto, agrandando los flocs de modo de facilitar la precipitación.
La
floculación puede presentarse mediante dos mecanismos: floculación
ortocinética y pericinética, según sea el tamaño
de las partículas desestabilizadas (en general todas las partículas se ven afectadas
por ambos mecanismos). Las partículas pequeñas (< 1um) están
sometidas a floculación
pericinética, motivada por el movimiento browniano, mientras
que las que presentan un tamaño mayor, están afectadas principalmente
por el gradiente de velocidad del líquido, predominando en ella la floculación
ortocinética.
Ley
de Stokes
La ley de Stokes nos indica cual es la velocidad de sedimentación
de una partícula esférica en un medio líquido.
2 x (D – D0) x G x r2
V = -------------------------------
9 x ?
Donde
D
es la densidad de la partícula,
D0 es la densidad del líquido,
G es la aceleración de la gravedad a la que está sometida
la partícula,
r es el radio de la partícula esférica,
? es la viscosidad del líquido.
¿De que forma podemos aumentar la velocidad de precipitación
de partículas?
1) Aumentando el tamaño de las partículas por el agregado
de un
coagulante que forme flocs de mayor radio que la partícula
original.
Observar que cuando “r” aumenta (en la fórmula)
también aumenta
(cuadraticamente) la velocidad de precipitación.
2) Aumentando la aceleración por generación de un centrifugado
o remolino (Whirpool) vemos que aumenta el valor de G y esto hace que también aumente la velocidad de precipitación.
3) Menormente podemos afectar la Velocidad de precipitación
al aumentar la Densidad de las partículas por variación de la densidad
del floc al agregar coagulante. La densidad del liquido y la viscosidad del mismo son constantes para una elaboración dada.
Otra observación interesante que surge de esta fórmula
es que cuanto mayor
es la densidad del líquido más dificultoso es hacer
precipitar las partículas, por lo cual las cervezas más alcohólicas pueden tener mayor
turbidez presente si no se actúa sobre el coloide. Igualmente, elaboraciones con
mayor contenido de proteínas (“mayor cuerpo”) harán líquidos
más viscosos y por ende con mayor dificultad para precipitar partículas.
De aquí podemos comprender que la clarificación (durante
la etapa de cocción) requiere un hervor violento para generar movimiento dentro de la masa
del mosto en cocción que permite que las partículas formen
flocs mas grandes, y esos coágulos precipiten (si su densidad es mayor que la del
líquido) o
sobrenaden (si su densidad es menor que la del líquido).
Un coadyudante de este proceso es el remolino para aumentar la aceleración
y
otro coadyudante es el agregado de un coagulante de cargas negativas
para
compensar las cargas de la cerveza (Ph ácido, cargas positivas)
y formar
nuevos flocs.
La
pregunta del millón
¿ Cuanto coagulante se debe agregar ?
Ojo, de lo hasta aquí visto, si nos pasamos convertiremos un
coloide cargado positivamente en otro cargado negativamente, y con una turbidez de
nuevo tipo.
Entonces, ¿Cual es la dosis de uso adecuada?
No existe un valor exacto, se trabaja por experimentación tomando
muestras y
buscando el valor adecuado, pero podemos decir que el rango a usar
está entre los 0,5 y 2 gramos de principio activo / litro de solución
a tratar en el caso
de uso de gelatina, carragenina y/o bentonita.
Experimentalmente se toman muestras y se las trata con dosis crecientes
hasta
encontrar la que nos satisface.
No todas las soluciones se comportarán igual requiriendo diferentes
dosis.
¿Porqué?
Porque aunque usemos la misma recetas, cada cocción / solución
tiene sus
propias características, quizás en una la temperatura
del macerado fue
ligeramente superior o inferior que la otra. El molido del grano o
el grano mismo
(malteado) es diferente, el Ph del mashing fue diferente.
Esto hace que pueda cambiar la cantidad de coloides en solución
y por ende la
dosis a usar. Claro está que en cocciones grandes puede minimizarse
el efecto este de occión en cocción y es posible uniformizar
la dosis luego de un par de elaboraciones.
Uso
de la Bentonita
La clarificación artificial o provocada, en contraposición
a la clarificación
espontánea que se produce naturalmente en los vinos, tiene
por objeto obtener en tiempo breve la limpidez de los mismos.
La Bentonita es el clarificante de mayor difusión, debido a
su bajo costo ya que
es totalmente inerte, inalterable, de fácil aplicación
y notable acción estabilizadora sobre el vino. Produce con el agua una masa de miscelas electronegativas muy pequeñas, de enorme superficie específica
(alrededor de 50.000 cm2 por gramo) y estructura esponjosa que le confiere un elevado poder absorbente.
Cuando la Bentonita convenientemente preparada es incorporada al vino,
la floculación de los coágulos es rápida y la clarificación
se lleva a cabo en poco tiempo.
Los mismos criterios resultan aplicables para la clarificación
de jugos de frutas
así como de otros licores y bebidas tales como cervezas, cidras,
vinagres etc.
siempre y cuando la causa del enturbiamiento sea debida a partículas
con carga positiva.
¿Por qué la Bentonita tiene tanta difusión en
la elaboración de vinos y está casi
ausente en la elaboración de cerveza?
Como clarificante es uno de los más baratos y es muy efectivo
dado que PRECIPITA totalmente, es decir no queda en suspensión, no deja
rastros como otros clarificantes. Pero su no uso en cerveza está ligado
a que no discrimina a la hora de clarificar, barriendo con los compuestos necesarios para
aportar una
buena espuma. En cervezas del tipo Barley Wine, donde no se requiere
tener espuma dado su carácter “tipo vino” es aconsejable
su uso.
Diferentes
productos usados por la Asociación de Químicos Cerveceros de USA mostraron:
Fueron estudiados los efectos de tratamientos que influyen en la estabilidad coloidal de la cerveza, sobre proteínas promotoras de espuma,
proteínas promotoras de turbiedad y polifenoles.
Cerveza sin haber recibido tratamiento para turbiedad, fue tratada
con bentonita, silica gel y polivinilpoli-pirrolidona (PVPP).
La adsorción con bentonita remueve ambas proteínas promotoras
de turbiedad
y de espuma.
La adsorción con silica gel remueve proteína promotoras
de turbiedad, pero
casi sin tocar las proteínas promotoras de espuma. Esta especificidad
resulta porque la silica gel se enlaza a los residuos de prolina en la proteína;
estos son los mismos sitios donde los polifenoles se unen para crear turbiedad.
Como resultado, son afectadas solamente aquellas proteínas
que puedan participar en la formación de turbiedad.
El PVPP (conocido comercialmente como Polyclar) remueve aproximadamente la mitad del polifenol promotor de turbiedad de cerveza, pero tiene
poco efecto en las proteínas promotoras de espuma ó turbiedad.
Clarificando con gelatina se reduce grandemente el nivel de proteínas promotoras de turbiedad en la cerveza. Clarificando con ácido
tanico se reduce el nivel de proteínas promotoras de turbiedad y en altas proporciones
de adición, la concentracion de polifenoles promotores de turbiedad.
Aspectos
téoricos del tratamiento enzimático para estabilización
fueron considerados.
Puesto que fenilalanina y triptofano estan presentes en la hordeina
pero no la
proteína-1 de transferencia de lípido de cebada, promotora
de espuma, es teorícamente posible que se pudiera encontrar una enzima que
pudiera atacar a la proteína promotora de turbiedad pero no a la proteína
promotora de espuma.
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