La congelación fraccionada es un proceso utilizado en la ingeniería de procesos y la química para separar sustancias con diferentes puntos de fusión. Puede realizarse mediante fusión parcial de un sólido, por ejemplo en el refinado zonal de silicio o metales , o mediante cristalización parcial de un líquido, como en la liofilización , también llamada congelación normal o congelación progresiva . La muestra inicial se fracciona ( se separa en fracciones ).
La cristalización parcial también se puede lograr agregando un solvente diluido a la mezcla y enfriando y concentrando la mezcla evaporando el solvente, un proceso llamado cristalización en solución. [1] La congelación fraccionada se utiliza generalmente para producir sólidos ultrapuros o para concentrar líquidos sensibles al calor.
La liofilización es un nombre inapropiado, porque no es destilación sino más bien un proceso de enriquecer una solución congelándola parcialmente y eliminando el material congelado que es más pobre en material disuelto que la porción líquida que queda. Tal enriquecimiento es paralelo al enriquecimiento por destilación verdadera, donde la porción evaporada y recondensada es más rica que la porción líquida que queda.
El etanol y el agua líquida son completamente miscibles, pero el etanol es prácticamente insoluble en agua helada. Eso significa que se puede precipitar hielo de agua casi puro a partir de una mezcla pobre de etanol y agua enfriándola lo suficiente. La precipitación de hielo de agua de la mezcla enriquece el etanol en la fase líquida restante. A continuación se pueden separar las dos fases mediante filtración o decantación. La temperatura a la que el hielo de agua comienza a precipitar depende de la concentración de etanol. En consecuencia, a una temperatura y concentración de etanol determinadas, el proceso de congelación alcanzará un equilibrio en una proporción específica de agua helada y solución de etanol enriquecida con una concentración de etanol específica. Las temperaturas y proporciones de mezcla de estos equilibrios de fases se pueden leer en el diagrama de fases del etanol y el agua. El enriquecimiento máximo de etanol en la fase líquida se alcanza en el punto eutéctico del etanol y el agua, aproximadamente 92,4% en peso de etanol a -123 °C. [2]
Las bebidas destiladas por congelación más conocidas son el aguardiente de manzana y la cerveza helada . El vino helado es el resultado de un proceso similar, pero en este caso, la congelación se produce antes de la fermentación y, por tanto, es el azúcar, no el alcohol, el que se concentra.
Cuando se desea un sólido puro, pueden ocurrir dos situaciones posibles. Si el contaminante es soluble en el sólido deseado, se requiere una congelación fraccionada en múltiples etapas, análoga a la destilación en múltiples etapas . Sin embargo, si se forma un sistema eutéctico (análogo a un azeótropo en la destilación), se puede recuperar un sólido muy puro, siempre y cuando el líquido no tenga su composición eutéctica (en cuyo caso se forma un sólido mixto, que puede ser difícil de separados) o por encima de su composición eutéctica (en cuyo caso se forman sólidos no deseados).
Cuando el requisito es concentrar una fase líquida, la congelación fraccionada puede resultar útil debido a su simplicidad. La congelación fraccionada también se utiliza en la producción de concentrados de zumos de frutas y otros líquidos sensibles al calor, ya que no implica calentar el líquido (como ocurre durante la evaporación ).
La congelación fraccionada se puede utilizar para desalinizar agua de mar. En un proceso que ocurre naturalmente con el hielo marino, el agua salada congelada, cuando se derrite parcialmente, deja hielo con un contenido de sal mucho menor. Debido a que el cloruro de sodio reduce el punto de fusión del agua, la sal del agua de mar tiende a ser expulsada del agua pura mientras se congela, lo que se denomina rechazo de salmuera . Grandes lagos de agua de mayor salinidad, llamados polinias , se forman en medio de témpanos y el agua eventualmente se hunde hasta el fondo. Asimismo, el agua congelada con mayor concentración de sal se derrite primero. Cualquiera de los métodos disminuye la salinidad del agua congelada restante y, después de varias ejecuciones, los resultados pueden ser potables.
La congelación fraccionada se puede utilizar como un método simple para aumentar la concentración de alcohol en bebidas alcohólicas fermentadas , un proceso a veces llamado destilación por congelación. Algunos ejemplos son el aguardiente de manzana , elaborado con sidra dura , y la cerveza helada . En la práctica, aunque no es capaz de producir una concentración de alcohol comparable a la destilación , esta técnica puede lograr cierta concentración con mucho menos esfuerzo que el que requeriría cualquier aparato de destilación práctico. El peligro de la congelación fraccionada de bebidas alcohólicas es que no elimina las impurezas, a diferencia de la destilación (calor). Por lo tanto, la congelación fraccionada puede aumentar la proporción de impurezas con respecto al volumen total de la bebida (aunque no necesariamente la proporción de impurezas con respecto a la cantidad de etanol). Esta concentración puede causar efectos secundarios al bebedor, provocando resacas intensas y una condición conocida como "parálisis de la manzana" [3] (aunque este término también se ha utilizado simplemente para referirse a la intoxicación, [4] especialmente por aguardiente de manzana. [5] )
La congelación fraccionada se usa comúnmente como un método simple para reducir el punto de gelificación del biodiesel y otros combustibles diesel alternativos, mediante el cual los ésteres de punto de gelificación más alto se eliminan de los ésteres de punto de gelificación más bajo mediante filtrado en frío u otros métodos para reducir el gel de combustible alternativo posterior. punto de mezcla de combustible. Este proceso emplea estratificación de combustible mediante la cual los componentes de la mezcla de combustible desarrollan una gravedad específica más alta a medida que se acercan a sus respectivos puntos de gelificación y, por lo tanto, se hunden hasta el fondo del contenedor, donde se pueden eliminar.