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 la fusión parcial de un sólido, por ejemplo en la refinación por zonas de silicio o metales , o mediante la cristalización parcial de un líquido, como en la destilación por congelación , también llamada congelación normal o congelación progresiva . De este modo, 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 generalmente se utiliza para producir sólidos ultrapuros o para concentrar líquidos sensibles al calor.
La destilación por congelación es un nombre inapropiado, ya que no es una destilación, sino un proceso de enriquecimiento de una solución mediante la congelación parcial y la eliminación del material congelado que es más pobre en material disuelto que la parte líquida que queda. Este enriquecimiento es paralelo al enriquecimiento por destilación verdadera, donde la parte evaporada y recondensada es más rica que la parte líquida que queda.
El etanol y el agua líquida son completamente miscibles, pero el etanol es prácticamente insoluble en hielo de agua. Esto 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. Las dos fases se pueden separar entonces por 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 dadas, el proceso de congelación alcanzará un equilibrio en una proporción específica de hielo de agua y solución de etanol enriquecida con una concentración específica de etanol. Las temperaturas y las proporciones de mezcla de estos equilibrios de fases se pueden leer en el diagrama de fases de etanol y 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, por lo que es el azúcar, no el alcohol, lo que se concentra.
Cuando se desea un sólido puro, pueden darse dos situaciones posibles. Si el contaminante es soluble en el sólido deseado, se requiere una congelación fraccionada en varias etapas, análoga a la destilación en varias etapas . Sin embargo, si se forma un sistema eutéctico (análogo a un azeótropo en la destilación), se puede recuperar un sólido muy puro, siempre que el líquido no esté en su composición eutéctica (en cuyo caso se forma un sólido mixto, que puede ser difícil de separar) o por encima de su composición eutéctica (en cuyo caso se forma el sólido no deseado).
Cuando se requiere concentrar una fase líquida, la congelación fraccionada puede ser útil debido a su simplicidad. La congelación fraccionada también se utiliza en la producción de concentrados de jugo de frutas y otros líquidos sensibles al calor, ya que no implica calentar el líquido (como sucede durante la evaporación ).
La congelación fraccionada se puede utilizar para desalinizar el 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 . En el medio de los témpanos se forman grandes lagos de agua con mayor salinidad, llamados polinias , y el agua finalmente se hunde hasta el fondo. Del mismo modo, el agua congelada con la mayor concentración de sal se derrite primero. Cualquiera de los métodos disminuye la salinidad del agua congelada restante y, después de varias pruebas, 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 que a veces se denomina destilación por congelación. Algunos ejemplos son el aguardiente de manzana , elaborado a partir de 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 del 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 (por 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, lo que lleva a resacas intensas y una afección 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 utiliza comúnmente como un método simple para reducir el punto de gelificación del biodiésel y otros combustibles diésel alternativos, mediante el cual los ésteres con un punto de gelificación más alto se eliminan de los ésteres con un punto de gelificación más bajo mediante filtrado en frío u otros métodos para reducir el punto de gelificación posterior de la mezcla de combustibles alternativos. Este proceso emplea la estratificación del 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 recipiente, donde pueden eliminarse.