Effects of chelation and acidity in purification of fats and oils

Abstract

Purification of fats and oils from unwanted element traces (Na, K, Mg, Ca, Fe, Al and P) was studied for two different feedstocks. Removal of these elements was investigated by washing the samples with small water amounts containing citric acid (CA) as a complexing agent and sulfuric acid for additional pH control. After the purification, treatment was carried out with different CA and sulfuric acid amounts, and the fat and water phases were separated using a centrifuge. pH was measured from the water phase and ICP-OES was used to determine the remaining concentrations of the elements in the fat phase.

The results showed that CA in overall chelates the investigated metals, but there were differences among the different metals. Iron and aluminum were chelated better than alkali and alkaline earth metals. Even without CA, by lowering the pH with sulfuric acid alone it was possible to remove the metals and phosphorus rather efficiently. Among the metals, iron especially was efficiently removed when the pH was below 1. Apparently sulfuric acid contributes to purification by opening the free fatty acid chains and dissociating the metals into the water phase. Overall, the best pH area for the metal extraction was found to be around 1 – 3 for both feedstocks, which could actually be achieved by different amounts of added CA and sulfuric acid. Phosphorus cannot be chelated but the acid-based removal was shown to work when the pH was below 3.

In the literature part of the thesis, the theoretical bases for metal chelation and its dependence on different factors including the pH are discussed. These considerations supported the choice of the CA as the chelating agent, as it works well in a wide pH range. Also discussed are the challenges related to the ICP-OES elemental analysis of fat/oil samples and the issues related to the pH measurements of fat/oil samples, especially at the very low pH area.

Työssä tutkittiin rasvojen ja öljyjen puhdistamista alkuainejäämistä (Na, K, Mg, Ca, Fe, Al ja P) kahdesta rasvaöljystä. Epäpuhtauksien poistumista tutkittiin pesemällä rasvoja pienellä määrällä vettä, jossa oli vaihtelevia määriä sitruunahappoa (CA) kelatointiaineena sekä rikkihappoa happamuutta säätämässä. Käsittelyn jälkeen vesi- ja rasvafaasit erotettiin sentrifugilla. pH-arvot mitattiin vesifaaseista ja puhdistuskäsittelyjen jälkeiset rasvafaasien alkuainepitoisuudet analysoitiin ICP-OES-menetelmällä.

Tulokset osoittivat, että CA kelatoi tutkittavia metalleja, mutta tehokkuuksissa on eroja. Rauta ja alumiini kelatoituivat paremmin kuin alkali- ja maa-alkalimetallit. Lisäksi havaittiin, että pH:n alentaminen pelkällä rikkihapolla poistaa metalleja ja fosforia melko tehokkaasti, ilman CA:n läsnäoloa. Metalleista erityisesti rauta poistui rasvafaasista tehokkaasti pH:n ollessa alle 1. Ilmeisesti rikkihappo edistää puhdistumista avaamalla vapaiden rasvahappojen ketjuja, jolloin metalleja liukenee vesifaasiin. Kaiken kaikkiaan, paras pH alue metallien poistamiselle löydettiin pH-alueelta 1-3 molemmilla rasvaöljyillä, mikä saavutettiin eri yhdistelmillä CA:ta ja rikkihappoa. Fosfori ei kelatoidu, mutta sitä poistuu rasvafaasista pH:n pudotessa alle 3:een.

Kirjallisuusosassa käsitellään metallikelaattien muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä mukaan lukien pH. Nämä näkökohdat tukivat CA:n valintaa kelatoivaksi aineeksi, sillä sen toimivuusalue kattaa laajan pH-alueen. Lisäksi kirjallisuusosassa pohditaan ICP-OES-analyysien sekä hyvin matalien pH-arvojen mittauksen haasteita.